WikiDer > Пьезоэлектрическая плазма прямого разряда

Piezoelectric direct discharge plasma

Пьезоэлектрический прямой разряд (PDD) плазма это разновидность холодной неравновесной плазма, генерируемого прямым газовым разрядом высоковольтного пьезоэлектрического преобразователя. Он может воспламеняться в воздухе или других газах в широком диапазоне давлений, включая атмосферное. Благодаря компактности и эффективности пьезоэлектрического преобразователя этот метод генерации плазмы особенно компактен, эффективен и дешев. Он позволяет использовать широкий спектр промышленных, медицинских и бытовых приложений.

Фон

Холодное неравновесие плазма атмосферного давления могут образовываться высоковольтными разрядами в атмосфере различных рабочих газов. Следующие 3 типа электрических разрядов нашли наибольшее применение в промышленных процессах:

  • Электродуговые разряды представляют собой самоподдерживающиеся разряды постоянного тока, характеризующиеся высокими электрическими токами, которые снимаются с катода за счет интенсивной термоэлектронной и автоэлектронной эмиссии. Из-за сильных токов объем дуги достигает теплового равновесия с температурами 6,000 - 12,000 C. Хотя дуговый разряд может поддерживаться в режиме постоянного тока, импульсный режим более устойчив к дефектам быстро разрушающейся поверхности катода.
  • Коронные разряды возникают в областях сильных электрических полей с высокими градиентами поля, присутствующих вблизи острых краев высоковольтных электродов. Во избежание искрения такие электроды должны находиться вдали от электрических заземлений. Хотя для коронного разряда требуются довольно высокие напряжения, излучаемые электрические токи низкие, что приводит к низкой мощности разряда. Хотя работа на постоянном токе является стандартной для коронного разряда, работа на переменном токе увеличивает его мощность.
  • Диэлектрический барьерный разряд возникает между двумя электродами, разделенными диэлектриком, когда электроды смещены синусоидальным или импульсным высоким напряжением. Ток разряда исходит от поверхности диэлектрика. Мощность диэлектрического барьерного разряда значительно выше, чем у коронного разряда, но меньше по сравнению с дуговым разрядом.

Все эти типы электрических разрядов требуют высоковольтной электроники и высоковольтных кабелей. Они громоздкие, дорогие и в случае питания переменного тока могут быть очень неэффективными из-за диэлектрических потерь. Более того, в промышленных приложениях часто требуется высокая мощность порядка 1 кВт. Это предъявляет строгие требования безопасности к высоковольтным шкафам с открытыми электродами. Конструкция на основе нескольких маломощных высоковольтных модулей может улучшить аспекты безопасности. Точно так же объединение генератора высокого напряжения и разрядного электрода в один модуль должно снизить диэлектрические потери в кабелях. Однако до сих пор не найдено экономичного решения системы на базе маломощных модулей.

Принципы PDD

Пьезоэлектрический прямой разряд использует пьезоэлектрический преобразователь в качестве генератора переменного тока высокого напряжения. Сторона высокого напряжения этого трансформатора действует как электрод, генерирующий электрические разряды в воздухе или других рабочих газах, производящих плазму атмосферного давления.[1][2] Пьезоэлектрический трансформатор очень компактен и требует только источника переменного тока низкого напряжения малой мощности. Это позволяет сделать весь плазменный генератор исключительно компактным и дешевым, что позволяет создавать портативные плазменные генераторы или рентабельные массивы плазменных генераторов.

Пьезоэлектрический трансформаторы типа Rosen, которые могут быть изготовлены из цирконат титанат свинца, преобразовывают электрическую энергию переменного тока низкого напряжения в механические колебания.[3][4] Следовательно, эти механические колебания создают высокое напряжение переменного тока на другом конце трансформатора. Наибольшая амплитуда достигается при механических резонансах, которые обычно возникают на частотах от 10 до 500 кГц. Размеры пьезоэлектрического кристалла определяют резонансную частоту, а его диэлектрическая среда может вызывать небольшие сдвиги резонанса. Электроника низкого напряжения непрерывно регулирует частоту, чтобы трансформатор работал в резонансе. В резонансе такие трансформаторы имеют очень высокие коэффициенты преобразования напряжения до 1000 при напряжении 5-15 кВ.

Свойства плазмы

Электрические разряды, возникающие в газе со стороны высокого напряжения пьезоэлектрического преобразователя, обладают свойствами, обнаруженными также в коронных разрядах и разрядах с диэлектрическим барьером. В то время как первый режим возникает, когда сторона высокого напряжения пьезоэлектрического преобразователя работает вдали от заземления, последний режим возникает, когда он работает рядом с заземлением, разделенным диэлектриком. Возле открытых электрических площадок пьезоэлектрический преобразователь выдает периодические искры. Переход на электрическую дугу не происходит из-за ограниченной мощности трансформатора. Типичная мощность таких трансформаторов составляет порядка 10 Вт. Эффективность генерации плазмы достигает 90%, а оставшиеся 10% мощности теряются из-за механического нагрева пьезоэлектрического преобразователя.

Из-за низких электрических токов, характерных для диэлектрического барьера и коронных разрядов, прямой пьезоэлектрический разряд создает неравновесную плазму. Это означает, что составляющие его электроны, ионы и частицы нейтрального газа имеют различное распределение кинетической энергии. Температура нейтрального газа в объеме плазмы остается ниже 50 C. В то же время электроны и ионы достигают энергии 1 - 10 эВ. Это в 300 - 3000 раз больше, чем средняя энергия частиц нейтрального газа. Плотность электронов и ионов достигает 10−16 – 10−14 м−3. Поскольку большая часть объема плазмы состоит из холодного нейтрального газа, плазма холодная. Однако очень энергичные электроны и ионы возбуждают атомы и молекулы, производя большое количество короткоживущих химических соединений, что делает эту плазму химически очень активной.

Приложения

Свойства пьезоэлектрической плазмы прямого разряда позволяют находить широкое применение в медицинской технике, микробиологии и клинических исследованиях.[5] Типичные промышленные применения включают сверхтонкая очистка и плазменная активация металлических, керамических, стеклянных и пластиковых поверхностей. Такой плазменная обработка увеличивает поверхностная энергия улучшение смачиваемости поверхности и адгезия. Последнее увеличивает качество последующей печати или склейки.[6]

Очень компактные размеры плазменного генератора PDD расширяют сферу возможных применений до компактных устройств для лабораторных работ, портативных устройств, генераторов озона и даже потребительских товаров.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ M. Teschke и J. Engemann, Contrib. Plasma Phys. 49, 614 (2009)
  2. ^ M. Teschke и J. Engemann, US020090122941A1, заявка на патент США
  3. ^ C.A. Розен, К.А. Fish, H.C. Ротенберг, патент США № 2830274 (апрель 1958 г.)
  4. ^ C.A. Розен, в Solid State Magnetic and Dielectric Devices, под редакцией Х. В. Каца (John Wiley & Sons, Inc., Лондон, 1959), стр. 170–197.
  5. ^ А. Фридман, Г. Фридман, «Плазменная медицина», Wiley; 1 выпуск (11 февраля 2013 г.)
  6. ^ М. А. Либерман, Ал. Дж. Лихтенберг "Принципы плазменных разрядов и обработка материалов", Wiley-Interscience; 2-е издание (14 апреля 2005 г.)