本发明涉及低温等离子体技术领域，具体地说是一种利用喷枪阵列产生低温大尺度片状空气等离子体羽的装置及方法。
背景技术：
大气压气体放电产生的非平衡态等离子体具有广泛的应用前景，可用于工业、医学、环境、军事等领域，如材料生长、表面改性、杀菌消毒、伤口愈合、加工、环境污染物的处理、飞行器减阻以及航空器隐身等。因此，大气压等离子体技术是一个关系民生医疗、国家能源、环境、国防安全的重要技术。大尺度等离子体在应用时能大幅度提高工作效率。
现有技术中为了扩大等离子体尺度，常用的办法是把多个等离子体喷枪组合起来构成喷枪阵列。比如利用微秒脉冲激励等离子体喷枪阵列装置产生等离子体羽阵列（见公开文献phys.plasmas2017,24,093507）；利用交流电源激励等离子体喷枪装置产生等离子体羽阵列（见公开文献phys.plasmas2017，24,093514）；由于等离子体喷枪阵列之间存在强烈的相互作用，使得阵列中的部分喷枪熄灭或者等离子体羽的偏折。目前还没有通过等离子体喷枪阵列装置产生低温大尺度片状空气等离子体羽的报道。
技术实现要素：
本发明的目的之一就是提供一种利用喷枪阵列产生大尺度等离子体羽的装置，以在一些领域满足对大面积处理材料的要求。
本发明的目的之二就是提供一种利用等离子体喷枪阵列产生低温大尺度片状空气等离子体羽的方法。
本发明的目的之一是这样实现的：一种利用喷枪阵列产生大尺度等离子体羽的装置，包括放电机构、第一供气机构、第二供气机构和供电机构；
所述放电机构包括两个针电极以及两块相对且平行放置的绝缘板，两个针电极置于两块绝缘板之间且位于绝缘板的左右两端，两块绝缘板夹持住其两端的两个针电极；两块绝缘板以及两个针电极所围空间构成绝缘气道；绝缘板的下端为绝缘气道的进气口，绝缘板的上端为绝缘气道的出气口；
所述第一供气机构包括第一供气管路以及储气罐，所述储气罐通过所述第一供气管路与两个针电极的进气口相接；所述针电极的进气口与绝缘气道的进气口处于绝缘板的同侧；
所述第二供气机构包括第二供气管路以及空气泵，所述空气泵通过所述第二供气管路与所述绝缘气道的进气口相接；在所述第一供气管路和所述第二供气管路上均设置有气阀、气压表和流量计；
所述供电机构包括高压直流电源和若干导线；所述高压直流电源的高压输出端和接地端通过导线分别连接两个针电极。
所述针电极的内径为0.2mm~1mm。
所述绝缘气道内部的横截面为1.0mm×15.0mm~5.0mm×15.0mm，绝缘气道的长度为5mm~60mm。
所述储气罐内的气体为惰性气体。
本发明的目的之二是这样实现的：一种利用喷枪阵列产生大尺度等离子体羽的方法，包括如下步骤：
a、设置一绝缘气道和两个针电极；所述绝缘气道是由两块平行且相对放置的绝缘板通过夹持所述两个针电极而形成，两个针电极分别位于绝缘板的左右两端；所述绝缘板的下端为绝缘气道的进气口，所述绝缘板的上端为绝缘气道的出气口；所述针电极的下端为其进气口，所述针电极的上端为其出气口；
b、使针电极的进气口通过第一供气管路连接储气罐，所述储气罐内存储有惰性气体；使绝缘气道的进气口通过第二供气管路连接空气泵；在第一供气管路和第二供气管路上均设置有气阀、气压表和流量计；
c、使两个针电极分别通过导线连接高压直流电源的高压输出端和接地端；
d、打开第一供气管路上的气阀，使储气罐内的气体经第一供气管路进入针电极内，并经针电极的出气口流出，进入到开放的放电空间；打开第二供气管路上的气阀，使空气泵内空气经第二供气管路进入绝缘气道，并经绝缘气道的出气口流出，进入到开放的放电空间；
e、打开高压直流电源的开关，逐渐增加高压直流电源的输出电压，使得在放电空间形成低温大尺度片状空气等离子体羽。
步骤e中，高压直流电源的输出电压范围是0-20kv。
步骤d中，通过控制第一供气管路上的流量计以使得通入针电极内的惰性气体的流速为0.1-1l/min。
步骤d中，通过控制第二供气管路上的流量计以使得通入绝缘气道内的空气的流速为0-50l/min。
本发明结构简单，操作方便，装置设置于开放的大气环境中，不依赖于昂贵的真空室。本发明利用等离子体喷枪阵列产生了低温大尺度片状空气等离子体羽。放电产生的等离子体温度不高，不会损伤待处理的工件。并且放电不会由于热不稳定性过渡到弧光放电，即放电可以长时间稳定运行。
本发明产生的低温大尺度片状空气等离子体羽对于处理大面积材料具有较高的应用价值。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图。
图2是利用图1装置在电压为14kv时的放电照片图。
图中：1、储气罐；2、气阀；3、气压表；4、流量计；5、第一供气管路；6、绝缘气道；7、针电极；8、高压直流电源；9、空气泵；10、第二供气管路；11、绝缘板。
具体实施方式
实施例1，利用等离子体喷枪阵列产生低温大尺度片状空气等离子体羽的装置。
如图1所示，本发明所提供的装置包括放电机构、第一供气机构、第二供气机构和供电机构。
放电机构包括设置在开放空间（即大气环境中）的两个空心状的针电极7和两块绝缘板11。针电极7的内径为0.2mm~1mm，外径为0.5mm-1.3mm。绝缘板11的材质可以为玻璃、石英、聚四氟乙烯或硅胶等。两块绝缘板11平行且相对设置，两个针电极7平行设置在两块绝缘板11之间，且位于绝缘板11的左右两端，两块绝缘板11夹持住其两端的针电极7。针电极7的上下端分别与绝缘板11的上下端平齐。两块绝缘板11以及两个针电极7所围空间构成绝缘气道6，绝缘板11和针电极7构成了绝缘气道6的外侧壁。绝缘气道6的内横截面尺寸为1.0mm×15.0mm~5.0mm×15.0mm，外横截面（即包含绝缘气道内部以及其外侧壁的截面）尺寸为1.0mm×30mm~5.0mm×30mm。绝缘气道6的长度为5mm~60mm。在绝缘板11的下端设有通入绝缘气道6的进气口，在绝缘板11的上端设有绝缘气道6的出气口，绝缘气道6的出气口为全敞口结构，该出气口连通大气环境。针电极7的下端为其进气口，针电极7的上端为其出气口。针电极7的出气口同样为敞口结构，与大气环境相连通。
第一供气机构包括第一供气管路5以及储气罐1，储气罐1内存储有惰性气体，储气罐1通过第一供气管路5与两个针电极7的进气口相接，通过储气罐1和第一供气管路5可向针电极7内通入惰性气体（或称放电气体），惰性气体在针电极7内由下向上流通。如图1所示，可以在第一供气管路5上设置两个分支管路，第一供气管路5内的气体可通过两个分支管路分别流入两个针电极7内。在第一供气管路5上设置有气阀2、气压表3和流量计4。
第二供气机构包括第二供气管路10和空气泵9。空气泵9通过第二供气管路10与绝缘气道6的进气口相接，通过空气泵9和第二供气管路10可向绝缘气道6内通入空气，空气在绝缘气道6内由下向上流通。如图1所示，第二供气管路10可通过一变径的锥形管与绝缘气道6的进气口相接。在第二供气管路10上同样设置有气阀2、气压表3和流量计4。通过流量计4可以控制供气管路（包括第一供气管路5和第二供气管路10）内气体的流量或流速。气体流量可以根据针电极7的内径以及绝缘气道6的内横截面积的不同而有所变化，可以在一定范围内选择。一般地，控制通入针电极7内的惰性气体的流速为0.1-1l/min，控制通入绝缘气道6内空气的流速为0-50l/min。
供电机构包括高压直流电源8和若干导线。高压直流电源8的高压输出端通过导线与其中一个针电极7连接，另一个针电极7接地线，高压直流电源8的接地端接地线。
按图1连接好各部件后，打开两个供气管路上的气阀2，储气罐1内的惰性气体经第一供气管路5通入针电极7内，流经针电极7后由出气口流出，进入开放的放电空间；空气泵9内空气经第二供气管路10通入绝缘气道6内，流经绝缘气道6后由出气口流出，进入开放的放电空间。通过流量计4可以调节通入针电极7和绝缘气道6内的气体流量或流速。
打开高压直流电源8的开关，逐渐增加电源电压，使得针电极7在开放空间产生低温大尺度片状空气等离子体羽。高压直流电源8的输出电压范围是0-20kv。
实施例2，利用等离子体喷枪阵列产生低温大尺度片状空气等离子体羽的方法。
本实施例所述方法采用了实施例1中所述装置，相关相似之处可相互参考，本发明利用等离子体喷枪阵列产生低温大尺度片状空气等离子体羽的方法，具体包括如下步骤：
a、设置一绝缘气道6和两个针电极7。绝缘气道6是由两块平行且相对放置的绝缘板11通过夹持两个针电极7而形成，两个针电极7分别位于绝缘板11的左右两端。绝缘板11的下端为绝缘气道6的进气口，绝缘板11的上端为绝缘气道6的出气口。针电极7的下端为其进气口，针电极7的上端为其出气口。针电极7的内径为0.6mm，外径为0.9mm。绝缘气道6材质为石英，绝缘气道6的内横截面为1.0mm×15.0mm，外横截面积为3.0mm×70mm。
b、使针电极7的进气口通过第一供气管路5连接储气罐1，储气罐1内存储有氩气；使绝缘气道6的进气口通过第二供气管路10连接空气泵9；在第一供气管路5和第二供气管路10上均设置有气阀2、气压表3和流量计4。
c、使两个针电极7分别通过导线连接高压直流电源8的高压输出端和接地端，且高压直流电源8的接地端接地线。
d、打开第一供气管路5上的气阀2，使储气罐1内的氩气经第一供气管路5进入针电极7内，并经针电极7的出气口流出，进入到开放的放电空间；打开第二供气管路10上的气阀2，使空气泵9内空气经第二供气管路10进入绝缘气道6，并经绝缘气道6的出气口流出，进入到开放的放电空间。调节流量计4使通入针电极7的氩气流量为0.3l/min，使通入绝缘气道6的空气流量为10l/min。
e、打开高压直流电源8的开关，逐渐增加高压直流电源8的输出电压至14kv，使得在放电空间形成低温大尺度片状空气等离子体羽，见图2。
本发明中形成的等离子体羽事实上是由于微放电丝沿着气流方向运动叠加形成的。放电产生的等离子体具有较高的电子温度和较低的气体温度，且工作气体的流动会带走放电产生的热量，放电电极不需要额外的冷却装置。
1.一种利用喷枪阵列产生大尺度等离子体羽的装置，其特征是，包括放电机构、第一供气机构、第二供气机构和供电机构；
所述放电机构包括两个针电极以及两块相对且平行放置的绝缘板，两个针电极置于两块绝缘板之间且位于绝缘板的左右两端，两块绝缘板夹持住其两端的两个针电极；两块绝缘板以及两个针电极所围空间构成绝缘气道；绝缘板的下端为绝缘气道的进气口，绝缘板的上端为绝缘气道的出气口；
所述第一供气机构包括第一供气管路以及储气罐，所述储气罐通过所述第一供气管路与两个针电极的进气口相接；所述针电极的进气口与绝缘气道的进气口处于绝缘板的同侧；
所述第二供气机构包括第二供气管路以及空气泵，所述空气泵通过所述第二供气管路与所述绝缘气道的进气口相接；在所述第一供气管路和所述第二供气管路上均设置有气阀、气压表和流量计；
所述供电机构包括高压直流电源和若干导线；所述高压直流电源的高压输出端和接地端通过导线分别连接两个针电极。
2.根据权利要求1所述的利用喷枪阵列产生大尺度等离子体羽的装置，其特征是，所述针电极的内径为0.2mm~1mm。
3.根据权利要求1所述的利用喷枪阵列产生大尺度等离子体羽的装置，其特征是，所述绝缘气道内部的横截面为1.0mm×15.0mm~5.0mm×15.0mm，绝缘气道的长度为5mm~60mm。
4.根据权利要求1所述的利用喷枪阵列产生大尺度等离子体羽的装置，其特征是，所述储气罐内的气体为惰性气体。
5.一种利用喷枪阵列产生大尺度等离子体羽的方法，其特征是，包括如下步骤：
a、设置一绝缘气道和两个针电极；所述绝缘气道是由两块平行且相对放置的绝缘板通过夹持所述两个针电极而形成，两个针电极分别位于绝缘板的左右两端；所述绝缘板的下端为绝缘气道的进气口，所述绝缘板的上端为绝缘气道的出气口；所述针电极的下端为其进气口，所述针电极的上端为其出气口；
b、使针电极的进气口通过第一供气管路连接储气罐，所述储气罐内存储有惰性气体；使绝缘气道的进气口通过第二供气管路连接空气泵；在第一供气管路和第二供气管路上均设置有气阀、气压表和流量计；
c、使两个针电极分别通过导线连接高压直流电源的高压输出端和接地端；
d、打开第一供气管路上的气阀，使储气罐内的气体经第一供气管路进入针电极内，并经针电极的出气口流出，进入到开放的放电空间；打开第二供气管路上的气阀，使空气泵内空气经第二供气管路进入绝缘气道，并经绝缘气道的出气口流出，进入到开放的放电空间；
e、打开高压直流电源的开关，逐渐增加高压直流电源的输出电压，使得在放电空间形成低温大尺度片状空气等离子体羽。
6.根据权利要求5所述的利用喷枪阵列产生大尺度等离子体羽的方法，其特征是，步骤e中，高压直流电源的输出电压范围是0-20kv。
7.根据权利要求5所述的利用喷枪阵列产生大尺度等离子体羽的方法，其特征是，步骤d中，通过控制第一供气管路上的流量计以使得通入针电极内的惰性气体的流速为0.1-1l/min。
8.根据权利要求5所述的利用喷枪阵列产生大尺度等离子体羽的方法，其特征是，步骤d中，通过控制第二供气管路上的流量计以使得通入绝缘气道内的空气的流速为0-50l/min。
技术总结