CN103617939A

CN103617939A - 一种混合气体等离子集电管

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Publication number: CN103617939A
Application number: CN201310686377.2A
Authority: CN
Inventors: 陈涛
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-12-16
Filing date: 2013-12-16
Publication date: 2014-03-05

Abstract

一种混合气体等离子集电管，包括密闭容器，密闭容器内填充有低压气体材料，密闭容器内设有电极片。所述低压气体材料为：氢气、氮气、氦气、氖气、氩气、氪气、氙气等其中的两种或者几种混合而成，压力为：1×10^-5Pa~1×10^-1Pa。本发明一种混合气体等离子集电管，可在不施加机械运动、不外加任何电源、不发出丝毫噪声、不释放出热能、不发出可见光、不泄漏有毒物质、不释放有害电磁波的情况下输出电能。

Description

一种混合气体等离子集电管

技术领域

本发明一种混合气体等离子集电管。

背景技术

现有的小型电子设备，主要以各类电池作为电源。但无论是不可充电的碳锌电池、锰锌电池、碱性电池，还是能反复多次充电的镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、锌空气电池等，都需要使用电解液。而电解液的存在，首先增加了电池的重量，对电子设备的轻便移动造成影响。其次，有电解液的电池在长时间使用情况下始终存在漏液问题，电池内的电解液一般都是碱性很强的氢氧化合物，腐蚀性极强，电池漏液会腐蚀电池匣的簧片，导致锈蚀造成电路接触不良或不通导，影响电子设备的正常使用。第三，有电解液的电池在电池寿命终结的时候会产生气涨，它的体积还会增大，卡死在在电池盒中造成麻烦。通常还伴随有爬碱的现象，在电池负极上凝集出许多白色结晶，极易造成电子设备损坏。再者锂离子电池等现代大容量电池。当在热冲击、过充、过放、短路等滥用状态下，电池内部的活性物质及电解液等组分间将发生化学、电化学反应,产生大量的热量与气体。当积累到一定程度就会引起电池的着火、爆炸，造成火灾事故和人身财产损失。特别是电视遥控器、空调遥控器、手电筒等小型电子设备。使用时间相对集中，而待机放置时间则相对很长，在待机放置过程中，电池更容易发生漏液等现象造成电子设备损坏。

现代物理学中有著名的潘宁效应（Penning effect），即，两种以上的气体按照一定比例混合，混合后的气体被击穿的电位明显低于单纯气体的击穿电位，从而极大地降低了启动电压。潘宁电离的基本原理为：当混合气体中的杂质气体的电离电位能量小于基本气体的原子亚稳态能级时，基于粒子间的非弹性碰撞可造成杂质气体的电离，形成等离子体。潘宁电离效应在现代照明领域中有非常广泛的应用，如：日光灯、霓虹灯、节能灯、无极灯、高压汞灯、高压钠灯、金属卤素灯等都利用了潘宁电离原理。

然而，数十年的时间里，在潘宁电离效应的研究中，人们对潘宁电离效应在照明的应用研究较多，但对潘宁电离中的自持放电现象，尤其是自持暗放电现象研究极少，对于某些特定种类、特定比例混合气体在无外加电压和输入电流的情况下，可以受到宇宙射线、高能粒子、太阳紫外线、地壳和大气中的辐射等环境因素激发，基于自由电子与基本气体原子间的非弹性碰撞，释放位于极紫外线光谱段的光子（波长121 nm~10 nm，能级10.2 eV~124 eV），造成杂质气体原子的电离，而自行产生自持暗放电现象，进而形成级联电离（雪崩电离）产生高密度自由电子的现象没有引起足够重视。对单纯运用电子、质子、原子、光子间的碰撞运动及相互作用的基本物理规律产生气体原子电离效果，收集、输出电能的方法及其应用缺乏深入研究。

发明内容

本发明一种混合气体等离子集电管，可在不施加机械运动、不外加任何电源、不发出丝毫噪声、不释放出热能、不发出可见光、不泄漏有毒害物质、不释放有害电磁波的情况下输出电能。

本发明采取的技术方案为：一种混合气体等离子集电管，包括密闭容器，密闭容器内填充有低压气体材料，密闭容器内设有电极片。

所述电极片至少为两根，两个电极片的间距在1~20mm。

所述密闭容器由玻璃、透明或者不透明塑料、透明或者不透明陶瓷制作而成。

所述低压气体材料为：氢气、氮气、氦气、氖气、氩气、氪气、氙气其中的两种或者多种混合而成，压力为：1×10^-5Pa~1×10^-1Pa。

所述低压气体材料进行混合的基本原则：基本气体原子：占多数的气体的亚稳态能级eV大于杂质气体原子：占少数的气体的电离能级eV。

所述低压混合气体组合为：氦氢气、氦氮气、氦氩气、氦氪气、氦氙气、氖氢气、氖氮气、氖氩气、氖氪气、氖氙气、氦氖氢气、氦氖氮气、氦氖氩气、氦氖氪气、氦氖氙气、氖氩氢气、氖氩氮气、氖氩氪气、氖氩氙气、氦氖氩氢气、氦氖氩氪氢气、氦氖氩氪氙氢气等。

一种混合气体等离子集电管电能输出方法：低压气体材料，在一定真空条件：10^-5Pa~10^-1Pa下，受环境因素激发，可基于自由电子与基本气体原子间的非弹性碰撞，释放位于极紫外线光谱段的光子：波长121 nm~10 nm，能级10.2 eV~124 eV，造成杂质气体原子的电离，在密闭容器内自行产生自持暗放电现象，进而发生级联电离，形成等离子体，高电导率的等离子体中的高密度自由电子，在电极附近聚集，最终被电极吸收形成可测电压在：10^-4V~10^-1 V之间的微弱电流：10^-12A~10^-4A而输出。

多个本发明集电管可通过串并联组合方式增大电压和增强电流输出。

在本发明集电管的电极和密闭容器内壁中，涂敷电子发射浆粉类物质，也可增强电离效果，并相应增大本发明集电管的电流输出能力。

一种混合气体等离子集电管，用作电源装置。本发明集电管可与电容器、超级电容器、二极管、三极管、电阻、电感、集成芯片等电子元件组合成电池设备，给手电筒、收音机、遥控器等低压电子设备供电。

本发明集电管本身也可以作为一种电池设备整合到各种电子电路中，对于各种移动电子设备的设计制造将产生极大方便。

本发明集电管，其外形和容积太小可根据需求进行定制，生产制造所需工艺较为简单。

本发明集电管可以增加气体控制设备：如真空阀、真空泵、储气罐、气体控制仪等，通过设计相关控制系统，实现管体内气体物质的动态化、精确化控制，作为一种小型发电设备实现长时间稳定输出电能，给机电设备、照明灯具、交通运输工具等任何使用电能的设备供电。

本发明集电管内的等离子体可以吸收各类电子设备产生的特定频率的有害电磁辐射，对优化目前家居电磁辐射环境具有积极的环保效果。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1是本发明集电管结构示意图。

图2是多个本发明等离子集电管并联组合图。

图3是本发明集电管与电子元件组合构成简易电源图。

图4是本发明集电管的密闭容器连接有气体控制设备图。

具体实施方式

原理分析：以最为常用的氖氩混合气体分析本发明集电管产生电能的基本原理。

在一个标准大气压下，空气中自由电子密度大约为1000个/cm³。自由电子主要由地球地壳、大气层中的辐射、宇宙射线、太阳紫外线等电离空气所产生。同时，一个标准大气压下，大气中电子、原子等粒子间碰撞频率可达10¹² Hz。本发明集电管中的氖氩混合气体，受上述所说的同样环境因素影响，也会产生一些自由电子，自由电子进而与氖原子、氩原子发生碰撞，在集电管1×10^-5Pa~1×10^-1Pa的低气压环境中，电子的碰撞频率可达到10⁸~10¹⁰Hz。集电管内氖氩混合气体中，氖原子占99%的比例，基于概率原理，绝大部分情况下自由电子在运动时会与氖原子发生非弹性碰撞，当电子动能大于16.54eV时，电子的非弹性碰撞会使氖原子处于激发态。然而处于激发态的氖原子极不稳定，寿命只有100ns，容易退回原子基态，同时释放16.54eV能量的光子，光子波长为74.3nm，位于极紫外线光谱段：也称软X光。光子的能量：16.54eV，小于氖原子的电离能：21.56eV。但大于氩原子的电离能：15.76eV，氩原子会被极紫外线光子电离，分离出离子和电子。大量氩原子电离的结果，造成氖氩混合气体中自由电子密度的增加，之后电子的非弹性碰撞频率也会大幅增加，加之离子也会碰撞金属电极释放出更多的二次电子，进而使容器空间中的自由电子成几何级数增加，形成级联电离（雪崩电离）。当0.1%以上比例的氩原子被电离后，氖氩混合气体已成为等离子体，当电离度达到1%时及以上时，氖氩等离子体已成为理想导电体。当本发明集电管的真空度在10^-4~10^-5Pa之间时，氖氩等离子体中的电子密度将达到最大值。氖氩等离子体中的自由电子会聚集在电极2附近，并被电极2吸附在两个或者多个电极之间形成可测量电压产生微弱电流。

本发明一种混合气体等离子集电管内的氦氢气、氦氮气、氦氩气、氦氪气、氦氙气、氖氢气、氖氮气、氖氪气、氖氙气、氦氖氢气、氦氖氮气、氦氖氩气、氦氖氪气、氦氖氙气、氖氩氢气、氖氩氮气、氖氩氪气、氖氩氙气、氦氖氩氢气、氦氖氩氪氢气、氦氖氩氪氙氢气等低压混合气体产生电能的原理与上述氖氩混合气体类似。

本发明一种混合气体等离子集电管中的电极2可由镍、钼、铜等金属材料制成。根据管径的不同，电极2间距离应在1~20mm以内，电极2长度应达到整个集电管高度的3/5以上。

另外，在本发明一种混合气体等离子集电管的电极2和密闭容器1内壁中，涂敷电子发射浆粉类物质，也可增强电离效果，并相应增大集电管的电流输出能力。

本发明一种混合气体等离子集电管的电能输出总量受管体内混合气体原子、质子、电子的数量决定。

本发明一种混合气体等离子集电管中等离子体，对特定频率电磁波有吸收效应，可以增强电能输出效果。

如图3所示，本发明一种混合气体等离子集电管可与电容器、超级电容器、二极管、三极管、电阻、电感、集成芯片等电子元件组合成电池设备，给手电筒、收音机、遥控器等低压电子设备供电。本发明集电管与电容构成简易电源的工作原理为：本发明集电管的电极间因电势能差会产生电流，多个本发明集电管并联以产生更强的电流，电流通过导线输入电容，电能存储在电容中。为防止电容放电导致电流回流至本发明集电管，致使电能不能被存储利用，在本发明集电管的电极上装设二极管达到让电流单向流动的目的，以便于本发明集电管产生的电能被电容存储然后利用。

如图4所示，本发明一种混合气体等离子集电管可以增加气体控制设备3，如：真空阀、真空泵、储气罐、气体控制仪等。通过设计相关控制系统，实现管体内气体物质的动态化、精确化控制，作为一种小型发电设备实现长时间稳定输出电能，给机电设备、照明灯具、交通运输工具等任何使用电能的设备供电。本发明集电管可以安装真空阀与真空泵、储气罐、气体控制仪相连。在需要减少管体内气体物质时，可以通过开启真空泵提高管体内真空度；在需要增加管体内气体物质时，可以开启气体控制仪和混合气体储气罐，向管体内输入气体物质。通过添加或减少管体内气体物质数量，控制输出电流的大小和输出电能的多少。

Claims

1.一种混合气体等离子集电管，包括密闭容器（1），其特征在于，密闭容器（1）内填充有低压气体材料，密闭容器（1）内设有电极片（2）。

2.根据权利要求1所述一种混合气体等离子集电管，其特征在于，所述低压气体材料为：氢气、氮气、氦气、氖气、氩气、氪气、氙气其中的两种或者多种混合而成，压力为：1×10^-5Pa~1×10^-1Pa。

3.根据权利要求2所述一种混合气体等离子集电管，其特征在于，低压混合气体组合为：氦氢气、氦氮气、氦氩气、氦氪气、氦氙气、氖氢气、氖氮气、氖氩气、氖氪气、氖氙气、氦氖氢气、氦氖氮气、氦氖氩气、氦氖氪气、氦氖氙气、氖氩氢气、氖氩氮气、氖氩氪气、氖氩氙气、氦氖氩氢气、氦氖氩氪氢气、或者氦氖氩氪氙氢气。

4.根据权利要求1所述一种混合气体等离子集电管，其特征在于，所述电极片（2）至少为两根，两个电极片（2）的间距在1~20mm。

5.根据权利要求1所述一种混合气体等离子集电管，其特征在于，所述集电管的密闭容器（1）内壁、电极片（2）涂敷有电子发射浆粉。

6.根据权利要求1所述一种混合气体等离子集电管，其特征在于，所述密闭容器（1）由玻璃、透明或者不透明塑料、透明或者不透明陶瓷制作而成。

7.根据权利要求1或6所述一种混合气体等离子集电管，其特征在于，所述密闭容器（1）连接有气体控制设备（3）。

8.如权利要求1~7任意一项所述的一种混合气体等离子集电管，多个所述集电管串并组合。

9.采用如权利要求1~8任意一项所述的一种混合气体等离子集电管的电能输出方法，其特征在于，低压气体材料在一定真空条件：10^-5Pa~10^-1Pa下受环境因素激发，可基于自由电与基本气体原子间的非弹性碰撞，释放位于极紫外线光谱段的光子，造成杂质气体原子的电离，自行产生自持暗放电现象，进而发生级联电离，形成等离子体，高电导率的等离子体中的高密度自由电子，在电极（2）附近聚集，最终被电极（2）吸收形成可测电压在：10^-4V~10^-1 V之间的微弱电流：10^-12A~10^-4A而输出。

10.一种混合气体等离子集电管，其特征在于，用作电源装置。