大气压等离子体射流阵列研究进展

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)南京工业大学自动化与电气工程学院 作者:周耀东

  大气压低温等离子体射流是一种新型的等离子体放电技术,它具有运行温度低、可控性好、操作简单等特点,但其产生的等离子体体积小,不适合大面积处理。对单个等离子射流源进行一维、二维上的扩展形成阵列结构,可产生大面积低温等离子体,具有更强的处理灵活性和实用性。等离子体射流阵列成为近年来研究热点。本文综述了大气压等离子体射流阵列的研究现状,总结了各种射流阵列的产生结构和组成阵列的射流单元的结构以及驱动电源类型等,分析了射流阵列放电特性及诊断方法,介绍了射流阵列的典型应用效果,讨论了射流阵列的产生机理以及研究中存在的一些需要解决的问题。

  大气压低温等离子射流是近年来发展起来的一种新型的放电技术,与其他形式等离子体相比,具有放电温度低,放电装置灵活,化学活性可控性好等方面的特点,因此在材料表面的改性、杀菌消毒以及生物化学等方面具有广阔的应用前景。因此,其放电特性机理和应用研究受到国内外广泛关注。但目前研究中采用的射流装置中产生的等离子体体积较小,其处理面积一般不超过几平方毫米,小尺度的缺点限制了其工业应用前景。为了产生更适应实际应用的较大面积的射流源,最近几年,研究者们对射流放电进行大尺度扩展,以多个小尺度的射流为基本单元,将它们并联排列起来获得较大面积等离子体,称为射流阵列。

  射流阵列通过将多个射流单元排列组合而成,可以适应不同面积和体积的处理对象,且也可对阵列中单个射流源进行控制,达到不同强度的处理,大大加强了处理的灵活性和实用性,因此更具应用前景,目前成为研究热点之一。研究者以单个射流为基本单元设计了不同结构的射流阵列,并就其放电特性、机理以及应用效果等做了一定探讨,取得了一定进展,本文综述了大气压等离子体射流阵列研究现状,在介绍了各种射流阵列的产生结构和驱动电源类型的基础上,讨论了其产生机理以及诊断技术,并介绍了射流阵列的典型应用,分析了其研究中存在的一些需要解决的关键问题。

  1、阵列结构及实现

  按照阵列中射流单元排列方式,射流阵列可以分为一维射流和二维射流阵列。一维阵列通常是将多个小尺度射流单元线状排列,在一维方向上对其进行扩展,满足长距离处理需求,如图1 (a) 所示。为了进一步加大等离子体射流的处理面积,将线性方向排列的一维阵列结构,在横纵两个方向上进行扩展,可形成面型排列的射流源,即二维等离子体射流阵列,如图1(b) 所示。射流阵列所使用的射流单元电极布置与小面积的单管射流所使用的电极基本相同,目前研究中普遍使用的电极主要是针电极、环电极、针-环电极、针-板电极、环-板电极等几种,其中,针-环电极在玻璃管外也可以加上一个外电极,如图2 所示。

射流阵列示意图

图1 射流阵列示意图

  以如图2 中所示的电极结构作为单元,研究者在不同气体中获得了不同形式的一维射流阵列。Cao 等设计了环-板电极的射流单元,采用石英玻璃管作为介质,外面包裹上一层铜片作为供电环电极,在管口外放置一板电极作为接地电极,将10 个射流单元紧密排列在磁带盒中组成一维射流阵列,利用高频高压交流电源驱动在He 流量为4 L/min(标准状态) 、外加电源频率为30 kHz 时,产生了稳定的射流阵列。

射流单元的典型电极结构图

图2 射流单元的典型电极结构图

  6、结束语

  大气压等离子体射流阵列能满足工业领域对大面积低温等离子体源的需要,且具有更强的处理灵活性,在材料表面处理、等离子体医学,环境工程以及一些高新技术领域体现其独特的优势,具有更强的应用前景。目前研究人员在大气压等离子射流阵列研究方面已取得了一定的进展,但对其深入理解和控制以及工业化应用尚需进一步深入研究。作者在总结和归纳国内外相关研究现状的基础上认为在大气压低温等离子体射流阵列的研究应重点关注如下几个方面:

  ①加强其放电机理、稳定机制等方面的研究,以深入理解其放电机理,实现稳定控制;

  ②深入研究各种条件下放电特性,使用低成本的气体如Ar 等实现,以降低运行成本;

  ③设计出合理化的电极结构,深入研究其参数匹配,找到最佳运行条件,从而产生更具有优越性的射流阵列;

  ④深入研究其应用效果和作用机制,注意探索其在高新技术领域的应用价值。

  总之在大气压等离子体射流阵列作为等离子体领域的研究热点,在今后的研究中将会取得更进一步发展,进而在未来的工业化应用中发挥独特的作用。

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