一種產生大氣壓彌散放電非平衡等離子體的系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種產生大氣壓彌散放電非平衡等離子體的系統，包括：直流電源、諧振充電電路、Tesla變壓器諧振升壓電路、脈沖陡化電路、限流電阻、線型電極，諧振充電電路包括充電晶閘管、充電電感、濾波電容、原方電容，Tesla變壓器諧振升壓電路包括放電晶閘管、Tesla變壓器、副方電容，脈沖陡化電路包括三電極火花開關和觸發極電阻，直流電源的正極連接到充電晶閘管的陽極，直流電源的負極接地，充電晶閘管的陰極連接到充電電感的一端，充電電感的另一端連接到放電晶閘管的陽極，濾波電容直接與直流電源并聯。本發明能夠解決現有放電形式大氣壓非平衡等離子體存在的難以獲得大體積的等離子體，電離效率有限，能量利用率低，應用受到限制的技術問題。
【專利說明】一種產生大氣壓彌散放電非平衡等離子體的系統
【技術領域】
[0001]本發明屬于氣體放電與應用領域，更具體地，涉及一種產生大氣壓彌散放電非平衡等離子體的系統。
【背景技術】
[0002]近年來，大氣壓非平衡等離子體由于其特有的優勢及其巨大的應用前景受到了人們格外的關注。一方面，大氣壓非平衡等離子體去除了昂貴且極其繁瑣的真空系統，使得它的應用成本大大降低，獲得了廣泛的應用，例如材料的表面改性，醫療儀器設備的殺菌消毒等。另一方面，由于它是在周圍的大氣中進行放電，這使得原來無法實現的一些應用也變為現實，其中一個非常重要的應用是等離子體醫學方面的應用。
[0003]目前，產生大氣壓非平衡等離子體的方式主要有電暈放電和介質阻擋放電。電暈放電其較明顯的不足之處是氣體的電離主要集中在電極附近，很難獲得整個空間大體積的等離子體，且電離效率有限，產生的電子能量并不是很高，難以應用于工業生產。介質阻擋放電分為無聲放電、表面放電和填充型介質阻擋放電，無聲放電和表面放電這兩種介質阻擋放電的缺陷是在氣體放電過程中，對氣體有明顯的加熱，能量利用率有待提高。同時，介質阻擋放電需要在一端或兩端電極表面覆蓋一電介質，給應用帶來了一些限制。
【發明內容】
[0004]針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種產生大氣壓彌散放電非平衡等離子體的系統，其目的在于解決現有放電形式大氣壓非平衡等離子體存在的難以獲得大體積的等離子體，電離效率有限，能量利用率低，離子和高活性粒子濃度低，應用受到一些限制的技術問題。
[0005]為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種產生大氣壓彌散放電非平衡等離子體的系統，包括:直流電源、諧振充電電路、Tesla變壓器諧振升壓電路、脈沖陡化電路、限流電阻、線型電極，諧振充電電路包括充電晶閘管、充電電感、濾波電容、原方電容，Tesla變壓器諧振升壓電路包括放電晶閘管、Tesla變壓器、副方電容，脈沖陡化電路包括三電極火花開關和觸發極電阻，直流電源的正極連接到充電晶閘管的陽極，直流電源的負極接地，充電晶閘管的陰極連接到充電電感的一端，充電電感的另一端連接到放電晶閘管的陽極，濾波電容直接與直流電源并聯，原方電容的一端連接到放電晶閘管的陽極，原方電容的另一端接地，放電晶閘管的陰極連接到Tesla變壓器原方繞組的一端，Tesla變壓器原方繞組的另一端接地，Tesla變壓器副方繞組的一端連接到三電極火花開關的一個主電極，Tesla變壓器副方繞組的另一端接地，副方電容與Tesla變壓器副方繞組并聯，三電極火花開關的一個主電極連接到Tesla變壓器副方繞組的一端,三電極火花開關的另一個主電極連接到限流電阻的一端，限流電阻的另一端連接到線型電極的一個電極，線型電極的另一個電極接地，三電極火花開關的觸發極連接到觸發極電阻的一端，觸發極電阻的另一端接地，直流電源用于為諧振充電電路提供直流電壓，諧振充電電路用于給原方電容充電，Tesla變壓器諧振升壓電路用于通過電磁耦合在副方電容上產生高壓脈沖，脈沖陡化電路用于將副方電容上產生的脈沖前沿為微秒極的高壓脈沖陡化為納秒級高壓脈沖，限流電阻用于限制線型電極的間隙的放電強度，當充電晶閘管和放電晶閘管以幾十到幾千赫茲的頻率先后導通后，原方電容以相同的頻率充、放電，副方電容在電磁耦合作用下產生脈沖前沿為微秒極的高壓重頻脈沖，經過脈沖陡化電路陡化之后，加在線型電極上的電壓即為高壓重頻納秒脈沖。
[0006]優選地，直流電源采用半波整流電路或橋式整流電路。
[0007]優選地，當原方電容被充電到某一特定電壓后，放電晶閘管受控導通，原方電容通過TesIa變壓器的初級繞組在原方回路內放電，副方電容上同時產生高壓脈沖。
[0008]優選地，Tesla變壓器為螺旋線型空芯變壓器。
[0009]優選地，線型電極放置在大氣中，其中一個電極為金屬絲，另一個電極為金屬絲、圓筒或平板，兩電極的距離是可調的，當金屬絲線型電極的一個電極為金屬絲時，金屬絲的直徑遠小于其長度。
[0010]總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有益效果:
[0011]( I)線型電極可有不同的形狀和尺寸，可以增大大氣壓非平衡等離子分布的體積，使電離區在整個放電間隙內均勻分布，電源能量能夠更充分的得到利用。
[0012](2)線型電極放置在常溫常壓的開放空氣環境下，不借助于介質阻擋放電模式實現彌散放電，因而使用限制較小。納秒脈沖高重復頻率地施加在線型電極上，可顯著增大放電空間的離子和高活性粒子濃度。
[0013](3)采用空氣芯Tesla變壓器與脈沖陡化電路相結合的方式來實現納秒脈沖，比較容易構造出結構緊湊、體積小、重量輕、穩定性高、可重復頻率運行的脈沖源，有助于實用化推廣。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1是本發明產生大氣壓彌散放電非平衡等離子體的系統的電路原理圖。
[0015]圖2是本發明充、放電晶閘管的觸發脈沖信號時序圖。
[0016]圖3是不同頻率納秒脈沖作用下的彌散放電的照片。
[0017]在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中:
[0018]1.直流電源；2.諧振充電電路；21.充電晶閘管；22.充電電感；23.濾波電容；24.原方電容；3.Tesla變壓器諧振升壓電路；31.放電晶閘管；32.Tesla變壓器；33.副方電容；4.脈沖陡化電路；41.三電極火花開關；42.觸發極電阻；5.限流電阻；6.線型電極；TPl:充電晶閘管觸發脈沖信號；TP2:放電晶閘管觸發脈沖信號；t:時間；U(1:觸發脈沖信號的幅值J1:觸發脈沖信號的脈寬；T2:ΤΡ2落后TPl的時間；Τ3:觸發脈沖的周期。
【具體實施方式】
[0019]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0020]如圖1所示，本發明產生大氣壓彌散放電非平衡等離子體的系統包括:直流電源
1、諧振充電電路2、特斯拉(Tesla)變壓器諧振升壓電路3、脈沖陡化電路4、限流電阻5、線型電極6。
[0021 ] 諧振充電電路2包括充電晶閘管21、充電電感22、濾波電容23、原方電容24。
[0022]Tesla變壓器諧振升壓電路3包括放電晶閘管31、Tesla變壓器32、副方電容33。
[0023]脈沖陡化電路4包括三電極火花開關41和觸發極電阻42。
[0024]直流電源I的正極連接到充電晶閘管21的陽極，直流電源I的負極接地。充電晶閘管21的陰極連接到充電電感22的一端，充電電感22的另一端連接到放電晶閘管31的陽極。濾波電容23直接與直流電源I并聯。原方電容24的一端連接到放電晶閘管31的陽極，原方電容24的另一端接地。放電晶閘管31的陰極連接到Tesla變壓器32原方繞組的一端，Tesla變壓器32原方繞組的另一端接地，Tesla變壓器32副方繞組的一端連接到三電極火花開關41的一個主電極，Tesla變壓器32副方繞組的另一端接地。副方電容33直接與Tesla變壓器32副方繞組并聯。三電極火花開關41的另一個主電極連接到限流電阻5的一端，限流電阻5的另一端連接到線型電極6的一個電極，線型電極6的另一個電極接地。三電極火花開關41的觸發極連接到觸發極電阻42的一端，觸發極電阻42的另一端接地。
[0025]直流電源I用于為諧振充電電路2提供直流電壓，在實現時可考慮使用各種整流電路，例如半波整流、橋式整流等。
[0026]諧振充電電路2用于給原方電容24充電。在諧振充電電路2中，當充電晶閘管21導通時,濾波電容23經充電電感22向原方電容24諧振充電。諧振充電可以保證原方電容24放完電后在極短時間內被充電到放電前的電壓，該時間取決于諧振充電電路2的振蕩周期。另外，諧振充電還可以起到升壓作用。諧振充電電路2的電阻很小，理論上原方電容24兩端的電壓最高可達濾波電容23上的電壓的兩倍。濾波電容23選用大容量的電解電容，以保證原方電容24充電后濾波電容23兩端的電壓無較大波動。充電電感22的選取需考慮充電的速度及通過充電晶閘管21的電流大小。為避免電感鐵芯飽和，優先選擇空芯線繞電感。
[0027]Tesla變壓器諧振升壓電路3用于通過電磁耦合在副方電容33上產生高壓脈沖。當原方電容24被充電到某一特定電壓(一般為100V到1000V)后，Tesla變壓器諧振升壓電路3中，放電晶閘管31受控導通，原方電容24通過Tesla變壓器32的初級繞組在原方回路內放電，由于電磁耦合作用，副方電容33上將會同時產生高壓脈沖。
[0028]Tesla變壓器32為螺旋線型空芯變壓器，依靠初次級繞組間的磁耦合來傳遞能量，其耦合系數比鐵芯式變壓器小，但是由于不存在鐵芯，能量耦合不受鐵磁材料的飽和及頻率限制，更加適合長壽命高重復頻率應用的場合。對于鐵芯式變壓器來說，變比和功率的增加會導致鐵芯窗口快速增大，從而導致脈沖源系統的重量和體積也大幅度增加，由于空氣導磁，Tesla變壓器32反而可以很好的避免上述問題。Tesla變壓器32采用螺旋線型空芯變壓器，這樣容易通過增加副方繞組的匝數的方式做成高變比，保證初級電壓較低而降低晶閘管的耐壓要求，同時還可以減輕諧振充電電路2對直流電源I輸出電壓大小的要求。
[0029]脈沖陡化電路4用于將副方電容33上產生的脈沖前沿為微秒極的高壓脈沖陡化為納秒級高壓脈沖。由于Tesla變壓器32在副方電容33上產生的脈沖前沿為微秒級，為得到納秒級高壓脈沖，在副方電容33后面串接一個三電極火花開關41，對副方電容33兩端的電壓進行陡化。觸發極電阻42的阻值為ΜΩ級別。
[0030]限流電阻5用于限制線型電極6的間隙的放電強度，一定程度上減緩放電向火花放電的轉化，有利于放電的穩定性。限流電阻6的大小可依據放電的強弱進行調節。
[0031]線型電極6放置在大氣中，其中一個電極為金屬絲，另一個電極可以為金屬絲、圓筒、平板，兩電極的距離是可調的。金屬絲的形狀無特殊要求，例如直線、圓形、橢圓形。金屬絲的直徑應遠小于它的長度。
[0032]控制充電晶閘管21和放電晶閘管31以幾十到幾千赫茲的頻率先后導通，原方電容24以相同的頻率充、放電，由于電磁耦合作用，副方電容33上產生脈沖前沿為微秒極的高壓重頻脈沖，經過脈沖陡化電路4陡化之后，加在線型電極6上的電壓即為高壓重頻納秒脈沖。通常，該高壓重頻納秒脈沖的幅值是50kV到150kV。
[0033]下面結合充、放電晶閘管的觸發脈沖的時序圖進一步闡釋本發明的大氣壓彌散放電非平衡等離子體的產生過程。
[0034]如圖2所示，TPl和TP2為兩路獨立的觸發脈沖，兩脈沖波形完全相同，脈寬為T1,幅值為IV TP2落后TPl的時間為T2,兩信號周期均為T3。為保證晶閘管可靠導通,脈寬T1要大于晶閘管的導通時間，一般T1取為25 μ S。Utl通常為10V。T2需大于原方電容24的諧振充電時間，以保證放電晶閘管31每次導通前，原方電容24已充電到某一恒定電壓。T3決定于充、放電晶閘管的導通頻率，例如導通頻率為500Hz，T3為2ms。
[0035]觸發脈沖TP1、TP2分別控制充電晶閘管21、放電晶閘管31，兩晶閘管將按照與觸發脈沖相同的時序特點進行交替導通。由于TPl超前TP2，故每個周期內，充電晶閘管21先導通，濾波電容23通過充電電感22對原方電容24進行諧振充電，充電結束后，充電電流為零，充電晶閘管21因電流過零而關閉，然后放電晶閘管31再導通，原方電容24通過Tesla變壓器32的初級繞組放電，由于電磁耦合作用，副方電容33上產生高壓脈沖，經三電極氣體火花開關41陡化后，便能在線型電極6上得到高壓納秒脈沖。因為觸發脈沖TP1、TP2以一定頻率給出，故加在線型電極6上的電壓為高壓重頻納秒脈沖。可見，通過改變觸發脈沖TPU TP2的頻率，就可以改變加在線型電極6上的納秒脈沖的頻率。加在線型電極6上的納秒脈沖的頻率一般為幾十赫茲到幾千赫茲不等。
[0036]加在線型電極6上的高壓重頻納秒脈沖將在線型電極6的間隙中產生極不均勻場，該極不均勻場使得空氣發生放電。隨著線型電極6的兩個電極之間的距離的改變，放電的形式也將發生改變。適當地選取線型電極6的兩個電極之間的距離，可得到介于火花放電和電暈放電之間的彌散放電。彌散放電是大氣壓非平衡等離子體的存在形態之一。這種放電模式產生的大氣壓非平衡等離子體具有分布均勻、電子密度更高、等離子體的平均電子能量更大、能量效率更高的優點。
[0037]圖3給出了幾種不同頻率高壓納秒脈沖作用下的彌散放電的照片。線型電極的兩個電極之間的距離設為4.0cm,高壓納秒脈沖的幅值是65kV。從圖3中可以看出，隨著高壓納秒脈沖的頻率的降低，彌散放電的強度有所減弱，因此提高高壓納秒脈沖的頻率有助于提高大氣壓非平衡等離子體的強度。另外，從圖3中可以看出，彌散放電大氣壓非平衡等離子體分布非常均勻，放電非常穩定，體積非常的大。[0038]本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種產生大氣壓彌散放電非平衡等離子體的系統，包括:直流電源、諧振充電電路、Tesla變壓器諧振升壓電路、脈沖陡化電路、限流電阻、線型電極，其特征在于， 諧振充電電路包括充電晶閘管、充電電感、濾波電容、原方電容； Tesla變壓器諧振升壓電路包括放電晶閘管、Tesla變壓器、副方電容； 脈沖陡化電路包括三電極火花開關和觸發極電阻； 直流電源的正極連接到充電晶閘管的陽極，直流電源的負極接地； 充電晶閘管的陰極連接到充電電感的一端，充電電感的另一端連接到放電晶閘管的陽極； 濾波電容直接與直流電源并聯； 原方電容的一端連接到放電晶閘管的陽極，原方電容的另一端接地； 放電晶閘管的陰極連接到Tesla變壓器原方繞組的一端，Tesla變壓器原方繞組的另一端接地； Tesla變壓器副方繞組的一端連接到三電極火花開關的一個主電極，Tesla變壓器副方繞組的另一端接地； 副方電容與Tesla變壓器副方繞組并聯； 三電極火花開關的一個主電極連接到Tesla變壓器副方繞組的一端，三電極火花開關的另一個主電極連接到限流電阻的一端； 限流電阻的另一端連接到線型電極的一個電極，線型電極的另一個電極接地； 三電極火花開關的觸發極連接到觸發極電阻的一端，觸發極電阻的另一端接地； 直流電源用于為諧振充電電路提供直流電壓； 諧振充電電路用于給原方電容充電； Tesla變壓器諧振升壓電路用于通過電磁耦合在副方電容上產生高壓脈沖； 脈沖陡化電路用于將副方電容上產生的脈沖前沿為微秒極的高壓脈沖陡化為納秒級聞壓脈沖； 限流電阻用于限制線型電極的間隙的放電強度； 當充電晶閘管和放電晶閘管以幾十到幾千赫茲的頻率先后導通后，原方電容以相同的頻率充、放電，由于電磁耦合作用，副方電容上產生脈沖前沿為微秒極的高壓重頻脈沖，經過脈沖陡化電路陡化之后，加在線型電極上的電壓即為高壓重頻納秒脈沖。
2.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，直流電源采用半波整流電路或橋式整流電路。
3.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，當原方電容被充電到某一特定電壓后，放電晶閘管受控導通，原方電容通過Tesla變壓器的初級繞組在原方回路內放電，副方電容上同時產生高壓脈沖。
4.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，Tesla變壓器為螺旋線型空芯變壓器。
5.根據權利要求1所述的系統，其特征在于， 線型電極放置在大氣中，其中一個電極為金屬絲，另一個電極為金屬絲、圓筒或平板； 兩電極的距離是可調的； 當金屬絲線型電極的一個電極為金屬絲時，金屬絲的直徑遠小于其長度。
【文檔編號】H05H1/24GK103458600SQ201310329674
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年7月31日 優先權日:2013年7月31日
【發明者】李黎, 葛亞峰, 劉云龍, 俞斌, 林福昌 申請人:華中科技大學