stringtranslate.com

Диэлектрический барьерный разряд

Типичная конструкция устройства DBD, в котором один из двух электродов покрыт диэлектрическим барьерным материалом. Линии между диэлектриком и электродом представляют собой разрядные нити, которые обычно видны невооруженным глазом.
Диэлектрический барьерный разряд, полученный с использованием слюдяных листов в качестве диэлектрика , помещенных на две стальные пластины в качестве электрода. Разряд происходит в нормальном атмосферном воздухе, на частоте около 30 кГц, с разрядным зазором около 4 мм. Подошва разряда - это накопление заряда на поверхности барьера.

Диэлектрический барьерный разряд ( DBD ) — это электрический разряд между двумя электродами , разделенными изолирующим диэлектрическим барьером. Первоначально называемый тихим (неслышимым) разрядом и также известный как разряд производства озона [1] или частичный разряд [2] , он был впервые описан Эрнстом Вернером фон Сименсом в 1857 году. [3]

Процесс

Обычно в этом процессе используется переменный ток высокого напряжения , в диапазоне от низких радиочастот до микроволновых частот. [4] Однако были разработаны другие методы для расширения частотного диапазона вплоть до постоянного тока. Один из методов заключался в использовании слоя с высоким сопротивлением для покрытия одного из электродов. Это известно как резистивный барьерный разряд. [5] Другая технология, использующая полупроводниковый слой арсенида галлия ( GaAs ) для замены диэлектрического слоя, позволяет этим устройствам работать от постоянного напряжения от 580 В до 740 В. [6]

Строительство

Устройства DBD могут быть изготовлены во многих конфигурациях, как правило, плоских, с использованием параллельных пластин, разделенных диэлектриком , или цилиндрических, с использованием коаксиальных пластин с диэлектрической трубкой между ними. [7] В обычной коаксиальной конфигурации диэлектрик имеет ту же форму, что и обычная люминесцентная трубка. Он заполнен при атмосферном давлении либо инертным газом, либо смесью инертного газа и галогенида , а стеклянные стенки действуют как диэлектрический барьер. Из-за уровня атмосферного давления такие процессы требуют высоких уровней энергии для поддержания. Обычные диэлектрические материалы включают стекло, кварц, керамику и полимеры. Расстояние зазора между электродами значительно варьируется: от менее 0,1 мм в плазменных дисплеях, нескольких миллиметров в генераторах озона и до нескольких сантиметров в лазерах на CO2 .

Диэлектрические барьерные разряды также могут быть построены концентрическим образом: высоковольтный электрод - это внешнее кольцо, земля - ​​во внутреннем капилляре, и они разделены стеклянным капилляром. Этот формат может быть полезен для непрерывного протекания газа через разряд, например, в качестве источника ионизации в масс-спектрометрии.

В зависимости от геометрии DBD может генерироваться в объеме (VDBD) или на поверхности (SDBD). Для VDBD плазма генерируется между двумя электродами, например, между двумя параллельными пластинами с диэлектриком между ними. [8] При SDBD микроразряды генерируются на поверхности диэлектрика, что приводит к более однородной плазме, чем можно достичь с помощью конфигурации VDBD [9] При SDBD микроразряды ограничены поверхностью, поэтому их плотность выше по сравнению с VDBD. [10] Плазма генерируется на поверхности пластины SDBD. Чтобы легко зажечь VDBD и получить равномерно распределенный разряд в зазоре, можно использовать предыонизационный DBD. [8]

Конкретный компактный и экономичный генератор плазмы DBD может быть построен на основе принципов пьезоэлектрического прямого разряда . В этой технике высокое напряжение генерируется с помощью пьезотрансформатора, вторичная цепь которого также действует как высоковольтный электрод. Поскольку материал трансформатора является диэлектриком, полученный электрический разряд напоминает свойства диэлектрического барьерного разряда. [11] [12]

Было показано, что манипуляции с инкапсулированным электродом и распределение инкапсулированного электрода по всему диэлектрическому слою изменяют производительность плазменного актуатора с диэлектрическим барьерным разрядом (DBD). [13] Актуаторы с неглубоким начальным электродом способны более эффективно передавать импульс и механическую мощность потоку. [14] [15]

Операция

Множество случайных дуг образуются в рабочем зазоре, превышающем 1,5 мм между двумя электродами во время разрядов в газах при атмосферном давлении. [16] Поскольку заряды собираются на поверхности диэлектрика, они разряжаются за микросекунды (миллионные доли секунды), что приводит к их повторному образованию в другом месте на поверхности. Подобно другим методам электрического разряда, удерживаемая плазма поддерживается, если непрерывный источник энергии обеспечивает необходимую степень ионизации , преодолевая процесс рекомбинации, приводящий к затуханию плазмы разряда. Такие рекомбинации прямо пропорциональны столкновениям между молекулами и, в свою очередь, давлению газа, как объясняется законом Пашена . Процесс разряда вызывает испускание энергичного фотона , частота и энергия которого соответствуют типу газа, используемого для заполнения разрядного промежутка.

Приложения

Использование генерируемого излучения

DBD могут использоваться для генерации оптического излучения путем релаксации возбужденных видов в плазме. Основное применение здесь — генерация УФ-излучения. Такие эксимерные ультрафиолетовые лампы могут производить свет с короткими длинами волн, который может использоваться для производства озона в промышленных масштабах. Озон до сих пор широко используется в промышленной очистке воздуха и воды. [7] Попытки начала 20-го века коммерческого производства азотной кислоты и аммиака использовали DBD [17], поскольку в качестве продуктов разряда образуется несколько соединений азота и кислорода. [3]

Использование полученной плазмы

С 19 века DBD были известны своим разложением различных газообразных соединений, таких как NH 3 , H 2 S и CO 2 . Другие современные приложения включают производство полупроводников, бактерицидные процессы, обработку полимерных поверхностей, мощные CO 2 -лазеры, обычно используемые для сварки и резки металла, контроля загрязнения и плазменных панелей , управления аэродинамическим потоком ... Относительно более низкая температура DBD делает его привлекательным методом генерации плазмы при атмосферном давлении.

Промышленность

Сама плазма используется для модификации или очистки ( плазменная очистка ) поверхностей материалов (например, полимеров , поверхностей полупроводников ), которые также могут действовать как диэлектрический барьер, или для модификации газов [18], применяемых далее для «мягкой» плазменной очистки и повышения адгезии поверхностей, подготовленных для нанесения покрытий или склеивания ( технологии плоских дисплеев ).

Диэлектрический барьерный разряд является одним из методов плазменной обработки текстиля при атмосферном давлении и комнатной температуре. Обработка может быть использована для изменения поверхностных свойств текстиля для улучшения смачиваемости , улучшения поглощения красителей и адгезии , а также для стерилизации . Плазма DBD обеспечивает сухую обработку, которая не создает сточных вод или не требует сушки ткани после обработки. Для обработки текстиля система DBD требует несколько киловольт переменного тока в диапазоне от 1 до 100 килогерц. Напряжение подается на изолированные электроды с миллиметровым зазором, через который проходит текстиль. [19]

Эксимерная лампа может использоваться как мощный источник коротковолнового ультрафиолетового света, полезного в химических процессах, таких как очистка поверхности полупроводниковых пластин. [20] Лампа использует диэлектрический барьерный разряд в атмосфере ксенона и других газов для получения эксимеров.

Очистка воды

Дополнительный процесс при использовании хлорного газа для удаления бактерий и органических загрязнений в питьевой воде. [21] Обработка общественных бассейнов, аквариумов и прудов для разведения рыбы включает использование ультрафиолетового излучения , получаемого при использовании диэлектрической смеси ксенонового газа и стекла. [22] [23]

Поверхностная модификация материалов

Применение, в котором DBD могут быть успешно использованы, заключается в изменении характеристик поверхности материала. Модификация может быть направлена ​​на изменение его гидрофильности, активацию поверхности, введение функциональных групп и т. д. Полимерные поверхности легко обрабатываются с использованием DBD, которые в некоторых случаях предлагают высокую область обработки. [24] [25]

Лекарство

Диэлектрические барьерные разряды использовались для создания относительно большого объема диффузной плазмы при атмосферном давлении и применялись для инактивации бактерий в середине 1990-х годов. [26] Это в конечном итоге привело к развитию новой области применения — биомедицинского применения плазмы. В области биомедицинского применения возникло три основных подхода: прямая терапия, модификация поверхности и осаждение плазменных полимеров. Плазменные полимеры могут контролировать и направлять взаимодействия биологических и биоматериалов (т. е. адгезию, пролиферацию и дифференциацию) или ингибирование адгезии бактерий. [27]

Аэронавтика

Интерес к плазменному актуатору как активному устройству управления потоком быстро растет из-за отсутствия механических частей, малого веса и высокой частоты отклика. [28] [29]

Характеристики

В силу своей природы эти устройства обладают следующими свойствами:

Работа с непрерывными синусоидальными или прямоугольными волнами в основном используется в мощных промышленных установках. Импульсная работа DBD может привести к более высокой эффективности разряда.

Цепи привода

Драйверы для этого типа электрической нагрузки представляют собой мощные ВЧ-генераторы, которые во многих случаях содержат трансформатор для генерации высокого напряжения. Они напоминают пускорегулирующую аппаратуру, используемую для работы компактных люминесцентных ламп или люминесцентных ламп с холодным катодом . Режим работы и топология цепей для работы ламп [DBD] с непрерывными синусоидальными или прямоугольными волнами аналогичны стандартным драйверам. В этих случаях энергия, которая хранится в емкости DBD, не должна восстанавливаться в промежуточном источнике питания после каждого зажигания. Вместо этого она остается в цепи (колеблется между емкостью [DBD] и по крайней мере одним индуктивным компонентом цепи), и только реальная мощность , потребляемая лампой, должна обеспечиваться источником питания. Иными словами, драйверы для импульсной работы страдают от довольно низкого коэффициента мощности и во многих случаях должны полностью восстанавливать энергию DBD. Поскольку импульсная работа ламп [DBD] может привести к повышению эффективности лампы, международные исследования привели к созданию подходящих концепций схемы. Базовыми топологиями являются резонансная обратноходовая схема [30] и резонансная полумостовая схема . [31] Гибкая схема, которая объединяет две топологии, приведена в двух патентных заявках [32] [33] и может использоваться для адаптивного управления DBD с переменной емкостью.

Обзор различных схемных концепций для импульсной работы источников оптического излучения DBD приведен в работе «Резонансное поведение импульсных генераторов для эффективного управления источниками оптического излучения на основе диэлектрических барьерных разрядов» [34] .

Ссылки

  1. ^ Мацуно, Хиромицу, Нобуюки Хисинума, Кеничи Хиросе, Кунио Касаги, Фумитоши Такемото, Ёсинори Аиура и Тацуши Игараси. Газоразрядная лампа с диэлектрическим барьером, патент США 5757132 (коммерческий веб-сайт). Freepatentsonline.com. Впервые опубликовано 26 мая 1998 г. Проверено 5 августа 2007 г.
  2. ^ Dhali, SK; Sardja, I. (1989). "Диэлектрический барьерный разряд для удаления SO/Sub 2/ из дымового газа". IEEE Международная конференция по плазме . стр. 150. doi :10.1109/PLASMA.1989.166255. S2CID  116292525.
  3. ^ ab Kogelschatz, Ulrich, Baldur Eliasson, and Walter Egli. От генераторов озона до плоских телевизионных экранов: история и будущий потенциал разрядов с диэлектрическим барьером. Pure Applied Chemistry, Vol. 71, No. 10, pp. 1819–1828, 1999. Получено 5 августа 2007 г.
  4. ^ "Aerosol charge distributions in Dielectric Barrier Discharges" (PDF) . Дата публикации 2009 . Европейская конференция по аэрозолям 2009 Карлсруэ. Архивировано из оригинала (PDF) 19 июля 2011 . Получено 10 декабря 2010 .
  5. ^ M. Laroussi, I. Alexeff, JP Richardson и FF Dyer " Резистивный барьерный разряд", IEEE Trans. Plasma Sci. 30, 158 (2002)
  6. ^ "Structure formation in a DC-driven "barrier" discharge stability analysis and numerical solutions" (PDF) . Дата публикации 15–20 июля 2007 г. . ICPIG Прага, Чешская Республика . Получено 9 декабря 2010 г. .
  7. ^ ab Kraus, Martin, Baldur Eliasson, Ulrich Kogelschatzb и Alexander Wokauna. Реформинг метана с помощью комбинации разрядов с диэлектрическим барьером и катализа Physical Chemistry Chemical Physics, 2001, 3, 294–300. Получено 5 августа 2007 г.
  8. ^ ab Motrescu, I.; Ciolan, MA; Sugiyama, K.; Kawamura, N. & Nagatsu, M. (2018). «Использование электродов предварительной ионизации для получения крупногабаритных, плотно распределенных нитевидных диэлектрических барьерных разрядов для обработки поверхности материалов». Plasma Sources Science & Technology . 27 (11): 115005. Bibcode : 2018PSST...27k5005M. doi : 10.1088/1361-6595/aae8fd. S2CID  105864329.
  9. ^ Гибалов, VI и Питч, GJ (2000). «Развитие диэлектрических барьерных разрядов в газовых зазорах и на поверхностях». Journal of Physics D: Applied Physics . 33 (20): 2618–2636. Bibcode : 2000JPhD...33.2618G. doi : 10.1088/0022-3727/33/20/315. S2CID  250790252.
  10. ^ Radacsi, N.; Van der Heijden, AEDM; Stankiewicz, AI; ter Horst, JH (2013). «Синтез высококачественных органических наночастиц с помощью холодной плазмы при атмосферном давлении». Journal of Nanoparticle Research . 15 (2): 1–13. Bibcode : 2013JNR....15.1445R. doi : 10.1007/s11051-013-1445-4. S2CID  97236015.
  11. ^ М. Тешке и Дж. Энгеманн, Вклад в физику плазмы 49, 614 (2009)
  12. ^ М. Тешке и Дж. Энгеманн, US020090122941A1, заявка на патент США
  13. ^ Эрфани, Р. (2013). «Оптимизация многоэлектродного инкапсулированного плазменного актуатора» (PDF) . Аэрокосмическая наука и технологии . 26 (1): 120–127. Bibcode :2013AeST...26..120E. doi :10.1016/j.ast.2012.02.020.
  14. ^ Расул Эрфани, Заре-Бехташ Х.; Хейл, К.; Контис, К. (2015). «Разработка плазменных приводов DBD: электрод с двойной капсулой» (PDF) . Акта Астронавтика . 109 : 132–143. Бибкод : 2015AcAau.109..132E. дои : 10.1016/j.actaastro.2014.12.016 .
  15. ^ Эрфани, Расул (2012). «Множественные инкапсулированные электродные плазменные актуаторы для влияния на индуцированную скорость: дополнительные конфигурации]». AIAA : 2010–5106. doi :10.2514/6.2010-5106.
  16. ^ "Dielectric-Barrier Discharges. Principle and Applications" (PDF) . ABB Corporate Research Ltd., Баден, Швейцария. 11 октября 1997 г. . Получено 19 января 2013 г. .
  17. ^ Чисхолм, Хью , ред. (1911). «Азот»  . Encyclopaedia Britannica . Том 16 (11-е изд.). Cambridge University Press. С. 714–716.
  18. ^ Евгений В. Шунько и Вениамин В. Белкин (2007). "Очищающие свойства атомарного кислорода, возбужденного в метастабильное состояние 2s 2 2p 4 ( 1 S 0 )". Журнал прикладной физики . 102 (8). (2007) J. Appl. Phys.: 083304–1–14. Bibcode :2007JAP...102h3304S. doi :10.1063/1.2794857.
  19. ^ Текстильный институт, Устойчивый текстиль , CRC Press, ISBN 978-1-84569-453-1 стр. 156 
  20. ^ "Диэлектрик". Siliconfareast.com 2001–2006 . Получено 8 января 2011 .
  21. ^ "Система разряда диэлектрического барьера с каталитически активным пористым сегментом для улучшения очистки воды" (PDF) . Кафедра физики, Университет Западной Богемии, Univerzitni 22, 306 14 Пльзень, Чешская Республика 2008. Получено 9 января 2011 г.
  22. ^ "УФ против хлора". Atguv.com 2010. Получено 9 января 2011 .
  23. ^ "Диэлектрическая барьерная разрядная лампа, включающая УФ-B-люминофор". Freepatentsonline.com 21 декабря 2010 г. Получено 9 января 2011 г.
  24. ^ Нагацу, М.; Сугияма, К.; Мотреску, И.; Чолан, МА; Огино, А. и Кавамура, Н. (2018). «Модификация поверхности фторсодержащих смол с использованием устройства разряда диэлектрика барьерного типа с удлиненным параллельным электродом». Журнал фотополимерной науки и технологии . 31 (3): 379–383. doi : 10.2494/photopolymer.31.379 .
  25. ^ Сиван, Маникандан (15 октября 2020 г.). «Влияние плазменной обработки на объемные свойства нановолокнистых матов из поликапролактона, изготовленных необычным электропрядением переменного тока: сравнительное исследование». Surface and Coatings Technology . 399 : 126203. doi : 10.1016/j.surfcoat.2020.126203. ISSN  0257-8972. S2CID  224924026.
  26. ^ М. Ларусси, «Стерилизация загрязненных веществ плазмой атмосферного давления», IEEE Trans. Plasma Sci. 24, 1188 (1996)
  27. ^ Czuba, Urszula; Quintana, Robert; De Pauw-Gillet, Marie-Claire; Bourguignon, Maxime; Moreno-Couranjou, Maryline; Alexandre, Michael; Detrembleur, Christophe; Choquet, Patrick (июнь 2018 г.). «Атмосферное плазменное осаждение метакрилатных слоев, содержащих группы катехола/хинона: альтернатива биоконъюгации полидопамина для биомедицинских применений». Advanced Healthcare Materials . 7 (11): 1701059. doi :10.1002/adhm.201701059. PMID  29577666. S2CID  4327417.
  28. ^ Рот, Дж. Рис (2001). "Глава 15.3 Атмосферные диэлектрические барьерные разряды (DBD)". Промышленная плазменная инженерия: Том 2: Приложения к нетермической плазменной обработке (1-е изд.). CRC Press. ISBN 978-0750305440.
  29. ^ Эрфани, Р. (2012). ОПТИМИЗАЦИЯ ПЛАЗМЕННЫХ АКТУАТОРОВ С ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМ БАРЬЕРНЫМ РАЗРЯДОМ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ДИНАМИКЕ ГИДРОДИНАМИКИ (PDF) . Манчестерский университет.
  30. ^ El-Deib, A.; Dawson, F.; Van Eerdent, G.; Bhosle, S.; Zissis, G. (2010). "Управляемый током драйвер для лампы с диэлектрическим барьером". Международная конференция по силовой электронике 2010 года – ECCE ASIA - . Конференция по силовой электронике (IPEC) 2010 International (опубликовано 21–24 июня 2010 г.). стр. 2331–2338. doi :10.1109/IPEC.2010.5543677. ISBN 978-1-4244-5394-8. S2CID  47493560.
  31. ^ "Резонансное поведение импульсного электронного устройства управления для диэлектрических барьерных разрядов". Силовая электроника, машины и приводы (PEMD 2010), 5-я Международная конференция IET по .
  32. ^ "Название патентной заявки: Устройство для генерации последовательностей импульсов напряжения, в частности, для работы емкостных разрядных ламп". Дата публикации 2005. Университет Карлсруэ . Получено 23 мая 2011 .
  33. ^ "Название патентной заявки: Адаптивный привод для лампы с диэлектрическим барьерным разрядом (DBD)". Дата публикации 2008. Briarcliff Manor, New York US . Получено 9 декабря 2010 .
  34. ^ "Резонансное поведение импульсных генераторов для эффективного возбуждения источников оптического излучения на основе диэлектрических барьерных разрядов". Дата публикации 10.07.2013 . Научное издательство КИТ.