一種大氣壓環(huán)境下可控等離子體射流源的制作方法
【專利摘要】一種大氣壓環(huán)境下可控等離子體射流源，包括陽(yáng)極系統(tǒng)和陰極系統(tǒng)，陽(yáng)極系統(tǒng)由陽(yáng)極和導(dǎo)磁體A組成，陰極系統(tǒng)由陰極和導(dǎo)磁體B組成；在陽(yáng)極和陰極的外部均套接固定導(dǎo)磁體，陽(yáng)極的一端與電源的正極相連、另一端與陰極形成放電對(duì)；在陽(yáng)極和陰極的導(dǎo)磁體一端分別套接固定一組磁線圈；在陽(yáng)極的導(dǎo)磁體的底部套接安裝從動(dòng)齒輪，在從動(dòng)齒輪上安裝螺旋葉片，螺旋葉片繞在陽(yáng)極導(dǎo)磁體外部，從動(dòng)齒輪與主動(dòng)齒輪連接組成齒輪組。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、移動(dòng)方便、調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】
一種大氣壓環(huán)境下可控等離子體射流源
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及等離子技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種等離子體射流源。
【背景技術(shù)】
[0002]通常情況下，當(dāng)物質(zhì)的溫度從低到高變化時(shí)，物質(zhì)將逐次經(jīng)歷固體、液體、氣體三種狀態(tài)。固體可以根據(jù)導(dǎo)電性能的不同，分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體;液體可以通過其中的正、負(fù)離子導(dǎo)電；氣體一般不導(dǎo)電。當(dāng)溫度進(jìn)一步升高時(shí)，氣體粒子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，使粒子之間發(fā)生強(qiáng)烈碰撞，大量原子或分子中的電子被撞掉，氣體中的原子、分子將出現(xiàn)電離狀態(tài)，形成等離子體。等離子體一般都有很大的電導(dǎo)率，在電磁性能上，等離子體完全有別于普通氣體，它是由帶電粒子組成整體呈準(zhǔn)中性、有集約效應(yīng)的非束縛態(tài)體系，通常包含電子、離子和中性粒子，是與物質(zhì)的氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)三態(tài)并存的第四態(tài)。等離子體是宇宙空間中普遍存在的一種物質(zhì)形態(tài)，宇宙空間的可見物質(zhì)中99%是等離子體，但地球表面幾乎沒有自然存在的等離子體，只能通過人工的方法，如核聚變、核裂變、輝光放電或其他放電方式產(chǎn)生。
[0003]從普通氣體轉(zhuǎn)化為等離子體，每個(gè)粒子需要I?30eV的能量，可見等離子體是物質(zhì)中能量較高的物質(zhì)聚集態(tài)，其中的粒子具有較高的活性。此外，在粒子之間的相互作用過程中，普通氣體與等離子體具有截然不同的性質(zhì)。普通氣體中粒子之間的相互作用主要是相互之間的碰撞，是短程牛頓力的作用，其有效作用半徑遠(yuǎn)小于粒子平均自由程，絕大多數(shù)時(shí)間內(nèi)，粒子都是勻速直線運(yùn)動(dòng)，當(dāng)它碰到另一個(gè)粒子時(shí)，速度大小和方向可認(rèn)為瞬時(shí)地發(fā)生突變，因此粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡是由直線線段連成的折線。而等離子體是大量帶電粒子之間的相互作用，即長(zhǎng)程庫(kù)侖力的作用，多個(gè)帶電粒子之間的集體相互作用要壓倒兩個(gè)粒子之間的碰撞，帶電粒子大角度的偏轉(zhuǎn)是多重小角度偏轉(zhuǎn)累積而成的，所以帶電粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡不是簡(jiǎn)單的折線，而是不斷發(fā)生的小波折并逐漸形成大拐彎的曲線。而且普通氣體粒子之間的碰撞一般是彈性碰撞，而等離子體中粒子之間的碰撞除彈性碰撞之外還有非彈性碰撞，并且大量的是非彈性碰撞。等離子體中的帶電粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)，能引起正電荷或負(fù)電荷局部集中，產(chǎn)生電場(chǎng)；電荷定向運(yùn)動(dòng)引起電流，產(chǎn)生磁場(chǎng)。電場(chǎng)和磁場(chǎng)會(huì)影響其他帶電粒子的運(yùn)動(dòng)，并伴隨著極強(qiáng)的熱輻射和熱傳導(dǎo);等離子體能在磁場(chǎng)約束作用下作回旋運(yùn)動(dòng)。
[0004]這種在電場(chǎng)和磁場(chǎng)的作用下，由于等離子體中各種粒子相互作用引起的效應(yīng)對(duì)于解決工業(yè)生產(chǎn)中的許多問題具有十分重要的意義，而對(duì)于等離子體的研究已成為電工發(fā)展的一個(gè)新領(lǐng)域。經(jīng)過不斷的研究與發(fā)展，人們?cè)诘入x子體的應(yīng)用領(lǐng)域不斷取得新的突破和成就，使得等離子體技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)之中。將等離子體應(yīng)用于發(fā)電領(lǐng)域，可以提高機(jī)組的熱效率，減少環(huán)境污染，在一定程度上減緩能源短缺問題;在機(jī)械工業(yè)中，利用等離子炬切割金屬、處理表面、進(jìn)行焊接和堆焊，不僅操作簡(jiǎn)便，還可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量;在化學(xué)工業(yè)中，利用等離子體合成乙炔、氨及有機(jī)硅化合物等，可以提高生產(chǎn)效率，改善產(chǎn)品性能;在半導(dǎo)體工業(yè)中，與傳統(tǒng)方法相比，采用等離子體技術(shù)具有快速、干凈、生產(chǎn)率高及精度高等優(yōu)點(diǎn)；在冶金工業(yè)中，利用等離子技術(shù)可以節(jié)約能源、降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。特別是對(duì)于由流動(dòng)氣體電離所產(chǎn)生的等離子體流，在材料表面處理、醫(yī)學(xué)、紡織，廢棄物處理等方面有著巨大的應(yīng)用潛力和更加廣闊的發(fā)展前景。
[0005]然而，等離子體流的產(chǎn)生條件十分苛刻，根據(jù)氣體放電定理，在大氣壓環(huán)境下，很難形成滿足工業(yè)應(yīng)用長(zhǎng)度的等離子體射流。目前國(guó)內(nèi)外主要通過真空罐輔助抽氣系統(tǒng)來形成低氣壓條件，在真空罐內(nèi)部形成氣體放電，提高射流長(zhǎng)度與射流密度，而真空設(shè)備耗資高，無(wú)法移動(dòng)，且被處理材料需要移動(dòng)到真空罐內(nèi)，部分處理材料會(huì)影響系統(tǒng)抽氣，無(wú)法在真空罐內(nèi)完成處理工藝。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、移動(dòng)方便、調(diào)節(jié)能力強(qiáng)的大氣壓環(huán)境下可控等離子體射流源。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用了以下技術(shù)方案:本發(fā)明主要包括陽(yáng)極系統(tǒng)和陰極系統(tǒng)，陽(yáng)極系統(tǒng)由導(dǎo)電材料制成的陽(yáng)極和導(dǎo)磁體A組成，陰極系統(tǒng)由導(dǎo)電材料制成的陰極和導(dǎo)磁體B組成；導(dǎo)磁體A套接固定在陽(yáng)極外部，陽(yáng)極的末端與外部電源的正極相連，陽(yáng)極的頂端與陰極系統(tǒng)的陰極頂端形成放電對(duì);在陽(yáng)極末端的導(dǎo)磁體A外部套接固定一組磁線圈A，在導(dǎo)磁體A的底部套接安裝從動(dòng)齒輪，在從動(dòng)齒輪上安裝螺旋葉片，螺旋葉片繞在導(dǎo)磁體A外部，從動(dòng)齒輪與主動(dòng)齒輪連接組成齒輪組，主動(dòng)齒輪與電機(jī)連接;導(dǎo)磁體B套接固定在陰極外部，陰極的末端接地，陰極的頂端與陽(yáng)極的頂端形成放電對(duì)，在導(dǎo)磁體B的末端套接固定磁線圈B。
[0008]進(jìn)一步的，所述陽(yáng)極采用金屬媽絲，其直徑在3mm?1mm之間；所述陰極選用媽絲或者銅絲，陰極直徑與陽(yáng)極相同。
[0009]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):在大氣壓條件下，通過螺旋葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)氣流運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)放電范圍內(nèi)氣壓的調(diào)節(jié)，并能提高等離子體射流的長(zhǎng)度和密度。
【附圖說明】
[0010]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
[0011]圖2是本發(fā)明采用低氣壓射流源的葉片旋轉(zhuǎn)方向及磁力線構(gòu)型圖。
[0012]圖3是本發(fā)明采用高氣壓射流源的葉片旋轉(zhuǎn)方向及磁力線構(gòu)型圖。
[0013]附圖標(biāo)號(hào):1-陽(yáng)極、2_導(dǎo)磁體A、3_陰極、4_導(dǎo)磁體B、5_磁線圈A、6_從動(dòng)齒輪、7_螺旋葉片、8-主動(dòng)齒輪、9-磁線圈B，10-磁力線、11-空氣分子。
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明:
[0015]如圖1所示，本發(fā)明主要包括陽(yáng)極系統(tǒng)和陰極系統(tǒng)，陽(yáng)極系統(tǒng)由導(dǎo)電材料制成的陽(yáng)極I和導(dǎo)磁體A2組成，陰極系統(tǒng)由導(dǎo)電材料制成的陰極3和導(dǎo)磁體B4組成;導(dǎo)磁體A套接固定在陽(yáng)極外部，陽(yáng)極的末端與外部電源的正極相連，陽(yáng)極的頂端與陰極系統(tǒng)的陰極頂端形成放電對(duì)，陽(yáng)極和陰極之間的范圍就是放電空間；在陽(yáng)極末端的導(dǎo)磁體A外部套接固定一組磁線圈A5，在導(dǎo)磁體A的底部套接安裝從動(dòng)齒輪6，在從動(dòng)齒輪上安裝螺旋葉片7，螺旋葉片繞在導(dǎo)磁體A外部，從動(dòng)齒輪與主動(dòng)齒輪8連接組成齒輪組，主動(dòng)齒輪與電機(jī)連接，通過電機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)齒輪來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的控制；導(dǎo)磁體B套接固定在陰極外部，陰極的末端接地，陰極的頂端與陽(yáng)極的頂端形成放電對(duì)，在導(dǎo)磁體B的末端套接固定磁線圈B9。
[0016]所述陽(yáng)極采用金屬鎢絲，其直徑在3mm?1mm之間；所述陰極選用鎢絲或者銅絲，陰極直徑與陽(yáng)極相同。
[0017]陽(yáng)極和陰極外部套接的導(dǎo)磁體A、B，主要用于傳導(dǎo)磁線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)。陽(yáng)極和陰極上的磁線圈A、B通電后形成磁阱，用于束縛放電產(chǎn)生的等離子體。
[0018]根據(jù)旋轉(zhuǎn)葉片旋轉(zhuǎn)方向的不同，該射流源可以實(shí)現(xiàn)兩種不同的工作方式，當(dāng)葉片對(duì)氣流具有推動(dòng)作用時(shí)，放電區(qū)域的氣壓增大，可實(shí)現(xiàn)高氣壓放電，此時(shí)等離子體射流密度較大，射流距離較短;而當(dāng)葉片對(duì)氣流具有吸引作用時(shí)，放電區(qū)域的氣壓較小，可實(shí)現(xiàn)低氣壓放電，此時(shí)等離子體射流密度較小，射流距離較長(zhǎng)。
[0019]當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)方向如圖2所示時(shí)，圖中標(biāo)號(hào)10為磁力線、11為空氣分子。葉片對(duì)放電區(qū)域中的空氣具有吸引作用，此時(shí)放電區(qū)域內(nèi)部空氣氣壓小于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的壓力，分子密度較低，相比于大氣壓環(huán)境，可以實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)范圍的射流放電。進(jìn)一步，通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以實(shí)現(xiàn)放電區(qū)域內(nèi)氣壓的控制，從而調(diào)節(jié)能達(dá)到的射流長(zhǎng)度。在放電過程中，射流源通過兩個(gè)磁線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁力線構(gòu)型如圖2所示，其分布形式類似于磁阱，磁力線通過洛倫茲力束縛電子的徑向運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)等離子體密度的提高。
[0020]當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)方向如圖3所示時(shí)，葉片對(duì)放電區(qū)域中的空氣具有排斥作用，氣體在兩個(gè)電極之間形成擠壓，此時(shí)放電區(qū)域內(nèi)部空氣氣壓大于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的壓力，分子密度較高，相比于大氣壓環(huán)境，可以實(shí)現(xiàn)更高密度的射流放電。進(jìn)一步，通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以實(shí)現(xiàn)放電區(qū)域內(nèi)氣壓的控制，從而調(diào)節(jié)能達(dá)到的射流密度。在放電過程中，射流源通過兩個(gè)磁線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁力線構(gòu)型如圖3所示，其分布形式類似于磁阱，磁力線通過洛倫茲力束縛電子的徑向運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)等離子體密度的提高。
[0021]以上所述的實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明權(quán)利要求書確定的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種大氣壓環(huán)境下可控等離子體射流源，主要包括陽(yáng)極系統(tǒng)和陰極系統(tǒng)，其特征在于:陽(yáng)極系統(tǒng)由導(dǎo)電材料制成的陽(yáng)極和導(dǎo)磁體A組成，陰極系統(tǒng)由導(dǎo)電材料制成的陰極和導(dǎo)磁體B組成;導(dǎo)磁體A套接固定在陽(yáng)極外部，陽(yáng)極的末端與外部電源的正極相連，陽(yáng)極的頂端與陰極系統(tǒng)的陰極頂端形成放電對(duì);在陽(yáng)極末端的導(dǎo)磁體A外部套接固定一組磁線圈A，在導(dǎo)磁體A的底部套接安裝從動(dòng)齒輪，在從動(dòng)齒輪上安裝螺旋葉片，螺旋葉片繞在導(dǎo)磁體A外部，從動(dòng)齒輪與主動(dòng)齒輪連接組成齒輪組，主動(dòng)齒輪與電機(jī)連接;導(dǎo)磁體B套接固定在陰極外部，陰極的末端接地，陰極的頂端與陽(yáng)極的頂端形成放電對(duì)，在導(dǎo)磁體B的末端套接固定磁線圈B。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大氣壓環(huán)境下可控等離子體射流源，其特征在于:所述陽(yáng)極采用金屬鎢絲，其直徑在3mm?1mm之間；所述陰極選用鎢絲或者銅絲，陰極直徑與陽(yáng)極相同。
【文檔編號(hào)】H05H1/24GK105960087SQ201610390043
【公開日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年6月2日
【發(fā)明人】王華山, 王春生, 陳慶杰, 王義德, 楊丹
【申請(qǐng)人】燕山大學(xué)