Dielektrisk barriereutslipp - Dielectric barrier discharge
Dielektrisk barriereutladning ( DBD ) er den elektriske utladningen mellom to elektroder atskilt med en isolerende dielektrisk barriere. Opprinnelig kalt stille (hørbar) utladning, og også kjent som ozon produksjon utladning eller partiell utladning , ble det først rapportert av Ernst Werner von Siemens i 1857.
Prosess
Prosessen bruker normalt høyspennings vekselstrøm , alt fra lavere RF til mikrobølge frekvenser. Imidlertid ble andre metoder utviklet for å utvide frekvensområdet helt ned til DC. En metode var å bruke et lag med høy resistivitet for å dekke en av elektrodene. Dette er kjent som den resistive barriereutladningen. En annen teknikk som bruker et halvlederlag av galliumarsenid ( GaAs ) for å erstatte det dielektriske laget, gjør at disse enhetene kan drives av en likestrømsspenning mellom 580 V og 740 V.
Konstruksjon
DBD -enheter kan lages i mange konfigurasjoner, vanligvis plane, ved bruk av parallelle plater atskilt med et dielektrisk eller sylindrisk, ved hjelp av koaksialplater med et dielektrisk rør mellom dem. I en vanlig koaksial konfigurasjon er dielektrikumet formet i samme form som vanlig fluorescerende rør. Det er fylt til atmosfæretrykk med enten en edelgass eller gass- sjelden halogenid blanding, med glassveggene som virker som dielektrikum barriere. På grunn av det atmosfæriske trykknivået krever slike prosesser høye energinivåer for å opprettholde. Vanlige dielektriske materialer inkluderer glass, kvarts, keramikk og polymerer. Gapeavstanden mellom elektrodene varierer betydelig, fra mindre enn 0,1 mm i plasmaskjermer, flere millimeter i ozongeneratorer og opptil flere centimeter i CO 2 -lasere.
Avhengig av geometrien kan DBD genereres i et volum (VDBD) eller på en overflate (SDBD). For VDBD genereres plasma mellom to elektroder, for eksempel mellom to parallelle plater med et dielektrikum i mellom. Ved SDBD genereres mikroavladningene på overflaten av et dielektrikum, noe som resulterer i et mer homogent plasma enn det som kan oppnås ved bruk av VDBD -konfigurasjonen. Ved SDBD er mikroavladningene begrenset til overflaten, derfor er dens tetthet høyere sammenlignet med VDBD. Plasmaet genereres på toppen av overflaten av en SDBD -plate. For lett å tenne VDBD og oppnå en jevnt fordelt utslipp i gapet, kan en pre-ionisering DBD brukes.
En spesiell kompakt og økonomisk DBD -plasmagenerator kan bygges basert på prinsippene for den piezoelektriske direkte utladningen . I denne teknikken genereres høyspenningen med en piezo-transformator, hvis sekundære krets også fungerer som høyspenningselektroden. Siden transformatormaterialet er et dielektrikum, ligner den produserte elektriske utladningen egenskapene til den dielektriske barriereutladningen.
Operasjon
Et mangfold av tilfeldige buer dannes i drift gap over 1,5 mm mellom de to elektrodene under utladninger i gasser ved atmosfæretrykket. Når ladningene samler seg på overflaten av dielektrikumet, slipper de ut i mikrosekunder (milliontedeler av et sekund), noe som fører til reformasjon av dem andre steder på overflaten. I likhet med andre elektriske utladningsmetoder opprettholdes det inneholdte plasmaet hvis den kontinuerlige energikilden gir den nødvendige graden av ionisering , og overvinner rekombinasjonsprosessen som fører til utryddelse av utslippsplasmaet. Slike rekombinasjoner er direkte proporsjonale med kollisjonene mellom molekylene og igjen til trykket av gassen, som forklart av Paschens lov . Utladningsprosessen forårsaker utslipp av en energisk foton , hvis frekvens og energi tilsvarer typen gass som brukes til å fylle utslippshullet.
applikasjoner
Bruk av generert stråling
DBD kan brukes til å generere optisk stråling ved avslapning av eksiterte arter i plasmaet. Hovedapplikasjonen her er generering av UV-stråling. Slike excimer ultrafiolette lamper kan produsere lys med korte bølgelengder som kan brukes til å produsere ozon i industrielle skalaer. Ozon brukes fortsatt mye i industriell luft- og vannbehandling. Tidlige forsøk på 1900-tallet med kommersiell salpetersyre og ammoniakkproduksjon brukte DBDer da flere nitrogen-oksygenforbindelser genereres som utslippsprodukter.
Bruk av det genererte plasmaet
Siden 1800 -tallet var DBD kjent for sin nedbrytning av forskjellige gassformige forbindelser, for eksempel NH 3 , H 2 S og CO 2 . Andre moderne applikasjoner inkluderer halvlederproduksjon, bakteriedrepende prosesser, polymeroverflatebehandling, CO 2- lasere med høy effekt som vanligvis brukes til sveising og metallskjæring, forurensningskontroll og plasmaskjermer , aerodynamisk strømningskontroll ... Den relativt lavere temperaturen på DBD gjør det til en attraktiv metode for å generere plasma ved atmosfærisk trykk.
Industri
Plasmaet i seg selv brukes til å modifisere eller rengjøre ( plasmarengjøring ) overflater av materialer (f.eks. Polymerer , halvlederoverflater ), som også kan fungere som dielektrisk barriere, eller for å modifisere gasser som brukes videre til "myk" plasmarengjøring og økende vedheft av overflater som er forberedt for belegg eller liming ( flatskjermsteknologi ).
En dielektrisk barriereutladning er en metode for plasmabehandling av tekstiler ved atmosfærisk trykk og romtemperatur. Behandlingen kan brukes til å modifisere tekstilens overflateegenskaper for å forbedre fuktigheten , forbedre absorpsjonen av fargestoffer og vedheft , og for sterilisering . DBD -plasma gir en tørr behandling som ikke genererer avløpsvann eller krever tørking av stoffet etter behandling. For tekstilbehandling krever et DBD -system noen få kilovolt vekselstrøm, mellom 1 og 100 kilohertz. Spenning tilføres isolerte elektroder med et millimeterstørrelse som tekstilet passerer gjennom.
En excimerlampe kan brukes som en kraftig kilde til ultrafiolett lys med kort bølgelengde, nyttig i kjemiske prosesser som overflaterengjøring av halvlederplater. Lampen er avhengig av en dielektrisk barriereutladning i en atmosfære av xenon og andre gasser for å produsere eksimerne.
Vannbehandling
En ekstra prosess ved bruk av klorgass for fjerning av bakterier og organiske forurensninger i drikkevannsforsyninger. Behandling av offentlige svømmebad, akvarier og fiskedammer innebærer bruk av ultrafiolett stråling produsert når en dielektrisk blanding av xenongass og glass brukes.
Overflatemodifisering av materialer
En applikasjon der DBDer kan brukes med hell, er å endre egenskapene til en materialoverflate. Modifikasjonen kan målrette en endring i dens hydrofilitet, overflateaktivering, introduksjon av funksjonelle grupper og så videre. Polymeriske overflater er enkle å behandle ved hjelp av DBD -er som i noen tilfeller gir et høyt behandlingsområde.
Medisin
Dielektriske barriereutslipp ble brukt til å generere relativt store volum diffuse plasma ved atmosfærisk trykk og påført inaktivering av bakterier på midten av 1990 -tallet. Dette førte til slutt til utviklingen av et nytt anvendelsesområde, de biomedisinske applikasjonene av plasma. Innen biomedisinsk anvendelse har tre hovedmetoder dukket opp: direkte terapi, overflatemodifisering og plasmapolymeravsetning. Plasmapolymerer kan kontrollere og styre biologisk -biomateriale interaksjoner (dvs. vedheft, spredning og differensiering) eller inhibering av bakterieadhesjon.
Luftfart
Interessen for plasmaaktuatorer som aktive strømningskontrollenheter vokser raskt på grunn av mangel på mekaniske deler, lett vekt og høy responsfrekvens.
Egenskaper
På grunn av deres natur har disse enhetene følgende egenskaper:
- kapasitiv elektrisk belastning: lav effektfaktor i området 0,1 til 0,3
- høy tenningsspenning 1–10 kV
- enorm mengde energi lagret i elektrisk felt - krav til energigjenvinning hvis DBD ikke drives kontinuerlig
- spenninger og strømmer under utladningshendelse har stor innflytelse på utladningsatferd (filamentert, homogent).
Drift med kontinuerlige sinusbølger eller firkantbølger brukes mest i industrielle installasjoner med høy effekt. Pulsert drift av DBD kan føre til høyere utslippseffektivitet.
Kjøringskretser
Drivere for denne typen elektrisk belastning er kraft-HF-generatorer som i mange tilfeller inneholder en transformator for høyspenning. De ligner på kontrollutstyret som brukes til å betjene kompakte lysrør eller kalde katodlysrør . Driftsmodusen og topologiene til kretser for å betjene [DBD] lamper med kontinuerlige sinus- eller firkantbølger ligner de vanlige driverne. I disse tilfellene trenger ikke energien som er lagret i DBDs kapasitans å gjenvinnes til mellomforsyningen etter hver tenning. I stedet forblir den innenfor kretsen (svinger mellom [DBD] s kapasitans og minst en induktiv komponent i kretsen) og bare den virkelige effekten , som forbrukes av lampen, må leveres av strømforsyningen. Ulikt lider drivere for pulserende drift av en ganske lav effektfaktor og må i mange tilfeller gjenopprette DBDs energi fullt ut. Siden pulserende drift av [DBD] lamper kan føre til økt lampeffektivitet, førte internasjonal forskning til å passe kretsbegreper. Grunnleggende topologier er resonans flyback og resonant halvbro . En fleksibel krets som kombinerer de to topologiene er gitt i to patentsøknader, og kan brukes til å adaptivt drive DBD -er med varierende kapasitans.
En oversikt over forskjellige kretsbegreper for den pulserende driften av optiske DBD -strålekilder er gitt i "Resonant Behavior of Pulse Generators for the Efficient Drive of Optical Radiation Sources Based on Dielectric Barrier Discharges".