Плазма атмосферного давления

Плазма атмосферного давления (или плазма AP или плазма нормального давления ) — это плазма , в которой давление примерно соответствует давлению окружающей атмосферы — так называемое нормальное давление.

Основы генерации плазмы атмосферного давления

Разряд может зажечься и поддерживаться плазма, если постоянное напряжение, подаваемое в газовую среду через электроды, превышает напряжение пробоя газа. Связь между этим напряжением пробоя и произведением pd, где p — давление газа, а d — расстояние между электродами, называется законом Пашена . ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]} Для ряда молекул газа напряжение пробоя, оцененное по закону Пашена, имеет минимальное значение около pd = 1-10 Торр см. Это говорит о том, что для того, чтобы получить практическое напряжение пробоя для зажигания газового разряда, по мере увеличения давления газа предпочтительным является уменьшение межэлектродного зазора. Условие минимума Пашена при атмосферном давлении может быть достигнуто при расстоянии между зазорами значительно меньше миллиметра, и в этот момент напряжение постоянного тока, необходимое для пробоя газа, должно составлять несколько сотен вольт. Однако прогнозируется, что напряжение постоянного тока пробоя для газообразного аргона при атмосферном давлении возрастет до нескольких кВ при расстоянии между зазорами 5 мм. ^{[ 3 ]}

Снижение напряжения пробоя выгодно с точки зрения конструкции источника плазмы, поскольку оно обеспечивает гибкость управления и упрощает эксплуатацию источника. Использование источников высокочастотного ВЧ напряжения является одним из подходов к снижению напряжения пробоя.

По мере увеличения давления передача энергии от электронов к молекулам газа и ионам посредством столкновений становится более эффективной, что приводит к установлению теплового равновесия между электронами, молекулами газа и ионами. Однако можно подавить передачу энергии между электронами и молекулами газа и ионами. Диэлектрический барьерный разряд (ДБР) — один из основных способов получения низкотемпературной плазмы в неравновесном состоянии при атмосферном давлении. ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}

Кроме того, были сообщения о том, что тлеющий разряд атмосферного давления при питании от низкочастотного (10-100 кГц) источника требует диэлектрического барьера на одной стороне электродов для обеспечения стабильной и последовательной работы. Однако когда рабочая частота увеличивается до ВЧ, достигая частоты до 13,56 МГц, стабильность плазмы значительно улучшается, в результате чего диэлектрический барьер больше не необходим для стабильной работы. ^{[ 6 ]}

Техническое значение

Плазма атмосферного давления имеет значение, поскольку в отличие от плазмы низкого давления или плазмы высокого давления реакционный сосуд для поддержания давления не требуется . В зависимости от принципа генерации эту плазму можно использовать непосредственно на производственной линии. Это устраняет необходимость в дорогостоящих камерах для создания частичного вакуума, используемых в плазменной технологии низкого давления. ^{[ 7 ]}

Поколение

Хотя недостатков плазмы низкого давления можно избежать путем образования плазмы при атмосферном давлении, поддержание плазмы при атмосферном давлении требует высокого напряжения для пробоя газа и вызывает более сильные столкновения между электронами и молекулами газа, что может привести к образованию дуги и нагреву газа. ^{[ 8 ]}

Выделяют различные формы возбуждения:

DC ( постоянный ток ) и низкочастотное возбуждение
RF ( радиочастотное ) возбуждение
СВЧ- возбуждение

Плазма атмосферного давления, получившая какое-либо заметное промышленное значение, - это плазма, генерируемая возбуждением постоянным током ( электрическая дуга ), возбуждением переменным током ( коронный разряд , диэлектрический барьерный разряд , прямой пьезоэлектрический разряд и плазменные струи, а также микроволновая микроплазма на частоте 2,45 ГГц).

Плазменная струя постоянного тока

С помощью разряда высокого напряжения (5–15 кВ, 10–100 кГц) создается импульсная электрическая дуга. Технологический газ, обычно безмасляный сжатый воздух, проходящий мимо этой разрядной секции, возбуждается и преобразуется в состояние плазмы. Эта плазма проходит через струйную головку к поверхности обрабатываемого материала. Головка струи определяет геометрию луча и находится под потенциалом земли, чтобы сдерживать потенциально несущие части плазменного потока.

Микроволновая плазменная струя

В микроволновой системе используются усилители, которые выдают радиочастотную (РЧ) мощность до 200 Вт для создания дуги, генерирующей плазму. Большинство решений работают на частоте 2,45 ГГц. Новая технология обеспечивает зажигание и высокоэффективную работу с той же электронной и парной сетью. ^{[ 9 ]} Этот вид плазмы атмосферного давления отличается от других. Плазма находится только на верхней части электрода. Именно поэтому стало возможным создание струи-канюли.

Приложения

Производители используют плазменные струи, помимо прочего, для активации и очистки пластиковых и металлических поверхностей, чтобы подготовить их к склеиванию и покраске. Листовые материалы шириной до нескольких метров сегодня можно обрабатывать, выравнивая несколько струй подряд. Модификация поверхности, достигаемая плазменными струями, сравнима с эффектами, полученными с помощью плазмы низкого давления. ^{[ 10 ]}

В зависимости от мощности струи плазменный луч может иметь длину до 40 мм и ширину обработки 15 мм. Специальные ротационные системы позволяют обрабатывать ширину каждого струйного инструмента до 13 см. ^{[ 11 ]} В зависимости от требуемой производительности обработки источник плазмы перемещают на расстоянии 10–40 мм и со скоростью 5–400 м/мин относительно поверхности обрабатываемого материала.

Ключевым преимуществом этой системы является то, что ее можно интегрировать в существующие производственные системы. Кроме того, достижимая активация значительно выше, чем при методах предварительной обработки, основанных на потенциале (коронный разряд).

Данной техникой можно покрывать самые разные поверхности. Антикоррозионные слои и слои усилителя адгезии можно наносить на многие металлы без растворителей, что обеспечивает гораздо более экологически чистое решение.

См. также

Ссылки

^ Либерман, Майкл А.; Лихтенберг, Аллан Дж. (8 апреля 2005 г.). Принципы плазменного разряда и обработки материалов (1-е изд.). Уайли. дои : 10.1002/0471724254 . ISBN 978-0-471-72001-0 .
^ Пашен, Фридрих (январь 1889 г.). «О разности потенциалов, необходимой для переноса искры в воздухе, водороде и углекислоте при различных давлениях» . Анналы физики . 273 (5): 69–96. дои : 10.1002/andp.18892730505 . ISSN 0003-3804 .
^ Шутце, А.; Чон, JY; Бабаян, С.П.; Джеён Пак; Селвин, Г.С.; Хикс, РФ (декабрь 1998 г.). «Плазменная струя атмосферного давления: обзор и сравнение с другими источниками плазмы» . Транзакции IEEE по науке о плазме . 26 (6): 1685–1694. дои : 10.1109/27.747887 .
^ Когельшац, У. (август 2002 г.). «Нитевидные, узорчатые и диффузные барьерные разряды» . Транзакции IEEE по науке о плазме . 30 (4): 1400–1408. дои : 10.1109/TPS.2002.804201 . ISSN 0093-3813 .
^ Канадзава, С; Когома, М; Мориваки, Т; Оказаки, С (14 мая 1988 г.). «Стабильное свечение плазмы при атмосферном давлении» . Журнал физики D: Прикладная физика . 21 (5): 838–840. дои : 10.1088/0022-3727/21/5/028 . ISSN 0022-3727 .
^ Нодзаки, Томохиро; Окадзаки, Кен (13 июня 2008 г.). «Синтез углеродных нанотрубок в тлеющем разряде атмосферного давления: обзор» . Плазменные процессы и полимеры . 5 (4): 300–321. дои : 10.1002/ppap.200700141 . ISSN 1612-8850 .
^ Вольф, Рори А., Плазма атмосферного давления для модификации поверхности, Wiley, 2012.
^ Шутце, А.; Чон, JY; Бабаян, С.П.; Джеён Пак; Селвин, Г.С.; Хикс, РФ (декабрь 1998 г.). «Плазменная струя атмосферного давления: обзор и сравнение с другими источниками плазмы» . Транзакции IEEE по науке о плазме . 26 (6): 1685–1694. дои : 10.1109/27.747887 .
^ Хойерманн, Хольгер; и др. (июнь 2012 г.). Различные применения и фон микроплазмы мощностью 10-200 Вт и частотой 2,45 ГГц . 60-й Международный симпозиум по микроволновому оборудованию. Бибкод : 2012imsd.conf59386H . дои : 10.1109/MWSYM.2012.6259386 .
^ Ноеске М., Дегенхардт Дж., Штрудхофф С., Ломматч У.: Плазменная струйная обработка пяти полимеров при атмосферном давлении: модификации поверхности и значение для адгезии; Международный журнал адгезии и клеев; 24 (2) 2004 г., стр. 171–177.
^ Буске К., Фернсель П.: Устройство для плазменной обработки поверхностей; ЕР 0986939

Цитаты

Библиография

Тендеро К., Тиксьер К., Тристан П., Десмайсон Дж., Лепринс П.: Плазма атмосферного давления: обзор; Spectrochimica Acta Часть B: Атомная спектроскопия; Том 61, выпуск 1, январь 2006 г., стр. 2–30.
Фёрнзель П.: Устройство для предварительной обработки поверхности заготовок; DE 195 32 412
Портал электронного обучения EU-IP4Plasma : Основные факты о четвертом состоянии материи и его техническом использовании
Институт технологического машиностроения и прикладных исследований материалов Фраунгофера (IFAM): Плазменная технология и поверхности – PLATO
Институт плазменной науки и технологии Лейбница (INP Greifswald eV). Архивировано 1 февраля 2014 г. в Wayback Machine.
Генерация атмосферной плазмы и воздействие на поверхности - Flash анимация
Технология импульсной атмосферной дуги
Лечение атмосферной плазмой простыми словами от британского производителя Henniker Plasma
Plasmatreat US LP: обработка атмосферной плазмой
Основы микроволновой атмосферной плазмы

[1] Либерман, Майкл А.; Лихтенберг, Аллан Дж. (8 апреля 2005 г.). Принципы плазменного разряда и обработки материалов (1-е изд.). Уайли. дои : 10.1002/0471724254 . ISBN 978-0-471-72001-0 .

[2] Пашен, Фридрих (январь 1889 г.). «О разности потенциалов, необходимой для переноса искры в воздухе, водороде и углекислоте при различных давлениях» . Анналы физики . 273 (5): 69–96. дои : 10.1002/andp.18892730505 . ISSN 0003-3804 .

[3] Шутце, А.; Чон, JY; Бабаян, С.П.; Джеён Пак; Селвин, Г.С.; Хикс, РФ (декабрь 1998 г.). «Плазменная струя атмосферного давления: обзор и сравнение с другими источниками плазмы» . Транзакции IEEE по науке о плазме . 26 (6): 1685–1694. дои : 10.1109/27.747887 .

[4] Когельшац, У. (август 2002 г.). «Нитевидные, узорчатые и диффузные барьерные разряды» . Транзакции IEEE по науке о плазме . 30 (4): 1400–1408. дои : 10.1109/TPS.2002.804201 . ISSN 0093-3813 .

[5] Канадзава, С; Когома, М; Мориваки, Т; Оказаки, С (14 мая 1988 г.). «Стабильное свечение плазмы при атмосферном давлении» . Журнал физики D: Прикладная физика . 21 (5): 838–840. дои : 10.1088/0022-3727/21/5/028 . ISSN 0022-3727 .

[6] Нодзаки, Томохиро; Окадзаки, Кен (13 июня 2008 г.). «Синтез углеродных нанотрубок в тлеющем разряде атмосферного давления: обзор» . Плазменные процессы и полимеры . 5 (4): 300–321. дои : 10.1002/ppap.200700141 . ISSN 1612-8850 .

[7] Вольф, Рори А., Плазма атмосферного давления для модификации поверхности, Wiley, 2012.

[8] Шутце, А.; Чон, JY; Бабаян, С.П.; Джеён Пак; Селвин, Г.С.; Хикс, РФ (декабрь 1998 г.). «Плазменная струя атмосферного давления: обзор и сравнение с другими источниками плазмы» . Транзакции IEEE по науке о плазме . 26 (6): 1685–1694. дои : 10.1109/27.747887 .

[9] Хойерманн, Хольгер; и др. (июнь 2012 г.). Различные применения и фон микроплазмы мощностью 10-200 Вт и частотой 2,45 ГГц . 60-й Международный симпозиум по микроволновому оборудованию. Бибкод : 2012imsd.conf59386H . дои : 10.1109/MWSYM.2012.6259386 .

[10] Ноеске М., Дегенхардт Дж., Штрудхофф С., Ломматч У.: Плазменная струйная обработка пяти полимеров при атмосферном давлении: модификации поверхности и значение для адгезии; Международный журнал адгезии и клеев; 24 (2) 2004 г., стр. 171–177.

[11] Буске К., Фернсель П.: Устройство для плазменной обработки поверхностей; ЕР 0986939

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]