一种大气压环境下可控等离子体射流源   0    0

[0001] 本发明涉及等离子技术领域，尤其是一种等离子体射流源。

[0002] 通常情况下，当物质的温度从低到高变化时，物质将逐次经历固体、液体、气体三种状态。固体可以根据导电性能的不同，分为导体、半导体和绝缘体；液体可以通过其中的正、负离子导电；气体一般不导电。当温度进一步升高时，气体粒子的热运动加剧，使粒子之间发生强烈碰撞，大量原子或分子中的电子被撞掉，气体中的原子、分子将出现电离状态，形成等离子体。等离子体一般都有很大的电导率，在电磁性能上，等离子体完全有别于普通气体，它是由带电粒子组成整体呈准中性、有集约效应的非束缚态体系，通常包含电子、离子和中性粒子，是与物质的气态、液态和固态三态并存的第四态。等离子体是宇宙空间中普遍存在的一种物质形态，宇宙空间的可见物质中99％是等离子体，但地球表面几乎没有自然存在的等离子体，只能通过人工的方法，如核聚变、核裂变、辉光放电或其他放电方式产生。

[0003] 从普通气体转化为等离子体，每个粒子需要1～30eV的能量，可见等离子体是物质中能量较高的物质聚集态，其中的粒子具有较高的活性。此外，在粒子之间的相互作用过程中，普通气体与等离子体具有截然不同的性质。普通气体中粒子之间的相互作用主要是相互之间的碰撞，是短程牛顿力的作用，其有效作用半径远小于粒子平均自由程，绝大多数时间内，粒子都是匀速直线运动，当它碰到另一个粒子时，速度大小和方向可认为瞬时地发生突变，因此粒子的运动轨迹是由直线线段连成的折线。而等离子体是大量带电粒子之间的相互作用，即长程库仑力的作用，多个带电粒子之间的集体相互作用要压倒两个粒子之间的碰撞，带电粒子大角度的偏转是多重小角度偏转累积而成的，所以带电粒子的运动轨迹不是简单的折线，而是不断发生的小波折并逐渐形成大拐弯的曲线。而且普通气体粒子之间的碰撞一般是弹性碰撞，而等离子体中粒子之间的碰撞除弹性碰撞之外还有非弹性碰撞，并且大量的是非弹性碰撞。等离子体中的带电粒子运动时，能引起正电荷或负电荷局部集中，产生电场；电荷定向运动引起电流，产生磁场。电场和磁场会影响其他带电粒子的运动，并伴随着极强的热辐射和热传导；等离子体能在磁场约束作用下作回旋运动。

[0004] 这种在电场和磁场的作用下，由于等离子体中各种粒子相互作用引起的效应对于解决工业生产中的许多问题具有十分重要的意义，而对于等离子体的研究已成为电工发展的一个新领域。经过不断的研究与发展，人们在等离子体的应用领域不断取得新的突破和成就，使得等离子体技术被广泛地应用于实际工业生产之中。将等离子体应用于发电领域，可以提高机组的热效率，减少环境污染，在一定程度上减缓能源短缺问题；在机械工业中，利用等离子炬切割金属、处理表面、进行焊接和堆焊，不仅操作简便，还可以提高产品的质量；在化学工业中，利用等离子体合成乙炔、氨及有机硅化合物等，可以提高生产效率，改善产品性能；在半导体工业中，与传统方法相比，采用等离子体技术具有快速、干净、生产率高及精度高等优点；在冶金工业中，利用等离子技术可以节约能源、降低成本，提高经济效益。特别是对于由流动气体电离所产生的等离子体流，在材料表面处理、医学、纺织，废弃物处理等方面有着巨大的应用潜力和更加广阔的发展前景。

[0005] 然而，等离子体流的产生条件十分苛刻，根据气体放电定理，在大气压环境下，很难形成满足工业应用长度的等离子体射流。目前国内外主要通过真空罐辅助抽气系统来形成低气压条件，在真空罐内部形成气体放电，提高射流长度与射流密度，而真空设备耗资高，无法移动，且被处理材料需要移动到真空罐内，部分处理材料会影响系统抽气，无法在真空罐内完成处理工艺。

[0006] 本发明目的在于提供一种结构简单、移动方便、调节能力强的大气压环境下可控等离子体射流源。

[0007] 为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明主要包括阳极系统和阴极系统，阳极系统由导电材料制成的阳极和导磁体A组成，阴极系统由导电材料制成的阴极和导磁体B组成；导磁体A套接固定在阳极外部，阳极的末端与外部电源的正极相连，阳极的顶端与阴极系统的阴极顶端形成放电对；在阳极末端的导磁体A外部套接固定一组磁线圈A，在导磁体A的底部套接安装从动齿轮，在从动齿轮上安装螺旋叶片，螺旋叶片绕在导磁体A外部，从动齿轮与主动齿轮连接组成齿轮组，主动齿轮与电机连接；导磁体B套接固定在阴极外部，阴极的末端接地，阴极的顶端与阳极的顶端形成放电对，在导磁体B的末端套接固定磁线圈B。

[0008] 进一步的，所述阳极采用金属钨丝，其直径在3mm～10mm之间；所述阴极选用钨丝或者铜丝，阴极直径与阳极相同。

[0009] 与现有技术相比，本发明具有如下优点：在大气压条件下，通过螺旋叶片的转动带动气流运动，从而实现放电范围内气压的调节，并能提高等离子体射流的长度和密度。

[0014] 下面结合附图对本发明做进一步说明：

[0015] 如图1所示，本发明主要包括阳极系统和阴极系统，阳极系统由导电材料制成的阳极1和导磁体A2组成，阴极系统由导电材料制成的阴极3和导磁体B4组成；导磁体A套接固定在阳极外部，阳极的末端与外部电源的正极相连，阳极的顶端与阴极系统的阴极顶端形成放电对，阳极和阴极之间的范围就是放电空间；在阳极末端的导磁体A外部套接固定一组磁线圈A5，在导磁体A的底部套接安装从动齿轮6，在从动齿轮上安装螺旋叶片7，螺旋叶片绕在导磁体A外部，从动齿轮与主动齿轮8连接组成齿轮组，主动齿轮与电机连接，通过电机带动主动齿轮来实现转速的控制；导磁体B套接固定在阴极外部，阴极的末端接地，阴极的顶端与阳极的顶端形成放电对，在导磁体B的末端套接固定磁线圈B9。

[0016] 所述阳极采用金属钨丝，其直径在3mm～10mm之间；所述阴极选用钨丝或者铜丝，阴极直径与阳极相同。

[0017] 阳极和阴极外部套接的导磁体A、B，主要用于传导磁线圈产生的磁场。阳极和阴极上的磁线圈A、B通电后形成磁阱，用于束缚放电产生的等离子体。

[0018] 根据旋转叶片旋转方向的不同，该射流源可以实现两种不同的工作方式，当叶片对气流具有推动作用时，放电区域的气压增大，可实现高气压放电，此时等离子体射流密度较大，射流距离较短；而当叶片对气流具有吸引作用时，放电区域的气压较小，可实现低气压放电，此时等离子体射流密度较小，射流距离较长。

[0019] 当叶片旋转方向如图2所示时，图中标号10为磁力线、11为空气分子。叶片对放电区域中的空气具有吸引作用，此时放电区域内部空气气压小于标准大气压的压力，分子密度较低，相比于大气压环境，可以实现更长范围的射流放电。进一步，通过控制电机的转速可以实现放电区域内气压的控制，从而调节能达到的射流长度。在放电过程中，射流源通过两个磁线圈产生磁场，磁力线构型如图2所示，其分布形式类似于磁阱，磁力线通过洛伦兹力束缚电子的径向运动，从而实现等离子体密度的提高。

[0020] 当叶片旋转方向如图3所示时，叶片对放电区域中的空气具有排斥作用，气体在两个电极之间形成挤压，此时放电区域内部空气气压大于标准大气压的压力，分子密度较高，相比于大气压环境，可以实现更高密度的射流放电。进一步，通过控制电机的转速可以实现放电区域内气压的控制，从而调节能达到的射流密度。在放电过程中，射流源通过两个磁线圈产生磁场，磁力线构型如图3所示，其分布形式类似于磁阱，磁力线通过洛伦兹力束缚电子的径向运动，从而实现等离子体密度的提高。

[0021] 以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

[0010] 图1是本发明的结构简图。

[0011] 图2是本发明采用低气压射流源的叶片旋转方向及磁力线构型图。

[0012] 图3是本发明采用高气压射流源的叶片旋转方向及磁力线构型图。

[0013] 附图标号：1-阳极、2-导磁体A、3-阴极、4-导磁体B、5-磁线圈A、6-从动齿轮、7-螺旋叶片、8-主动齿轮、9-磁线圈B，10-磁力线、11-空气分子。