技术领域 [0001]本发明属于等离子体应用领域，具体涉及一种轴向磁场调控低温等离子体的材料表面处理装置。 背景技术 [0002]等离子体是富含电子、离子、中性粒子以及活性自由基的一种第四态物质，而低温等离子体由于电离密度小，高能电子和其它活性粒子没有过多热效应而广泛应用于生物医学、材料改性、薄膜及涂层沉积等表面处理方面。大气压辉光放电是一种能够在无需真空设备的情况下低成本获取低温等离子的有效途径，多数无需特殊气体介质的应用场景下可以直接在开放空气中产生电子密度较大、活性自由基丰富的低温等离子体，所以大气压辉光辉光放电等离子体具有广阔的工业应用前景。 [0003]辉光放电在低气压下很容易产生，然而由于大气压下单位空间气体分子数量具大，气体放电发展过程中电子平均自由程相对低气压下大大减小，碰撞电离频率高导致电子崩发展迅猛，稳定的弥散大气压辉光放电较难获取。而很多低温等离子体应用场景，尤其是材料表面处理方面要求等离子体必须弥散分布在较大区域，否则会因为局部能量过于集中而对生物组织或材料表面造成损伤。 [0004]目前利用直流源配合大电阻镇流、纳秒脉冲电源、谐振恒流源可以在尖板间隙中产生长度超过10mm的大气压辉光放电等离子体，但是尖板间隙的结构特征导致等离子体分布于收缩的丝状区域，能量仍然太过集中，目前用于材料表面处理的低温等离子体源基本都是采用介质阻挡放电的形式，辉光放电区域太小，介质阻挡放电形成的弥散等离子体分布其实是由一种时空随机分布的大量微流柱放电通道组成，可能会对材料表面造成损伤。 发明内容 [0005]本发明的目的在于提供一种轴向磁场调控低温等离子体的材料表面处理装置，解决了目前辉光放电区域太小，可能会对材料表面造成损伤的问题。 [0006]本发明是通过以下技术方案来实现： [0007]一种轴向磁场调控低温等离子体的材料表面处理装置，包括外筒、高压尖电极、平板地电极、电磁线圈及磁芯； [0008]外筒一侧设有左盖板，另一侧设有右盖板，外筒与左盖板及右盖板密封的腔体为放电腔体； [0009]高压尖电极一端贯穿于左盖板并伸入在放电腔体中，另一端与高压电源连接； [0010]平板地电极设置在外筒内且与高压尖电极相对设置，平板地电极靠近高压尖电极一面上预制有用于放置待处理材料的放置台； [0011]在外筒外围横向设有电磁线圈，电磁线圈与磁控单元连接； [0012]在外筒内壁上设有磁芯； [0013]在左盖板上开有进气孔，在右盖板上开有出气孔，进气孔和出气孔为放电气体介质提供进出通道。 [0014]进一步，磁芯为环状结构。 [0015]进一步，进气孔包括位于左盖板上侧的上进气孔和位于左盖板下侧的下进气孔，出气孔包括位于右盖板上侧的上出气孔和位于右盖板下侧的下出气孔； [0016]当目标气体介质气体摩尔质量大于等于空气时选用上进气孔和下出气孔； [0017]当目标气体介质气体摩尔质量小于等于空气时选用下进气孔和上出气孔。 [0018]进一步，左盖板和右盖板均为绝缘盖板。 [0019]进一步，平板地电极连接有支撑杆，支撑杆外端伸出右盖板，支撑杆与地线连接，用于提供零电位。 [0020]进一步，高压尖电极、平板地电极以及支撑杆由黄铜材料制成； [0021]绝缘盖板由环氧板或聚四氟乙烯制成； [0022]外筒由铜、铝或铝合金制成。 [0023]进一步，根据待处理材料的尺寸选用外筒的直径，用于减小外施磁场强度的空间衰减幅度。 [0024]进一步，磁芯选用非金属磁芯材料制作。 [0025]进一步，进气孔和出气孔均连接有气阀，出气孔连接的气阀通过三通气路接头连接有气压表，用于监测腔体内部气压。 [0026]进一步，高压尖电极和平板地电极的间隙为弥散等离子体分布区域，磁芯和电磁线圈形成的磁场线和电极间隙轴向平行，高压尖电极和平板地电极之间形成的电场线在轴向既存在垂直分量也存在水平分量，垂直分量为等离子体通道提供旋转驱动力，水平分量为带电粒子在间隙的轴向传输提供加速和束缚力； [0027]通过外施磁场强度的调节，在高压尖电极和平板地电极之间形成了弥散分布的大气压辉光放电低温等离子体，用于控制放电等离子体的分布空间以及平板地电极上的接触区域。 [0028]与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果： [0029]本发明公开了一种轴向磁场调控低温等离子体的材料表面处理装置，包括外筒、高压尖电极、平板地电极、电磁线圈、磁芯；高压尖电极为电极尖端和地电极之间气体间隙放电提供强电场，电磁线圈和磁芯构成为放电提供外施磁场的电磁铁单元，磁场线的强度可以根据实际需求进行调节；通过外施轴向磁场的调控，在高压尖电极和平板地电极之间可以获取大气压辉光放电等离子体的大面积弥散分布，分布空间的大小可以通过磁场强度大小来精确调节，以此保证材料表面处理区域的灵活可控性，实现大气压辉光放电弥散低温等离子体分布空间的扩展，为大气压辉光放电等离子体材料表面处理领域工业应用提供技术基础；富含高能活性粒子的等离子体密度可通过电源的输出参数进行灵活调节，以此保证材料表面处理强度以及效率的灵活可控性； [0030]该装置可根据不同待处理材料的尺寸结构来灵活设计不同的平板地电极结构用来满足不同的放置需求，可实现应用场景的多元化；同时，根据待处理材料的不同需求可以通过调整气体成分来改变高能活性粒子的成分，比如在气体中提高氧气比例可以使材料碳纤维或其它有机材料表面氧化程度更高，从而在材料表面引入羧基官能团；在气体中提高氮气比例可以在金属或聚合物表面引入极性官能团，增加表面粗糙度和亲水性；在气体中混入一定比例氩气氦气等惰性气体成分可以通过彭宁效应提升等离子体获取效率。 [0031]进一步，磁芯为环状结构置于所述腔体内侧，能够保证电极和外筒之间绝缘的同时增强电极间隙所处空间的轴向磁场强度。 附图说明 [0032]图1是本发明提供的轴向磁场调控低温等离子体的材料表面处理装置结构示意图； [0033]图2是本发明的轴向磁场调控低温等离子体的材料表面处理装置的使用状态连接示意图； [0034]图3是本发明的电极间隙电场和磁场分布示意图； [0035]图4是本发明的调控大气压空气辉光放电获得弥散等离子体示意图。 [0036]其中： [0037]1、上进气孔；2、左盖板；3、螺母；4、下进气孔；5、高压尖电极；6、磁芯；7、平板地电极；8、支撑杆；9、右盖板；10、地线固定螺丝；11、上出气孔；12、下出气孔；13、外筒；14、电磁线圈；15、待处理材料；16、气阀；17、电压监测仪器；18、电流监测仪器；19、磁场线；20、电场线；21、弥散等离子体。 具体实施方式 [0038]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅为本发明一部分实施例，而不是全部实施例。 [0039]本发明附图及实施例描述和示出的组件可以以各种不同的配置来布置和设计，因此，以下附图中提供的本发明实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而仅仅是表示本发明选定的一种实施例。基于本发明的附图及实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。 [0040]需要说明的是：术语“包含”、“包括”或者其他任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，使得包括一系列要素的过程、元素、方法、物品或者设备不仅仅只包括那些要素，还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括该其过程、元素、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，术语“水平”“竖直”是基于附图所示装置或部件的方位和位置关系，仅是为了更好的描述本发明，而不是要求所示的装置、部件或设备必须具有该特定方位，因此不能理解为对本发明的限制。 [0041]以下结合实施例对本发明的特征和性能进一步详细说明。 [0042]如图1所示，本发明公开了一种轴向磁场调控低温等离子体的材料表面处理装置，包括外筒13、高压尖电极5、平板地电极7、电磁线圈14、磁芯6。外筒13一侧设有左盖板2，另一侧设有右盖板9，外筒13与左盖板2及右盖板9密封的腔体为放电腔体；高压尖电极5一端贯穿于左盖板2并伸入在放电腔体中，另一端与高压电源连接；平板地电极7设置在外筒13内且与高压尖电极5相对设置，平板地电极7靠近高压尖电极5一面上预制有用于放置待处理材料15的放置台；在外筒13外围横向设有电磁线圈14，电磁线圈14与磁控单元连接；在外筒13内壁上设有磁芯6；在左盖板2上开有进气孔，在右盖板9上开有出气孔，进气孔和出气孔为放电气体介质提供进出通道。 [0043]如图2所示，高压尖电极5与高压电源高压输出端导线连接，为电极尖端和地电极之间气体间隙放电提供强电场，高压尖电极5上所施加的电压根据电压监测仪器17的示数通过高压电源进行调节。 [0044]具体地，高压尖电极5上车有螺纹，用于高压导线的螺母3紧固以及在左盖板2上的位置调节和固定。 [0045]如图2所示，平板地电极7通过支撑杆8上的地线固定螺丝10实现与电源接地端和地线的紧固连接，提供零电位，同时平板地电极7靠近高压尖电极5一面放置待处理材料15。 [0046]高压尖电极5、平板地电极7以及支撑杆8由黄铜材料制成，具有良好导电性能和机械性能，且便于加工。 [0047]左盖板2和右盖板9均为绝缘盖板，盖板上留有气孔螺栓、高压尖电极5、支撑杆8的固定螺孔，同时起到腔体的密封作用。 [0048]绝缘盖板由环氧板或聚四氟乙烯制成，绝缘强度机械强度满足需求且成本较低。 [0049]进气孔包括位于左盖板2上侧的上进气孔1和位于左盖板2下侧的下进气孔4，出气孔包括位于右盖板9上侧的上出气孔11和位于右盖板9下侧的下出气孔12，作为腔体中辉光放电气体介质的入口和出口，介质气体摩尔质量大于等于空气时选用上进气孔1和下出气孔12，介质气体摩尔质量小于等于空气时选用下进气孔4和上出气孔11；进气孔和出气孔选用气管快插旋转直通接头，与绝缘盖板螺纹配合，既保证气密性，又能为气路使用提供便捷。 [0050]外筒13既是放电腔体的主要构成部分，也是整个装置的主体支撑部件，用于支撑筒内的两个盖板、磁芯6以及外部的电磁线圈14；外筒13由铜、铝或铝合金制成，机械强度优良且不会屏蔽磁场，根据待处理材料15的尺寸尽可能选用内外径较小的腔体外筒13，可以减小外施磁场强度的空间衰减幅度。 [0051]电磁线圈14和磁芯6构成为放电提供外施磁场的电磁铁单元，磁场线19的强度可以根据实际需求进行调节； [0052]电磁线圈14参数需根据外筒13尺寸以及磁场强度要求进行核算，选用漆包线进行密绕制作，线圈绕制在一个绝缘槽架上，和外筒13保持绝缘且便于拆解更换。 [0053]磁芯6选用磁导率高的非金属磁芯材料制作，磁芯6为环状结构置于所述腔体内侧，用于保证电极和外筒13之间绝缘的同时增强电极间隙所处空间的轴向磁场强度。 [0054]如图2所示，低压电源为电磁线圈14提供电流，优选可灵敏调节电压和电流的直流电源，装置使用之前需利用高斯计对放电腔体内部磁场强度和电源的电压电流对应关系进行标定，放电时只需要根据电流监测仪器18示数按需调节实现放电间隙横向电磁场强度的精确控制。 [0055]进气孔和出气孔均连接有气阀16，出气孔连接的气阀16通过三通气路接头连接有气压表，用于监测腔体内部气压。 [0056]腔体的各连接处通过生料带和密封胶实现密封，该装置内部放电时气压小等于但基本和大气压相等，无需真空装置，放电之前用介质气体从进气孔入出气孔出一段时间即可，具体时间由腔体尺寸决定。 [0057]参照图2，本发明提供的轴向磁场调控低温等离子体的材料表面处理装置具体实施过程如下： [0058]步骤一、根据待处理材料15的实际需求选择用来放置材料的平板地电极7的合理尺寸； [0059]根据实际需求调节好高压尖电极5和平板地电极7的相对位置，导线连接高压电源和高压尖电极5，高压电源输出地极和支撑杆8共同接至接地线； [0060]步骤二、将低压电源的电压电流和磁场强度对应关系进行标定后，按照图2所示与电磁线圈14可靠连接； [0061]步骤三、根据待通入放电单元的气体密度大小选定进气孔和出气孔，图2实施例选择了上进气孔1和下出气孔12，进气孔和气瓶通过气管连接好，出气孔和气阀16之间通过三通气路接头连接一个气压表监测腔体内部气压，将不用的进气孔和出气孔阀门关闭。 [0062]步骤四、保持下进气孔4和上出气孔11的气阀16关闭，打开上进气孔1和下出气孔12的气阀16，打开气瓶气阀16根据腔体尺寸估算气体的流速和时间，对腔体内部进行洗气；洗气完毕后，关闭气瓶以及下进气孔4和上出气孔11的气阀16。 [0063]步骤五、根据实际需求按照高压尖电极5上所连接电压监测仪器17示数将高压电源的电压调至所需值，确定放电稳定形成后，调节低压电源为电极间隙提供一定强度的轴向磁场；通过高压电源的输出参数和磁场强度的调节配合可以灵活控制高压尖电极5和平板地电极7之间大气压辉光放电等离子体的分布状况。 [0064]该装置可根据不同待处理材料15的尺寸结构来灵活设计不同的平板地电极7结构用来满足不同的放置需求，可实现应用场景的多元化；同时，根据待处理材料15的不同需求可以通过调整气体成分来改变高能活性粒子的成分，比如在气体中提高氧气比例可以使材料碳纤维或其它有机材料表面氧化程度更高，从而在材料表面引入羧基官能团；在气体中提高氮气比例可以在金属或聚合物表面引入极性官能团，增加表面粗糙度和亲水性；在气体中混入一定比例氩气氦气等惰性气体成分可以通过彭宁效应提升等离子体获取效率。 [0065]如图3所示，磁场线19和电极间隙轴向平行，高压尖电极5和平板地电极7之间的电场线20在轴向既存在垂直分量也存在水平分量，垂直分量为等离子体通道提供旋转驱动力，水平分量为带电粒子在间隙的轴向传输提供加速和束缚力。通过外施磁场强度的调节，可以精确控制放电等离子体的分布空间以及平板地电极7上的接触区域。 [0066]如图4所示，通过外施轴向磁场的调控，在高压尖电极5和平板地电极7之间形成了大范围分布的非常好的大气压辉光放电低温弥散等离子体21。 [0067]最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。