1.本发明涉及低温等离子体射流产生与应用技术领域，具体涉及基于动态多重复合磁场对大气压等离子体射流的调控装置。
背景技术：2.大气压等离子体射流是一种极具应用价值的低温等离子体源，它具有电子温度高、气体温度低、活性粒子丰富等优点，同时操作简单，无需真空腔体，被广泛用于材料处理、生物医学和环境保护等领域。
3.众所周知，等离子体在磁场中是一种典型的功能流体，所以利用洛伦兹力来控制其物理特性和参数是可行的。因此，引入磁场增强等离子体流动的功能，有望使等离子体的应用范围扩展到更广阔的技术领域。典型等离子体磁约束装置中外施磁场基本上是弱静磁场(基于磁场线圈，《0.1t)与低气压环境(《kpa)，这种弱磁场对大气压等离子体行为的影响极为有限。对于大气压环境的等离子体，需要引入更强的磁场，如果采用磁场线圈，就需要很大的驱动电流，长时间工作线圈发热严重，造成性能下降与危险，例如产生t量级的静磁场则需要使用超导线圈，代价巨大。因此，目前亟需一种调控装置，可以解决磁场线圈强度不够、磁位型单一、发热严重的问题，控制等离子体流的特性。
技术实现要素：4.有鉴于此，本发明提供了基于动态多重复合磁场对大气压等离子体射流的调控装置，采用脉冲、恒定复合磁场的方式，增加磁位型，降低发热与损耗，有效地控制等离子体的特性，进一步满足大气压等离子体射流在实际应用的需求。
5.为实现上述发明目的，本发明的技术方案为：
6.基于动态多重复合磁场对大气压等离子体射流的调控装置，包括介质管、脉冲电磁线圈、永磁体阵列、梯度磁场线圈、高压电极和接地电极。
7.介质管中输入工作气体，电离后产生等离子体的气体；永磁体阵列紧贴环绕在介质管侧壁。
8.高压电极和接地电极均为环形结构，缠绕在介质管侧壁上，两者之间的介质管为放电区域；脉冲电磁线圈环绕在永磁体阵列外侧，两个脉冲电磁线圈分设于放电区域的两侧；梯度磁场线圈环绕在永磁体阵列外侧，其位置位于两个脉冲电磁线圈之间。
9.永磁体阵列和梯度磁场线圈提供0.01t量级的恒定磁场，脉冲电磁线圈提供t量级的脉冲磁场；恒定磁场和脉冲磁场组成复合磁场。
10.进一步的，高压电极和接地电极的宽度在1-5mm之间，两电极的间距设置在5-10mm；介质管的直径在1-10mm。
11.进一步的，脉冲电磁线圈外接脉冲电流源，线圈匝数大于2；梯度磁场线圈的匝数大于100。
12.进一步的，永磁体阵列为环形或瓦片状永磁体。
13.进一步的，接地电极与介质管管口之间的距离不小于3mm。
14.进一步的，在初步磁化等离子体时，脉冲磁场不开启，恒定磁场开启；在完成初步磁化，调控等离子体时，脉冲磁场开启。
15.有益效果：
16.1、本发明提出基于动态多重复合磁场对大气压等离子体射流的调控装置，采用脉冲、恒定复合磁场的方式，增加磁位型，降低发热与损耗，有效地控制等离子体流的特性，进一步满足大气压等离子体射流在实际应用的需求。本装置中包括高压电极和接地电极组成的激励电场，对工作气体进行电离，得到等离子体的气体。本装置包括脉冲电磁线圈产生的瞬态强磁场和梯度磁场线圈与永磁体阵列产生的恒定磁场。三者共同组成了复合磁场，增加磁位型。瞬态强磁场能够对带电粒子产生更强的约束作用与更宽范围的调制作用，还能降低发热与损耗，有效地调控制等离子体的特性。恒定磁场用于等离子体初始磁化时，保证磁化效果，利用率较高。
17.2、本装置中，永磁体阵列产生的磁场最不均匀，其次是梯度磁场线圈产生的磁场，最均匀的是脉冲电磁线圈产生的磁场。由此可见，复合磁场中还存在非均匀磁场，而非均匀磁场可以改变不同能量密度等离子体的时空输运特性，逐步增大等离子体的体积。
18.3、本装置中的高压电极和接地电极的宽度在1-5mm之间，两电极的间距设置在5-10mm，防止电能外露，激励等离子体的效果更好，提高放电效率。
19.4、本装置中的介质管的内径在1-10mm，有利于工作气体的流动，提高等离子体的尺寸和推进速度。
20.5、本装置结构简单、成本低、稳定性好，可根据实际需求，通过调节脉冲电磁线圈产生的瞬态强磁场和频率间接地对等离子体进行调控。
21.6、本装置初步磁化等离子体时，脉冲磁场不开启，恒定磁场开启；完成初步磁化，调控等离子体时，脉冲磁场再开启。脉冲磁场具有高能量、瞬态的特点，在等离子体初步磁化时不开启，采用恒定磁场先充分地磁化，在调控阶段再开启，可以提高能量利用效率，减少能量浪费。
附图说明
22.图1为本发明结构的截面图。
23.图2为为线圈磁感应强度示意图。
24.其中，1-介质管，2-脉冲电磁线圈，3-永磁体阵列，4-梯度磁场线圈，5-高压电极，6-接地电极，7-放电区域。
具体实施方式
25.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
26.如图1所示，本发明提出基于动态多重复合磁场对大气压等离子体射流的调控装置，能够提供一个复合磁场，有效地调控等离子体的体积、密度、温度、活性粒子分布和浓度分布。调控装置包括介质管1、脉冲电磁线圈2、永磁体阵列3、梯度磁场线圈4、高压电极5和接地电极6。具体工作过程如下：
27.介质管1采用电介质绝缘材料(玻璃、石英、陶瓷和聚四氟乙烯)，内径在1-10mm，其
中输入工作气体(氦气、氩气、它们与氮气和氧气的混合气体)，经电离后产生等离子体。高压电极5和接地电极6缠绕在介质管1的侧壁，位于工作气体的上游，以介质阻挡放电模式在高压电极5和接地电极6之间产生等离子体，并向介质管1外传播。介质管1的侧壁上还紧贴环绕永磁体阵列3，而梯度磁场线圈4环绕在永磁体阵列3外侧，可以在放电区域7附近轴向移动。高压电极5和接地电极6均为环形结构，缠绕在介质管1侧壁上，两者之间的介质管1为放电区域7；两个脉冲电磁线圈2环绕在永磁体阵列3外侧，分别位于放电区域7的两侧。
28.高压电极5和接地电极6为宽度在1-5mm之间的环形电极，完整地缠绕介质管1一圈。两电极的间距设置在5-10mm，采用铝、铜等导电材料。高压电极5外接电源正弦交流源或脉冲源，电源电压范围为3-20kv，频率范围为赫兹到100千赫兹。接地电极6接地。接地电极6与介质管1管口之间的距离不小于3mm，放电效率高，电能较少外露，激励等离子体的效果更好。
29.脉冲电磁线圈2外接脉冲电流源(电流峰值大于1000a，脉冲宽度在1us至1s之间，轴心处峰值磁场大于1t)，线圈匝数大于2。两只脉冲电磁线圈2之间可以串或并联后由同一个脉冲电流源驱动，也可以由不同的脉冲电流源分别驱动。脉冲电磁线圈2的作用是可减轻磁场发热问题，产生高强度的脉冲磁场约束等离子体，从而有效调控等离子体的特性。
30.梯度磁场线圈4的匝数大于100，由直流电源驱动，其主要功能是调节等离子体出口处的磁场位型、改善磁面分布。梯度磁场线圈6位于两只脉冲电磁线圈2之间，可以在两只脉冲电磁线圈2之间移动。永磁体阵列3为环形或瓦片状永磁体，提供沿介质管1侧壁向内的径向梯度磁场，增强管壁附近等离子体反应速率和活性。磁场与电场的重复频率相匹配，使得磁场的产生与电场同步进行。
31.如图2所示，永磁体阵列3和梯度磁场线圈4分别提供了磁场强度b2、b3的恒定磁场(静态弱磁场，0.01t量级)，保证等离子体的初步磁化效果，提高磁能利用率。如图2所示，脉冲电磁线圈2提供了磁场强度为b1的脉冲磁场(瞬态强磁场，t量级)，能够对等离子体产生更强的约束作用与更宽范围的调制作用。脉冲磁场具有高能量、瞬态的特点，在等离子体初步磁化时不开启，而是采用恒定磁场先充分地磁化，在调控阶段再开启，可以提高能量利用效率。恒定磁场和脉冲磁场互不影响，组成复合磁场。其中，永磁体阵列3的磁场最不均匀，其次是梯度磁场线圈4的磁场，最均匀的是脉冲电磁线圈2产生的磁场。由此可见，复合磁场中还存在非均匀磁场，可以改变不同能量密度等离子体的时空输运特性，逐步增大等离子体的体积。
32.综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.基于动态多重复合磁场对大气压等离子体射流的调控装置，其特征在于，包括介质管(1)、脉冲电磁线圈(2)、永磁体阵列(3)、梯度磁场线圈(4)、高压电极(5)和接地电极(6)；所述介质管(1)中输入工作气体，电离后产生等离子体的气体；永磁体阵列(3)紧贴环绕在介质管(1)侧壁；高压电极(5)和接地电极(6)均为环形结构，缠绕在介质管(1)侧壁上，两者之间的介质管(1)为放电区域(7)；脉冲电磁线圈(2)环绕在永磁体阵列(3)外侧，两个脉冲电磁线圈(2)分设于放电区域(7)的两侧；梯度磁场线圈(4)环绕在永磁体阵列(3)外侧，其位置位于两个脉冲电磁线圈(2)之间；永磁体阵列(3)和梯度磁场线圈(4)提供0.01t量级的恒定磁场，脉冲电磁线圈(2)提供t量级的脉冲磁场；所述恒定磁场和脉冲磁场组成复合磁场。2.如权利要求1所述的调控装置，其特征在于，所述高压电极(5)和接地电极(6)的宽度在1-5mm之间，两电极的间距设置在5-10mm；介质管(1)的直径在1-10mm。3.如权利要求1所述的调控装置，其特征在于，所述脉冲电磁线圈(2)外接脉冲电流源，线圈匝数大于2；梯度磁场线圈(4)的匝数大于100。4.如权利要求1所述的调控装置，其特征在于，所述永磁体阵列(3)为环形或瓦片状永磁体。5.如权利要求1-2任一所述的调控装置，其特征在于，所述接地电极(6)与介质管(1)管口之间的距离不小于3mm。6.如权利要求1所述的调控装置，其特征在于，在初步磁化等离子体时，所述脉冲磁场不开启，所述恒定磁场开启；在完成初步磁化，调控等离子体时，所述脉冲磁场开启。
技术总结本发明公开了基于动态多重复合磁场对大气压等离子体射流的调控装置，采用脉冲、恒定复合磁场的方式，增加磁位型，降低发热与损耗，有效地控制等离子体流的特性，进一步满足大气压等离子体射流在实际应用的需求。本装置中包括高压电极和接地电极组成的激励电场，对工作气体进行电离，得到等离子体。本装置包括脉冲电磁线圈产生的瞬态强磁场和梯度磁场线圈与永磁体阵列产生的恒定磁场。三者共同组成了复合磁场，增加磁位型。瞬态强磁场能够对带电粒子产生更强的约束作用与更宽范围的调制作用，还能降低发热与损耗，有效地调控制等离子体的特性。恒定磁场用于等离子体初始磁化时，保证磁化效果，利用率较高。利用率较高。利用率较高。
技术研发人员：韩若愚 王嫚屿 李琛 曹雨晨 袁伟 欧阳吉庭
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2022.07.18
技术公布日：2022/11/1
