Диэлектрический барьерный разряд
Диэлектрический барьерный разряд ( DBD ) — это электрический разряд между двумя электродами, разделенными изолирующим диэлектрическим барьером. Первоначально назывался бесшумным (неразборчивым) разрядом, а также известен как озона. выброс при производстве [1] или частичный разряд , [2] Впервые об этом сообщил Эрнст Вернер фон Сименс в 1857 году. [3]
Процесс
[ редактировать ]В этом процессе обычно используется переменный ток высокого напряжения в диапазоне от низких радиочастотных до микроволновых частот. [4] Однако были разработаны другие методы для расширения диапазона частот вплоть до постоянного тока. Один из методов заключался в использовании слоя с высоким удельным сопротивлением для покрытия одного из электродов. Это явление известно как резистивный барьерный разряд. [5] Другой метод, использующий полупроводниковый слой арсенида галлия ( GaAs ) вместо диэлектрического слоя, позволяет этим устройствам управляться постоянным напряжением от 580 В до 740 В. [6]
Строительство
[ редактировать ]Устройства DBD могут быть выполнены во многих конфигурациях, обычно 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 инертных газов и галогенидов , при этом стеклянные стенки действуют как диэлектрический барьер. Из-за уровня атмосферного давления для поддержания таких процессов требуются высокие уровни энергии. Обычные диэлектрические материалы включают стекло, кварц, керамику и полимеры. Расстояние между электродами значительно варьируется: от менее 0,1 мм в плазменных дисплеях, нескольких миллиметров в генераторах озона и до нескольких сантиметров в CO 2 -лазерах.
В зависимости от геометрии DBD может генерироваться в объеме (VDBD) или на поверхности (SDBD). В случае 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 при использовании конфигурации VDBD. [9] При СДБД микроразряды ограничены поверхностью, поэтому их плотность выше, чем при ВДБД. [10] Плазма генерируется на поверхности пластины SDBD. Для легкого зажигания ВДБД и получения равномерного распределения разряда в зазоре можно использовать предионизационную ДБР. [8]
На принципах прямого пьезоэлектрического разряда может быть построен особый компактный и экономичный плазменный генератор ДБР . В этом методе высокое напряжение генерируется с помощью пьезотрансформатора, вторичная цепь которого действует также как электрод высокого напряжения. Поскольку материал трансформатора является диэлектриком, возникающий электрический разряд по свойствам напоминает диэлектрический барьерный разряд. [11] [12]
Операция
[ редактировать ]В рабочем зазоре между двумя электродами при разрядах в газах атмосферного давления образуется множество случайных дуг. [13] Когда 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 это объясняется законом Пашена . Процесс разряда вызывает испускание энергичного фотона , частота и энергия которого соответствуют типу газа, используемого для заполнения разрядного промежутка.
Приложения
[ редактировать ]Использование генерируемого излучения
[ редактировать ]DBD можно использовать для генерации оптического излучения путем релаксации возбужденных частиц в плазме. Основное применение здесь – генерация УФ-излучения. Такие эксимерные ультрафиолетовые лампы могут генерировать свет с короткими длинами волн, который можно использовать для производства озона в промышленных масштабах. Озон до сих пор широко используется в промышленной очистке воздуха и воды. [7] В попытках коммерческого производства азотной кислоты и аммиака в начале 20 века использовались DBD. [14] так как в качестве продуктов сброса образуется несколько азотно-кислородных соединений. [3]
Использование генерируемой плазмы
[ редактировать ]С XIX века ДБД были известны тем, что они разлагают различные газообразные соединения, такие как NH 3 , H 2 S и CO 2 . Другие современные области применения включают производство полупроводников, бактерицидные процессы, обработку поверхности полимеров, мощные CO2 - лазеры, обычно используемые для сварки и резки металлов, контроль загрязнения и плазменные панели , управление аэродинамическим потоком ... Относительно более низкая температура DBD делает его привлекательный метод генерации плазмы при атмосферном давлении.
Промышленность
[ редактировать ]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. [15] применяется в дальнейшем для «мягкой» плазменной очистки и повышения адгезии поверхностей, подготовленных к нанесению покрытия или склеиванию ( плоскопанельных дисплеев технологии ).
Диэлектрический барьерный разряд — один из методов плазменной обработки тканей при атмосферном давлении и комнатной температуре. Обработку можно использовать для изменения свойств поверхности текстиля для улучшения смачиваемости , улучшения впитывания красителей и адгезии , а также для стерилизации . 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 частотой от 1 до 100 килогерц. Напряжение подается на изолированные электроды с зазором размером в миллиметр, через который проходит текстиль. [16]
Эксимерную лампу можно использовать в качестве мощного источника коротковолнового ультрафиолетового света, полезного в химических процессах, таких как очистка поверхности полупроводниковых пластин. [17] В лампе используется диэлектрический барьерный разряд в атмосфере ксенона и других газов для производства эксимеров.
Очистка воды
[ редактировать ]Дополнительный процесс при использовании газообразного хлора для удаления бактерий и органических загрязнений из питьевой воды. [18] Обработка общественных бань, аквариумов и прудов с рыбой предполагает использование ультрафиолетового излучения диэлектрической смеси ксенона и стекла. , получаемого при использовании [19] [20]
Модификация поверхности материалов
[ редактировать ]Применение, 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 т.д. Полимерные поверхности легко обрабатывать с помощью DBD, которые в некоторых случаях имеют большую площадь обработки. [21] [22]
Лекарство
[ редактировать ]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 применения — биомедицинскому применению плазмы. В области биомедицинских применений возникли три основных подхода: прямая терапия,модификация поверхности и плазменное осаждение полимеров. Плазменные полимеры могут контролировать и управлять взаимодействиями биологического и биоматериала (т.е. адгезией, пролиферацией и дифференцировкой) или ингибированием адгезии бактерий. [24]
Воздухоплавание
[ редактировать ]Интерес к плазменным актуаторам как активным устройствам управления потоком быстро растет из-за отсутствия в них механических частей, малого веса и высокой частоты срабатывания. [25]
Характеристики
[ редактировать ]По своей природе эти устройства обладают следующими свойствами:
- емкостная электрическая нагрузка: низкий коэффициент мощности в диапазоне от 0,1 до 0,3.
- высокое напряжение зажигания 1–10 кВ
- огромное количество энергии, запасенной в электрическом поле – необходимость рекуперации энергии, если DBD не работает непрерывно
- напряжения и токи во время разряда оказывают большое влияние на поведение разряда (нитевидный, однородный).
Работа с непрерывными синусоидальными или прямоугольными волнами чаще всего используется в промышленных установках большой мощности. Импульсная работа DBD может привести к более высокой эффективности разряда.
Схемы вождения
[ редактировать ]Драйверами этого типа электрической нагрузки являются силовые ВЧ-генераторы, которые во многих случаях содержат трансформатор для генерации высокого напряжения. Они напоминают механизм управления, используемый для работы компактных люминесцентных ламп или люминесцентных ламп с холодным катодом . Режим работы и топология схем управления лампами ДБД с непрерывными синусоидальными или прямоугольными импульсами аналогичны стандартным драйверам. В этих случаях энергию, запасенную в емкости DBD, не требуется возвращать в промежуточный источник питания после каждого зажигания. Вместо этого он остается внутри цепи (колеблется между емкостью [DBD] и хотя бы одним индуктивным компонентом цепи), и от источника питания должна обеспечиваться только реальная мощность , потребляемая лампой. И наоборот, драйверы для импульсного режима работы имеют довольно низкий коэффициент мощности и во многих случаях должны полностью восстанавливать энергию ДБР. Поскольку импульсная работа ламп [DBD] может привести к повышению эффективности ламп, международные исследования привели к разработке соответствующих концепций схем. Базовые топологии резонансны обратный ход [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 схемотехнических решений импульсной работы источников оптического излучения ДБР дан в статье «Резонансное поведение генераторов импульсов для эффективного привода источников оптического излучения на основе диэлектрических барьерных разрядов». [30]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ 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.
- ^ Дали, СК; 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 .
- ^ Jump up to: а б Когельшац, Ульрих, Бальдур Элиассон и Вальтер Эгли. От генераторов озона до плоских телевизионных экранов: история и будущие возможности диэлектрических барьерных разрядов . Чистая прикладная химия, Vol. 71, № 10, стр. 1819–1828, 1999. Проверено 5 августа 2007 г.
- ^ «Распределение заряда аэрозоля в диэлектрических барьерных разрядах» (PDF) . Дата публикации 2009 год . Европейская конференция по аэрозолям 2009 г., Карлсруэ. Архивировано из оригинала (PDF) 19 июля 2011 года . Проверено 10 декабря 2010 г.
- ^ М. Ларусси, И. Алексефф, Дж. П. Ричардсон и Ф. Ф. Дайер «Резистивный барьерный разряд», IEEE Trans. Плазменная наука. 30, 158 (2002)
- ^ «Формирование структуры в «барьерном» разряде постоянного тока, анализ устойчивости и численные решения» (PDF) . Дата публикации 15–20 июля 2007 г. ICPIG Прага, Чехия . Проверено 9 декабря 2010 г.
- ^ Jump up to: а б Краус, Мартин, Бальдур Элиассон, Ульрих Когельшацб и Александр Вокауна. Риформинг CO 2 метана сочетанием диэлектрического барьерного разряда и катализа. Физическая химия Химическая физика, 2001, 3, 294-300. Проверено 5 августа 2007 г.
- ^ Jump up to: а б Мотреску, И.; Чолан, Массачусетс; Сугияма, К.; Кавамура Н. и Нагацу М. (2018). «Использование предионизационных электродов для получения крупнообъемных, плотно распределенных нитевидных диэлектрических барьерных разрядов для обработки поверхности материалов». Плазменные источники Наука и технологии . 27 (11): 115005. Бибкод : 2018ПССТ...27к5005М . дои : 10.1088/1361-6595/aae8fd . S2CID 105864329 .
- ^ Гибалов В.И. и Питч Г.Дж. (2000). «Развитие диэлектрических барьерных разрядов в газовых зазорах и на поверхностях». Журнал физики D: Прикладная физика . 33 (20): 2618–2636. Бибкод : 2000JPhD...33.2618G . дои : 10.1088/0022-3727/33/20/315 . S2CID 250790252 .
- ^ Радачи, Н.; Ван дер Хейден, AEDM; Станкевич, А.И.; тер Хорст, Дж. Х. (2013). «Холодноплазменный синтез высококачественных органических наночастиц при атмосферном давлении». Журнал исследований наночастиц . 15 (2): 1–13. Бибкод : 2013JNR....15.1445R . дои : 10.1007/s11051-013-1445-4 . S2CID 97236015 .
- ^ М. Тешке и Дж. Энгеманн, Contrib. Физика плазмы. 49, 614 (2009)
- ^ М. Тешке и Дж. Энгеманн, US020090122941A1, заявка на патент США.
- ^ «Диэлектрический барьерный разряд. Принцип и применение» (PDF) . ABB Corporate Research Ltd., Баден, Швейцария. 11 октября 1997 года . Проверено 19 января 2013 г.
- ^ Чисхолм, Хью , изд. (1911). . Британская энциклопедия . Том. 16 (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета. стр. 714–716.
- ^ Евгений В. Шунько и Вениамин В. Белкин (2007). «Очистительные свойства атомарного кислорода, возбужденного в метастабильное состояние 2s». 2 2р 4 ( 1 S 0 )". Журнал прикладной физики . 102 (8). (2007) J. Appl. Phys.: 083304–1–14. Bibcode : 2007JAP...102h3304S . doi : 10.1063/1.2794857 .
- ^ Текстильный институт, Устойчивый текстиль , CRC Press, ISBN 978-1-84569-453-1 стр. 156
- ^ «Диэлектрик» . Siliconfareast.com, 2001–2006 гг . Проверено 8 января 2011 г.
- ^ «Система диэлектрического барьерного разряда с каталитически активным пористым сегментом для улучшения очистки воды» (PDF) . Кафедра физики, Западночешский университет, Univerzitni 22, 306 14 Plzen, Чешская Республика, 2008 г. Проверено 9 января 2011 г.
- ^ «УФ против хлора» . Atguv.com 2010 . Проверено 9 января 2011 г.
- ^ «Разрядная лампа с диэлектрическим барьером, содержащая люминофор УФ-В» . Freepatentsonline.com, 21 декабря 2010 г. Проверено 9 января 2011 г.
- ^ Нагацу, М.; Сугияма, К.; Мотреску, И.; Чолан, Массачусетс; Огино А. и Кавамура Н. (2018). «Модификация поверхности фторсодержащих смол с использованием устройства диэлектрического барьерного разряда с удлиненными параллельными пластинами» . Журнал фотополимерной науки и технологий . 31 (3): 379–383. дои : 10.2494/фотополимер.31.379 .
- ^ Сиван, Маникандан (15 октября 2020 г.). «Влияние плазменной обработки на объемные свойства нановолоконных матов из поликапролактона, изготовленных методом необычного электропрядения на переменном токе: сравнительное исследование» . Технология поверхностей и покрытий . 399 : 126203. doi : 10.1016/j.surfcoat.2020.126203 . ISSN 0257-8972 . S2CID 224924026 .
- ^ М. Ларусси, «Стерилизация загрязненных веществ плазмой атмосферного давления», IEEE Trans. Плазменная наука. 24, 1188 (1996)
- ^ Чуба, Урсула; Кинтана, Роберт; Де По-Жилле, Мари-Клер; Бургиньон, Максим; Морено-Куранжу, Мэрилин; Александр, Майкл; Детремблер, Кристоф; Шоке, Патрик (июнь 2018 г.). «Атмосферно-плазменное осаждение слоев метакрилата, содержащих катехол/хиноновые группы: альтернатива биоконъюгации полидофамина для биомедицинских применений». Передовые материалы по здравоохранению . 7 (11): 1701059. doi : 10.1002/adhm.201701059 . ПМИД 29577666 . S2CID 4327417 .
- ^ Рот, Дж. Рис (2001). «Глава 15.3 Атмосферные диэлектрические барьерные разряды (DBD)». Промышленная плазменная технология: Том 2: Применение нетермической плазменной обработки (1-е изд.). ЦРК Пресс. ISBN 978-0750305440 .
- ^ Эль-Дейб, А.; Доусон, Ф.; Ван Эрдент, Г.; Бхосле, С.; Зиссис, Г. (2010). «Управляемый током драйвер для лампы с диэлектрическим барьерным разрядом». Международная конференция по силовой электронике 2010 года – ECCE ASIA – . Международная конференция по силовой электронике (IPEC) 2010. стр. 2331–2338. дои : 10.1109/IPEC.2010.5543677 . ISBN 978-1-4244-5394-8 . S2CID 47493560 .
{{cite book}}:|work=игнорируется ( помогите ) - ^ «Резонансное поведение импульсного электронного устройства управления диэлектрическими барьерными разрядами» . Силовая электроника, машины и приводы (PEMD 2010), 5-я Международная конференция IET по .
- ^ «Название заявки на патент: Устройство для генерации последовательностей импульсов напряжения, в частности для работы емкостных газоразрядных ламп» . Дата публикации 2005 год . Университет Карлсруэ . Проверено 23 мая 2011 г.
- ^ «Название патентной заявки: Адаптивный привод для лампы диэлектрического барьерного разряда (DBD)» . Дата публикации 2008 год . Поместье Брайарклифф, Нью-Йорк, США . Проверено 9 декабря 2010 г.
- ^ «Резонансное поведение генераторов импульсов для эффективного привода источников оптического излучения на основе диэлектрических барьерных разрядов» . Дата публикации 10.07.2013 . КИТ Научное издательство.