等离子体发生器电极和等离子体发生器系统

技术领域

本实用新型涉及一种等离子体发生器电极和等离子体发生器系统，尤其涉及一种等离子体射流阵列发生器电极及包括等离子体射流阵列发生器电极的等离子体发生器系统，属于等离子体设备制造技术领域。

背景技术

在日常生活以及工业生产中，许多材料的特性并不能满足人们的使用要求，因此需要对这样的材料进行表面处理改变其一些特性。等离子体表面改性技术是其中一个研究热点。等离子体中存在具有一定能量分布的电子、离子和中性粒子，且自由电子和离子所带正、负电荷的总和完全抵消，宏观上呈现中性电。低温等离子体处理技术具有容易操作、处理速度快、处理效果好、环境污染少以及成本较为低廉等优点，因此等离子体表面处理技术越来越受到人们的关注。

大气压等离子体射流能够在大气压条件下产生非平衡放电等离子体，在材料表面处理、生物医学工程、污水处理和环境保护等领域具备重要的科学研究意义和广阔的实际应用前景。然而，现有的大气压等离子体射流装置一般采用单极放电结构，存在等离子体处理面积较小等问题，等离子体射流阵列在某种程度上能解决处理面积小的问题。

申请公布号为CN112888133A的专利文献中提出了一种结构可调节的针-环电极结构和环-环电极结构的等离子体射流装置。林浩凡等人在“等离子体射流快速改性促进表面电荷衰减”中使用了一种针-环电极形式的等离子体射流装置，该装置由一根实心铜棒和一个三通石英玻璃管组成。Jae Young Kim在“Intense Plasma Emission FromAtmospheric-PressurePlasma Jet Array by Jet-to-Jet Coupling”中描述了一种采用环-板电极结构的三维圆柱形等离子体射流阵列，该装置采用7个直径小的石英玻璃管(内径为1mm，外径为2mm)围绕中间一个直径大的石英玻璃管(内径2mm，外径3mm)，而中心管端口平面相比外周玻璃管端口平面突出1mm，将铜带缠绕在距玻璃管口末端10mm的位置上作为带电电极，将铟锡氧化物(ITO)玻璃与石英管的末端隔开25毫米，作为接地电极，该装置可以使阵列中射流之间进行耦合从而产生高强度的等离子体射流。目前的等离子体射流阵列的电极主要涉及针-环电极结构、环-环电极结构、环-板电极结构等单一类型，难以满足多种放电形式、多种放电应用的需要，不适合多领域的灵活应用，因此需要设计一种多功能的等离子体射流阵列发生器电极。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于针对现有技术的不足，提供一种等离子体发生器电极和等离子体发生器系统，通过提供包括多个不同结构电极的等离子体发生器电极，其能够有效降低大气压等离子体射流装置的造价和体积，实现了在开放气体环境中放电产生低温等离子体射流，扩大了大气压等离子体射流阵列的适用场合和应用领域、降低了等离子体处理成本并具有增强放电效果。

本实用新型所要解决的技术问题是通过如下技术方案实现的：

本实用新型提供一种等离子体发生器电极，所述等离子体发生器电极包括第一玻璃管、多个第二玻璃管和依次间隔设置的端部电极、第二电极、第三电极和第四电极；所述端部电极、第二电极和第三电极位于所述第一玻璃管内，且其侧面分别与所述第一玻璃管贴合，所述第四电极位于所述第一玻璃管外；所述第二玻璃管的中心轴线与所述第一玻璃管的中心轴线平行且所述第二玻璃管贯穿所述第二电极和第三电极；所述第二玻璃管内设有针状的第一电极，多个所述第一电极的一端延伸插入所述端部电极内，与所述端部电极电气连接；所述第一玻璃管位于所述端部电极和所述第二电极之间的管壁上开设有进气阀。

优选地，所述多个第二玻璃管排列成直线、环形或矩形。

为了方便使用者观察放电情况，所述第一玻璃管为有机玻璃管，为了防止被放电击穿，所述第二玻璃管为石英玻璃管。

为了方便改变第一电极的位置，所述第一电极的一端可拆卸地插入所述端部电极内。

为了避免气体在进入第二玻璃管之前被激发为等离子体，所述等离子体发生器电极还包括绝缘层，所述绝缘层与所述第二电极的下表面贴合，所述第二玻璃管贯穿所述绝缘层。

优选地，所述端部电极、第一电极、第二电极、第三电极和第四电极为铜电极。

为了保证人身安全，所述端部电极、第一电极、第二电极、第三电极和第四电极中的一个为接地电极。

为了与电源电气连接，所述等离子体发生器电极还包括多个连接端子，所述连接端子被配置为分别将所述端部电极、所述第二电极、所述第三电极和所述第四电极与电源电气连接。优选地，所述连接端子为螺钉。

本实用新型还提供一种等离子体发生器系统，所述等离子体发生器系统包括等离子体发生器电极、流量计、气源以及至少一个电源，所述等离子体发生器电极为如上所述的等离子体发生器电极。

综上所述，本实用新型提供包括多个不同结构电极的等离子体发生器电极，其能够有效降低大气压等离子体射流装置的造价和体积，实现了在开放气体环境中放电产生低温等离子体射流，扩大了大气压等离子体射流阵列的适用场合和应用领域、降低了等离子体处理成本并具有增强放电效果。

下面结合附图和具体实施例，对本实用新型的技术方案进行详细地说明。

附图说明

图1为本实用新型等离子体发生器电极的结构示意图；

图2为本实用新型等离子体发生器系统框图。

具体实施方式

图1为本实用新型等离子体发生器电极的结构示意图；图2为本实用新型等离子体发生器系统框图。如图1和图2所示，本实用新型提供一种等离子体发生器电极(等离子体射流阵列发生器电极)100，所述等离子体发生器电极包括第一玻璃管150和依次间隔设置的端部电极160、第二电极120、第三电极130和第四电极140。其中，为了使用者的安全，保证使用者不会触电，所述端部电极160、第二电极120和第三电极130位于所述第一玻璃管150内；为了便于处理置于其上的材料，所述第四电极140位于所述第一玻璃管150外，所述第四电极140优选为平板电极。

需要说明的是，使用者可以根据处理对象和射流放电的实际情况对所述第四电极140与所述第一玻璃管150的相对位置进行调整，以使处理对象效果最佳。

示例性的，所述端部电极160、第二电极120、第三电极130均为圆柱形，其侧面与所述第一玻璃管150贴合。所述端部电极160将所述第一玻璃管150的一端密封。

所述等离子体发生器电极100还包括多个第二玻璃管170，所述第二玻璃管170的中心轴线与所述第一玻璃管150的中心轴线平行且所述第二玻璃管170贯穿所述第二电极120和第三电极130。换句话说，所述第二电极120和第三电极130对应开设有通孔，所述第二玻璃管170穿过所述通孔。

本实用新型并不限制多个第二玻璃管170的排列方式，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择设计。例如，所述多个第二玻璃管170可以排列成直线、环形、矩形等。即沿着第二玻璃管170的中心轴线方向观察，多个第二玻璃管170的横截面排列成直线、环形、矩形等。

需要说明的是，本实用新型并不限制第二玻璃管170和第一玻璃管150的材质，本领域技术人员可以根据需要进行选择替换。优选地，所述第一玻璃管150为有机玻璃管，其原因在于有机玻璃管具有透明的特性，方便使用者观察放电情况；所述第二玻璃管170为石英玻璃管，其原因在于石英玻璃管具有耐高温特性，且不容易被放电击穿。另外，所述第二玻璃管170也可以采用陶瓷管等代替。

所述第二玻璃管170内设有针状的第一电极110，多个所述第一电极110的一端延伸插入所述端部电极160内，与所述端部电极160电气连接。优选地，所述第一电极110位于所述第二玻璃管170的中心轴线处。为了方便使用，所述第一电极110的一端可拆卸地插入所述端部电极160内。例如，所述端部电极160开设多个连接孔(图中未示出)，所述连接孔的直径略小于所述第一电极110的直径，所述连接孔与所述第一电极110过盈连接。

所述端部电极160、第一电极110、第二电极120、第三电极130和第四电极140的材质包括但不限于铜。

所述第一玻璃管150位于所述端部电极160和所述第二电极120之间的管壁上开设有进气阀180。用于产生等离子体射流的气体通过所述进气阀180进入所述第一玻璃管150。

所述第二玻璃管170的两端开口，即所述第二玻璃管170将所述第一玻璃管150位于所述端部电极160和所述第二电极120之间的空间与外部空间连通，所述放电气源400中的气体在进入所述第二玻璃管170的位于所述端部电极160和所述第二电极120之间的空间后经由第二玻璃管170流向外部。

为了与电源200电气连接，所述等离子体发生器电极还包括四个连接端子，所述连接端子被配置为分别将端部电极150、第二电极120、第三电极130和第四电极140与电源200电气连接。

具体来说，所述连接端子包括第一连接端子111、第二连接端子121、第三连接端子131和第四连接端子141。其中，所述第一电极110与所述第一连接端子111电气连接，所述第二电极120与所述第二连接端子121电气连接，所述第三电极130与所述第三连接端子131电气连接，所述第四电极140与所述第四连接端子141电气连接。

示例性地，所述第一连接端子111位于所述端部电极160与所述第一玻璃管150贴合的位置处，所述第一连接端子111贯穿所述第一玻璃管150，且一端与所述端部电极160电气连接，从而与第一电极110电气连接，另一端凸出所述第一玻璃管150的外表面；所述第二连接端子121位于所述第二电极120与所述第一玻璃管150贴合的位置处，所述第二连接端子121贯穿所述第一玻璃管150，且一端与所述第二电极120电气连接，另一端凸出所述第一玻璃管150的外表面；所述第三连接端子131位于所述第三电极130与所述第一玻璃管150贴合的位置处，所述第三连接端子131贯穿所述第一玻璃管150，且一端与所述第三电极130电气连接，另一端凸出所述第一玻璃管150的外表面。所述第四连接端子141设置在所述第四电极140上。

所述连接端子可以为螺钉等现有技术中使用的连接端子。

使用者可以通过例如导线201等将连接端子与电源200电气连接。

需要说明的是，本实用新型并不限制电源200和等离子体发生器电极100的连接方式，本领域技术人员可以根据需要选用现有技术中的其他方案来实现电源200和等离子体发生器电极100的电气连接。

本实用新型还提供一种等离子体发生器系统，如图2所示，等离子体发生器系统可以包括等离子体发生器电极100、电源200、流量计300以及气源400。

所述电源200用于提供产生等离子体射流的电能，其可采用直流、交流、脉冲等形式。例如，所述电源200可以提供1kV以上的放电高压，根据放电需要，放电高压可以为几千伏到几十千伏。

使用者可以根据实际需要将所述等离子体发生器电极100中的两个或多个电极与所述电源200连接。需要说明的是，为了保证人身安全，第一电极110、第二电极120、第三电极130和第四电极140中的任一个均可设置为接地电极。

所述气源400用于提供产生等离子体射流的气体，该气体优选为惰性气体或氮气等。选择惰性气体或氮气的原因为惰性气体或氮气电离需要的电场强度较低；所述第二玻璃管170外的空气因达不到放电击穿电压故不放电。通过控制气体的种类，能够选择性地控制不同电极之间的放电。

所述流量计300用来测量所述气源400提供的气体的流量。

所述进气阀180可以通过流量计300与气源400连通。使用者可以根据流量计300所测的气流流量来控制所述进气阀180，从而获得所需的气流流量。

下面结合具体示例对本实用新型的工作过程进行说明。

在电源的数量为一个的情况下，例如，当使用者选择使用第一电极110和第二电极120产生等离子体时，将电源200的一端通过导线连接至第一连接端子111，并将其另一端通过导线连接至第二连接端子121。气源400为等离子体发生器系统供气。气体进入第二玻璃管170的位于端部电极160和第二电极120之间的空间后经由第二玻璃管170流向外部。

此时，由于第一电极110与第二电极120之间存在电压差，位于第二玻璃管170中的气体被激发为等离子体，并被输送至第四电极140附近。

当使用者选择使用第一电极110和第三电极130产生等离子体时，可以将电源200的一端通过导线连接至第一连接端子111，并将其另一端通过导线连接至第三连接端子131(此时拆除第二连接端子121与电源200之间的导线)。

此时，由于第一电极110与第三电极130之间存在电压差，位于第二玻璃管170中的气体被激发为等离子体，并被输送至第四电极140附近。

当使用者选择使用第一电极110和第四电极140产生等离子体时，可以将电源200的一端通过导线连接至第一连接端子111，并将其另一端通过导线连接至第四连接端子141。

此时，由于第一电极110与第四电极140之间存在电压差，位于第二玻璃管170中的气体以及被输送至第四电极140附近的气体被激发为等离子体。

当使用者选择使用第二电极120和第四电极140产生等离子体时，可以将电源200的一端通过导线连接至第二连接端子121，并将其另一端通过导线连接至第四连接端子141。

此时，由于第二电极120与第四电极140之间存在电压差，位于第二玻璃管170中的气体以及被输送至第四电极140附近的气体被激发为等离子体。

当使用者选择使用第三电极130和第四电极140产生等离子体时，可以将电源200的一端通过导线连接至第三连接端子131，并将其另一端通过导线连接至第四连接端子141。

此时，由于第三电极130与第四电极140之间存在电压差，位于第二玻璃管170中的气体以及被输送至第四电极140附近的气体被激发为等离子体。

当使用者选择使用第三电极130和第二电极120产生等离子体时，可以将电源200的一端通过导线连接至第三连接端子131，并将其另一端通过导线连接至第二连接端子121。

此时，由于第三电极130与第二电极120之间存在电压差，位于第二玻璃管170中的气体被激发为等离子体，并被输送至第四电极140附近。

由上述可知，使用者通过改变导线的连接方式，能够使用不同的电极组合产生等离子体，与现有技术相比，可以实现组合放电。

另外，由于第一电极110与端部电极160可拆卸连接，因此，使用者可以根据需要对第一电极110的排列方式进行调整，例如将多个第一电极110排列为直线、环形或矩形等，甚至可以仅使用一个第一电极110，从而改变等离子体射流的类型，以实现单射流、一维射流阵列和二维射流阵列形式等。

需要补充的是，为了避免气体在进入第二玻璃管170之前被激发为等离子体，等离子体发生器电极100还包括绝缘层190，所述绝缘层190与所述第二电极120的下表面贴合，此时，所述第二玻璃管170贯穿所述绝缘层190，所述绝缘层190的形状与所述第二电极120对应设置。

虽然上文中以电源的数量为一个为例进行了说明，然而本实用新型并不限制电源的数量。例如，等离子体发生器电极100还可以同时连接两个或更多个电源。

示例性地，当等离子体发生器电极100与两个电源同时连接时，可以将一个交流电源的一端通过导线连接至第三连接端子131，并将其另一端通过导线连接至第四连接端子141；同时将一个脉冲电源的一端通过导线连接至第二连接端子121，并将其另一端通过导线连接至第一连接端子111。此时，交流电源施加的高压使得位于第二玻璃管170中的气体以及被输送至第四电极140附近的气体被激发为等离子体，脉冲电源施加的高压使得位于第二玻璃管170中的气体被激发为等离子体。当上述两种等离子体叠加时将会增强放电效果。

注意，当所述等离子体发生器电极100与单个电源配合使用时，优选地，所述第一电极110的上端(与插入端部电极160的一端相对的一端)延伸超过所述第三电极130的上表面(靠近所述第四电极140的表面)的距离为10mm；当所述等离子体发生器电极100与多个(两个或以上)电源配合使用时，优选地，所述第一电极110的上端延伸超过所述第二电极120的上表面(靠近所述第四电极140的表面)的距离小于等于5mm，更优选地，所述第一电极110的上端不超过所述第二电极120的上表面。通过控制所述第一电极110的长度，可以减少产生等离子体射流时多个电源之间的相互影响。

综上所述，本实用新型通过提供包括多个不同结构电极的等离子体发生器电极，其能够有效降低大气压等离子体射流装置的造价和体积，实现了在开放气体环境中放电产生低温等离子体射流，扩大了大气压等离子体射流阵列的适用场合和应用领域、降低了等离子体处理成本并具有增强放电效果。