Piezoelektrisk plasma med direkte utladning - Piezoelectric direct discharge plasma

Piezoelektriske direkte utladning ( PDD ) plasma er en form for kald ikke-likevektsplasma generert ved en direkte gassutladnings av en høy spenning piezoelektriske transformatoren. Det kan antennes i luft eller andre gasser i et bredt spekter av trykk, inkludert atmosfærisk. På grunn av kompaktheten og effektiviteten til den piezoelektriske transformatoren er denne metoden for plasmaproduksjon spesielt kompakt, effektiv og billig. Det muliggjør et bredt spekter av applikasjoner innen industri, medisin og forbruker.

Bakgrunn

Kalde atmosfæretrykk- ikke-likevektsplasmaer kan produseres ved høyspenningsutslipp i atmosfærene til forskjellige arbeidsgasser. Følgende tre typer elektriske utladninger fant de fleste bruksområder i industrielle prosesser:

  • Elektrisk lysbueutladning er selvbærende likestrømutladning preget av høye elektriske strømmer, som blir trukket fra katoden ved intensiv termionisk og feltutslipp. På grunn av de intense strømmer når buens volum termisk likevekt med temperaturer på 6.000 - 12.000 C. Mens lysbueutløpet kan opprettholdes i DC-modus, er en pulsert operasjon mer stabil mot ufullkommenheter i en raskt eroderende katodeoverflate.
  • Koronautladninger forekommer i regioner med høye elektriske felt med høye feltgradienter, nær skarpe kanter av høyspenningselektroder. For å forhindre gnisting, bør slike elektroder være langt fra det elektriske området. Mens koronautladninger krever ganske høye spenninger, er de elektriske strømene lave, noe som resulterer i lav utladningseffekt. Selv om likestrømsoperasjonen er standard for koronautladningen, øker vekselstrømseffekten sin.
  • Dielektrisk barriereutladning oppstår mellom to elektroder atskilt med et dielektrikum når elektrodene er forspent av en sinusbølge eller pulsert høyspenning. Utladningsstrømmen kommer fra overflaten av dielektrikumet. Effekten av den dielektriske barriereutladningen er betydelig høyere enn for koronautladningen, men mindre sammenlignet med lysbueutladningen.

Alle disse typene elektriske utladninger krever høyspenningselektronikk og høyspenningskabler. De er store, dyre, og i tilfelle vekselstrøm kan de være svært ineffektive på grunn av dielektriske tap. Videre krever industrielle applikasjoner ofte høy effekt i størrelsesorden 1 kW. Dette stiller strenge sikkerhetskrav til høyspentkapslinger med åpne elektroder. En konstruksjon basert på flere høyspenningsmoduler med lav effekt kan forbedre sikkerhetsaspektene. På samme måte bør innlemmelse av høyspenningsgeneratoren og utladningselektroden i en enkelt modul redusere dielektrisk tap i kablene. Imidlertid ble det hittil ingen kostnadseffektiv løsning på systemet basert på laveffektsmoduler funnet.

Prinsipper for PDD

Piezoelektrisk direkte utladning bruker en piezoelektrisk transformator som en generator av AC høyspenning. Høyspenningssiden til denne transformatoren fungerer som en elektrode som genererer elektriske utladninger i luften eller andre arbeidsgasser som produserer atmosfæretrykkplasmaer. Den piezoelektriske transformatoren er veldig kompakt og krever bare en kilde til lavspennings AC med lav effekt. Dette gjør at hele plasmageneratoren kan gjøres usedvanlig kompakt og billig, og muliggjør konstruksjon av håndholdte plasmageneratorer eller kostnadseffektive plasmageneratorarrays.

Piezoelektriske transformatorer av Rosen-typen, som kan være laget av bly-zirkonat-titanat , omdanner den elektriske energien i form av lavspennings-AC til mekaniske svingninger. Følgelig produserer disse mekaniske svingningene høyspennings AC i den andre enden av transformatoren. Den høyeste amplituden oppnås ved mekaniske resonanser, som forekommer ved frekvensene vanligvis mellom 10 kHz og 500 kHz. Dimensjonene til den piezoelektriske krystallen definerer resonansfrekvensen, mens dens dielektriske miljø kan forårsake små forskyvninger av resonansen. Lavspenningselektronikken justerer kontinuerlig frekvensen for å holde transformatoren i drift innen resonansen. Ved resonansen tilbyr slike transformatorer meget høye spenningsomregningsfaktorer opp til 1000 med spenninger på 5 - 15 kV.

Egenskaper av plasma

Elektriske utslipp produsert i gassen fra høyspenningssiden til den piezoelektriske transformatoren har egenskaper som også finnes i koronautslippene og i de dielektriske barriereutslippene. Mens førstnevnte modus oppstår når høyspenningssiden til den piezoelektriske transformatoren drives langt fra den elektriske jordingen, oppstår den siste modusen når den drives nær den elektriske jorda atskilt med et dielektrikum. Nær den åpne elektriske eiendommen produserer den piezoelektriske transformatoren periodiske gnister. Overgang til lysbuen skjer ikke på grunn av transformatorens begrensede kraft. Den typiske effekten til slike transformatorer er i størrelsesorden 10 W. Effektiviteten til plasmaproduksjonen når 90%, mens de resterende 10% av effekten går tapt på grunn av mekanisk og dielektrisk oppvarming av den piezoelektriske transformatoren.

På grunn av lave elektriske strømmer, typisk for den dielektriske barrieren og koronautladningene, produserer den piezoelektriske direkteutladningen et ikke-likevektsplasma. Dette betyr at dets bestanddeler, ioner og nøytrale gasspartikler har forskjellige kinetiske energifordelinger. Temperaturen på den nøytrale gassen i plasmavolumet forblir lavere enn 50 C. Samtidig når elektronene og ionene energier på 1 - 10 eV. Dette er 300 - 3000 ganger høyere enn gjennomsnittsenergien til de nøytrale gasspartiklene. Tettheten til elektronene og ionene når 10 16 - 10 14 m −3 . Siden det meste av plasmavolumet består av kald nøytral gass, er plasmaet kaldt. Imidlertid vekker de meget energiske elektronene og ionene atomer og molekyler som produserer store mengder kortvarige kjemiske arter, noe som gjør dette plasma kjemisk veldig aktivt.

applikasjoner

Egenskapene til de piezoelektriske plasmene for direkte utladning muliggjør et stort spekter av applikasjoner innen medisinsk teknologi, mikrobiologi og klinisk forskning. Typiske industrielle applikasjoner inkluderer ultrafin rengjøring og plasmaaktivering av overflater av metall, keramikk, glass og plast. Slik plasmabehandling øker overflatenergien og forbedrer overflatefuktbarheten og vedheftingen . Sistnevnte øker kvaliteten på påfølgende utskrift eller liming.

Svært kompakte dimensjoner av PDD-plasmageneratoren utvider sfæren for mulige applikasjoner til kompakte enheter for laboratoriearbeid, håndholdte applikasjoner, ozongeneratorer og til og med forbrukerprodukter.

Se også

Referanser

  1. ^ M. Teschke og J. Engemann, Contrib. Plasma Phys. 49, 614 (2009)
  2. ^ M. Teschke og J. Engemann, US020090122941A1, US patentsøknad
  3. ^ CA Rosen, KA Fish, HCRothenberg, US patent nr. 2.830.274 (april 1958)
  4. ^ CA Rosen, i Solid State Magnetic and Dielectric Devices, redigert av HW Katz (John Wiley & Sons, Inc., London, 1959) s. 170–197
  5. ^ A. Fridman, G. Friedman, "Plasma Medicine", Wiley; 1 utgave (11. februar 2013)
  6. ^ MA Lieberman, Al. J. Lichtenberg "Prinsipper for plasmautslipp og materialbehandling", Wiley-Interscience; 2. utgave (14. april 2005)