WikiDer > Диэлектрический барьерный разряд

Dielectric barrier discharge

Диэлектрический барьерный разряд (DBD) это электрический разряд между двумя электроды разделены изоляционным диэлектрик барьер. Первоначально назывался бесшумной (неслышной) разрядкой и также известен как озон выпуск продукции[1] или же частичная разрядка,[2] об этом впервые сообщил Эрнст Вернер фон Сименс в 1857 г.[3] Справа на схематической диаграмме показана типичная конструкция DBD, в которой один из двух электродов покрыт диэлектрическим барьерным материалом. Линии между диэлектриком и электродом представляют собой нити разряда, которые обычно видны невооруженным глазом. Ниже на фотографии показан атмосферный разряд DBD, возникающий между двумя стальными электродными пластинами, каждая из которых покрыта диэлектрик (слюда) простынь. Нити представляют собой столбы проводящей плазмы, а основание каждой нити представляет собой накопленный на поверхности заряд.

Типовая конструкция устройства DBD
Разряд с диэлектрическим барьером, созданный с использованием листов слюды в качестве диэлектрика, помещен на две стальные пластины в качестве электрода. Разряд происходит в нормальном атмосферном воздухе, с частотой около 30 кГц, с разрядным промежутком около 4 мм. «Фундаментом» разряда является накопление заряда на поверхности преграды.

Процесс

В процессе обычно используется высокое напряжение. переменный ток, начиная от нижнего РФ к микроволновая печь частоты.[4] Однако были разработаны другие методы, позволяющие расширить частотный диапазон вплоть до постоянного тока. Один из методов заключался в использовании слоя с высоким сопротивлением для покрытия одного из электродов. Это называется резистивным барьерным разрядом.[5] Другой метод с использованием полупроводникового слоя арсенида галлия (GaAs) для замены диэлектрического слоя, позволяет этим устройствам приводиться в действие постоянным напряжением от 580 В до 740 В.[6]

Строительство

Устройства DBD могут быть выполнены во многих конфигурациях, обычно плоских, с использованием параллельных пластин, разделенных диэлектрик или цилиндрической, используя коаксиальный пластины с диэлектрической трубкой между ними.[7] В обычной коаксиальной конфигурации диэлектрик имеет ту же форму, что и обычный флуоресцентный трубки. Он заполнен при атмосферном давлении или инертным газом, или инертным газом.галогенид смеси, при этом стеклянные стенки действуют как диэлектрический барьер. Из-за уровня атмосферного давления для поддержания таких процессов требуется высокий уровень энергии. Общие диэлектрические материалы включают стекло, кварц, керамику и полимеры. Расстояние между электродами значительно варьируется: от менее 0,1 мм в плазменных дисплеях, от нескольких миллиметров в генераторах озона до нескольких сантиметров в CO.2 лазеры.

В зависимости от геометрии DBD может создаваться в объеме (VDBD) или на поверхности (SDBD). Для VDBD плазма создается между двумя электродами, например, между двумя параллельными пластинами с диэлектриком между ними.[8] В SDBD микроразряды генерируются на поверхности диэлектрика, что приводит к более однородной плазме, чем можно получить с помощью конфигурации VDBD. [9] В SDBD микроразряды ограничены поверхностью, поэтому их плотность выше по сравнению с VDBD.[10] Плазма генерируется на поверхности пластины SDBD. Для легкого зажигания VDBD и получения равномерно распределенного разряда в промежутке можно использовать предыонизационный DBD.[11]

Особо компактный и экономичный плазменный генератор DBD может быть построен на принципах пьезоэлектрический прямой разряд. В этом методе высокое напряжение генерируется пьезопреобразователем, вторичная цепь которого действует также как электрод высокого напряжения. Поскольку материал трансформатора является диэлектриком, возникающий электрический разряд напоминает свойства диэлектрического барьерного разряда.[12][13]

Операция

Множество случайных дуг образуют в процессе работы зазор между двумя электродами более 1,5 мм при разрядах в газах при атмосферном давлении.[14] Когда заряды собираются на поверхности диэлектрика, они разряжаются за микросекунды (миллионные доли секунды), что приводит к их преобразованию в другом месте на поверхности. Как и в случае с другими методами электрического разряда, плазма поддерживается, если непрерывный источник энергии обеспечивает требуемую степень ионизация, преодолевая процесс рекомбинации, приводящий к гашению плазмы разряда. Такие рекомбинации прямо пропорциональны столкновениям между молекулами и, в свою очередь, давлению газа, как объясняется Закон Пашена. Процесс разряда вызывает выброс энергетического фотон, частота и энергия которого соответствуют типу газа, используемого для заполнения разрядного промежутка.

Приложения

Использование генерируемого излучения

DBD можно использовать для генерации оптического излучения за счет релаксации возбужденных частиц в плазме. Основное применение здесь - генерация УФ-излучения. Такой эксимерные ультрафиолетовые лампы может излучать свет с короткими длинами волн, которые можно использовать для получения озон в промышленных масштабах. Озон по-прежнему широко используется в промышленности для очистки воздуха и воды.[7] В попытках коммерческого производства азотной кислоты и аммиака в начале 20 века использовались DBD.[15] поскольку в качестве продуктов разряда образуется несколько азотно-кислородных соединений.[3]

Использование генерируемой плазмы

С XIX века DBD были известны тем, что разлагали различные газообразные соединения, такие как NH3, H2S и CO2. Другие современные области применения включают производство полупроводников, бактерицидные процессы, обработку поверхности полимеров, производство углекислого газа высокой мощности.2 лазеры, обычно используемые для сварки и резки металла, борьбы с загрязнением и плазменные панели, аэродинамический управление 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) поверхности материалов (например, полимеры, полупроводник поверхности), которые также могут действовать как диэлектрический барьер или изменять газы [16] далее применяется к «мягкому» плазменная очистка и увеличение адгезия поверхностей, подготовленных к покрытию или склеиванию (плоский дисплей технологии).

Диэлектрический барьерный разряд - это один из методов плазменной обработки текстильных изделий при атмосферном давлении и комнатной температуре. Обработка может использоваться для изменения поверхностных свойств текстиля для улучшения смачиваемость, улучшить поглощение красителей и адгезия, и для стерилизация. Плазма DBD обеспечивает сухую обработку, при которой не образуются сточные воды и не требуется сушка ткани после обработки. Для обработки текстиля системе DBD требуется несколько киловольт переменного тока, от 1 до 100 килогерц. Напряжение подается на изолированные электроды с зазором миллиметрового размера, через который проходит ткань.[17]

An эксимерная лампа может использоваться как мощный источник коротковолнового ультрафиолетового света, полезного в химических процессах, таких как очистка поверхности полупроводниковых пластин.[18] Лампа использует диэлектрический барьерный разряд в атмосфере ксенона и других газов для образования эксимеров.

Очистка воды

Дополнительный процесс при использовании хлор газ для удаления бактерий и органических загрязнений в системах питьевого водоснабжения.[19] Обработка общественных купален, аквариумов и рыбных прудов предполагает использование ультрафиолетовая радиация образуется, когда диэлектрическая смесь ксенон используются газ и стекло.[20][21]

Модификация поверхности материалов

Приложение, в котором можно успешно использовать DBD, - это изменение характеристик поверхности материала. Модификация может быть направлена ​​на изменение его гидрофильности, активацию поверхности, введение функциональных групп и так далее. Полимерные поверхности легко обрабатывать с помощью DBD, которые в некоторых случаях предлагают большую площадь обработки.[22]

Лекарство

Диэлектрические барьерные разряды использовались для генерации диффузной плазмы относительно большого объема при атмосферном давлении и применялись для инактивации бактерий в середине 1990-х годов.[23]В конечном итоге это привело к развитию новой области приложений - биомедицинских приложений плазмы. В области биомедицинских приложений появились три основных подхода: прямая терапия, модификация поверхности и плазменное нанесение полимеров. Плазменные полимеры могут контролировать и регулировать взаимодействия биологических материалов с биоматериалами (то есть адгезию, пролиферацию и дифференциацию) или подавление адгезии бактерий. [24]

Аэронавтика

Смотрите также: Электростатический жидкостный ускоритель

Интерес к плазменные актуаторы как активный управление потоком количество устройств быстро растет из-за отсутствия в них механических частей, небольшого веса и высокой частоты отклика.[25]

Характеристики

По своей природе эти устройства обладают следующими свойствами:

  • емкостная электрическая нагрузка: низкая Фактор силы в диапазоне от 0,1 до 0,3
  • высокое напряжение зажигания 1–10 кВ
  • огромное количество энергии, хранящейся в электрическом поле - потребность в рекуперации энергии, если DBD не управляется непрерывно
  • напряжения и токи во время разряда имеют большое влияние на поведение разряда (нитевидный, однородный).

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

Схема проезда

Драйверы для этого типа электрической нагрузки - это силовые ВЧ-генераторы, которые во многих случаях содержат трансформатор для генерации высокого напряжения. Они напоминают механизм управления, используемый для управления компактные люминесцентные лампы или же люминесцентные лампы с холодным катодом. Режим работы и топология схем для работы ламп [DBD] с непрерывным синусоидальным или прямоугольным сигналом аналогичны стандартным драйверам. В этих случаях энергия, которая хранится в емкости DBD, не должна возвращаться в промежуточный источник питания после каждого зажигания. Вместо этого он остается в цепи (колеблется между емкостью [DBD] и, по крайней мере, одним индуктивным компонентом цепи) и только Реальная власть, потребляемый лампой, должен поступать от источника питания. Иными словами, драйверы для импульсной работы имеют довольно низкий коэффициент мощности и во многих случаях должны полностью восстанавливать энергию DBD. Поскольку импульсный режим работы ламп [DBD] может привести к повышению эффективности лампы, международные исследования привели к подходящим схемам. Базовые топологии резонансны лететь обратно[26] и резонансный полумост.[27] Гибкая схема, объединяющая две топологии, представлена ​​в двух патентных заявках,[28][29] и может использоваться для адаптивного управления DBD с переменной емкостью.

Обзор различных схемных концепций для импульсной работы источников оптического излучения DBD приведен в «Резонансном поведении генераторов импульсов для эффективного управления источниками оптического излучения на основе диэлектрических барьерных разрядов».[30]

Рекомендации

  1. ^ Мацуно, Хиромицу, Нобуюки Хисинума, Кеничи Хиросе, Кунио Касаги, Фумитоси Такемото, Ёсинори Айура и Тацуши Игараси. Лампа с диэлектрическим барьерным разрядом, патент США 5757132 (Коммерческий сайт). Freepatentsonline.com. Впервые опубликовано 26 мая 1998 г. Проверено 5 августа 2007.
  2. ^ Дали, С.К .; Сарджа, И. (1989). «Диэлектрический барьерный разряд для удаления SO / Sub 2 / из дымовых газов». Международная конференция IEEE по науке о плазме. п. 150. Дои:10.1109 / PLASMA.1989.166255. S2CID 116292525.
  3. ^ а б Когельшац, Ульрих, Бальдур Элиассон и Вальтер Эгли. От генераторов озона до плоских телевизионных экранов: история и будущий потенциал разрядов с диэлектрическим барьером. Чистая прикладная химия, Vol. 71, No. 10, pp. 1819-1828, 1999. Проверено 5 августа 2007 г.
  4. ^ «Распределение аэрозольного заряда в диэлектрических барьерных разрядах» (PDF). Дата публикации 2009 г.. Европейская конференция по аэрозолям 2009 г. Карлсруэ. Архивировано из оригинал (PDF) 19 июля 2011 г.. Получено 2010-12-10.
  5. ^ М. Ларусси, И. Алексефф, Дж. П. Ричардсон и Ф. Ф. Дайер «Резистивный барьерный разряд», IEEE Trans. Plasma Sci. 30, 158 (2002)
  6. ^ «Формирование структуры в« барьерном »разряде постоянного тока, анализ устойчивости и численные решения» (PDF). Дата публикации 15–20 июля 2007 г.. ICPIG Прага, Чешская Республика. Получено 9 декабря 2010.
  7. ^ а б Краус, Мартин, Бальдур Элиассон, Ульрих Когельшатцб и Александр Вокауна. CO2 риформинг метана сочетанием разрядов с диэлектрическим барьером и катализа Физическая химия Химическая физика, 2001, 3, 294-300. Проверено 5 августа 2007.
  8. ^ Motrescu, I .; Ciolan, M. A .; Sugiyama, K .; Кавамура, Н. и Нагацу, М. (2018). «Использование предыонизационных электродов для создания больших объемов, плотно распределенных нитевидных диэлектрических барьерных разрядов для обработки поверхности материалов». Источники плазмы Наука и технологии. 27 (11): 115005. Bibcode:2018PSST ... 27k5005M. Дои:10.1088 / 1361-6595 / aae8fd.
  9. ^ Гибалов В. И., Пич Г. Дж. (2000). «Развитие диэлектрических барьерных разрядов в газовых зазорах и на поверхностях». Журнал физики D: Прикладная физика. 33 (20): 2618–2636. Bibcode:2000JPhD ... 33,2618G. Дои:10.1088/0022-3727/33/20/315.
  10. ^ Radacsi, N .; Van der Heijden, A. E. D. M .; Станкевич, А. И .; тер Хорст, Дж. Х. (2013). «Холодно-плазменный синтез высококачественных органических наночастиц при атмосферном давлении». Журнал исследований наночастиц. 15 (2): 1–13. Bibcode:2013JNR .... 15.1445R. Дои:10.1007 / s11051-013-1445-4. S2CID 97236015.
  11. ^ Motrescu, I .; Ciolan, M. A .; Sugiyama, K .; Кавамура, Н. и Нагацу, М. (2018). «Использование предыонизационных электродов для создания больших объемов, плотно распределенных нитевидных диэлектрических барьерных разрядов для обработки поверхности материалов». Источники плазмы Наука и технологии. 27 (11): 115005. Bibcode:2018PSST ... 27k5005M. Дои:10.1088 / 1361-6595 / aae8fd.
  12. ^ M. Teschke и J. Engemann, Contrib. Plasma Phys. 49, 614 (2009)
  13. ^ M. Teschke и J. Engemann, US020090122941A1, заявка на патент США
  14. ^ «Диэлектрические разряды. Принципы и применения» (PDF). ABB Corporate Research Ltd., Баден, Швейцария. 11 октября 1997 г.. Получено 19 января 2013.
  15. ^ Чисхолм, Хью, изд. (1911). «Азот». Британская энциклопедия. 16 (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета. С. 714–716.
  16. ^ Евгений В. Шунько и Вениамин В. Белкин. «Очищающие свойства атомарного кислорода, возбужденного до метастабильного состояния 2s [sup 2] 2p [sup 4] ([sup 1] S [sub 0])». Журнал прикладной физики. (2007) J. Appl. Phys. 102: 083304–1–14. Bibcode:2007JAP ... 102х3304С. Дои:10.1063/1.2794857.
  17. ^ Текстильный институт, Экологичный текстиль, CRC Press, ISBN 978-1-84569-453-1 стр. 156
  18. ^ «Диэлектрик». Siliconfareast.com 2001-2006 гг.. Получено 8 января 2011.
  19. ^ «Система диэлектрического барьерного разряда с каталитически активным пористым сегментом для улучшения очистки воды» (PDF). Физический факультет Западночешского университета, Univerzitni 22, 306 14 Plzen, Чешская Республика, 2008 г.. Получено 9 января 2011.
  20. ^ "УФ против хлора". Atguv.com 2010. Получено 9 января 2011.
  21. ^ «Газоразрядная лампа с диэлектрическим барьером, содержащая люминофор УФ-В». Freepatentsonline.com 21.12.2010. Получено 9 января 2011.
  22. ^ Nagatsu, M .; Sugiyama, K .; Motrescu, I .; Ciolan, M. A .; Огино, А., Кавамура, Н. (2018). «Модификация поверхности фторсодержащих смол с использованием устройства для разряда с диэлектрическим барьером с удлиненными параллельными пластинами». Журнал науки и технологий фотополимеров. 31 (3): 379–383. Дои:10.2494 / фотополимер. 31.379.
  23. ^ M. Laroussi, "Стерилизация загрязненных материалов плазмой атмосферного давления", IEEE Trans. Plasma Sci. 24, 1188 (1996)
  24. ^ Чуба, Уршула; Кинтана, Роберт; Де Пау-Жилле, Мари-Клер; Бургиньон, Максим; Морено-Куранжу, Мэрилин; Александр, Майкл; Детремблер, Кристоф; Шоке, Патрик (июнь 2018 г.). «Атмосферное плазменное осаждение слоев метакрилата, содержащих катехол / хиноновые группы: альтернатива биоконъюгированию полидофамина для биомедицинских приложений». Передовые медицинские материалы. 7 (11): 1701059. Дои:10.1002 / adhm.201701059. PMID 29577666. S2CID 4327417.
  25. ^ Рот, Дж. Рис (2001). «Глава 15.3. Атмосферные диэлектрические барьерные разряды (DBD)». Промышленная плазменная инженерия: Том 2: Приложения к нетепловой плазменной обработке (1-е изд.). CRC Press. ISBN 978-0750305440.
  26. ^ Эль-Дейб, А .; Dawson, F .; Van Eerdent, G .; Bhosle, S .; Зиссис, Г. (2010). «Управляемый током драйвер для лампы диэлектрического барьерного разряда». Международная конференция по силовой электронике 2010 г. - ECCE ASIA -. Дата публикации 21–24 июня 2010 г.. Конференция по силовой электронике (IPEC) 2010 International. С. 2331–2338. Дои:10.1109 / IPEC.2010.5543677. ISBN 978-1-4244-5394-8. S2CID 47493560.
  27. ^ «Резонансное поведение импульсного электронного устройства управления диэлектрическими барьерными разрядами». Силовая электроника, машины и приводы (PEMD 2010), 5-я Международная конференция IET по.
  28. ^ «Название заявки на патент: Устройство для генерации последовательностей импульсов напряжения, в частности, для работы емкостных разрядных ламп». Дата публикации 2005 г.. Университет Карлсруэ. Получено 23 мая 2011.
  29. ^ «Название патентной заявки: Адаптивный привод для лампы с диэлектрическим барьерным разрядом (DBD)». Дата публикации 2008 г.. Поместье Брайарклифф, Нью-Йорк нас. Получено 9 декабря 2010.
  30. ^ «Резонансное поведение генераторов импульсов для эффективного привода оптических источников излучения на основе диэлектрических барьерных разрядов». Дата публикации 10.07.2013. КИТ Научное издательство.