Пьезоэлектрическая плазма прямого разряда

прямого разряда ( ПДД ) Пьезоэлектрическая плазма — это тип холодной неравновесной плазмы , генерируемой прямым газовым разрядом пьезоэлектрического преобразователя высокого напряжения. Он может воспламеняться на 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. Это обеспечивает широкий спектр промышленных, медицинских и потребительских применений.

Фон

Холодную неравновесную плазму атмосферного давления можно получить разрядами высокого напряжения в атмосферах различных рабочих газов. Наибольшее применение в промышленных процессах нашли следующие 3 типа электрических разрядов:

Электрические дуговые разряды представляют собой самоподдерживающиеся разряды постоянного тока, характеризующиеся высокими электрическими токами, которые оттягиваются от катода за счет интенсивной термоэлектронной и автоэмиссионной эмиссии. Благодаря интенсивным токам объем дуги достигает теплового равновесия при температурах 6000–12000 С. Хотя дуговой разряд может поддерживаться в режиме постоянного тока, импульсный режим более устойчив к несовершенствам быстро эродирующей поверхности катода.
Коронные разряды возникают в областях сильных электрических полей с высокими градиентами поля, присутствующих вблизи острых кромок высоковольтных электродов. Во избежание искрения такие электроды должны находиться вдали от электрических заземлений. Хотя коронные разряды требуют довольно высокого напряжения, излучаемые электрические токи малы, 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 смещаются синусоидальным или импульсным высоким напряжением. Разрядный ток берется с поверхности диэлектрика. Мощность диэлектрического барьерного разряда значительно выше, чем у коронного разряда, но меньше, чем у дугового разряда.

Все эти типы электрических разрядов требуют высоковольтной электроники и высоковольтных кабелей. Они громоздки, дороги и в случае переменного тока могут быть очень неэффективными из-за диэлектрических потерь. Более того, промышленные применения часто требуют высокой мощности порядка 1 кВт. Это налагает строгие требования безопасности к высоковольтным корпусам с открытыми электродами. Конструкция на основе нескольких маломощных высоковольтных модулей может улучшить аспекты безопасности. Аналогично, объединение генератора высокого напряжения и разрядного электрода в один модуль должно снизить диэлектрические потери в кабелях. Однако до сих пор не найдено экономически эффективного решения системы на основе 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, образующих плазму атмосферного давления. ^[1]^[2] Пьезоэлектрический преобразователь очень компактен и требует только источника маломощного переменного тока низкого напряжения. Это позволяет сделать весь плазменный генератор исключительно компактным и дешевым, что позволяет создавать ручные плазменные генераторы или экономичные массивы плазменных генераторов.

Пьезоэлектрические преобразователи типа Розена, которые могут быть изготовлены из цирконата-титаната свинца , преобразуют электрическую энергию в виде переменного тока низкого напряжения в механические колебания. ^[3]^[4] Следовательно, эти механические колебания создают переменный ток высокого напряжения на другом конце трансформатора. Самая высокая 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. Низковольтная электроника постоянно регулирует частоту, чтобы трансформатор работал в пределах резонанса. В резонансе такие трансформаторы обеспечивают очень высокие коэффициенты преобразования напряжения до 1000 при напряжениях 5–15 кВ.

Свойства плазмы

Электрические разряды, возникающие в газе со стороны высокого напряжения пьезоэлектрического преобразователя, обладают свойствами, присущими также коронным разрядам и диэлектрическим барьерным разрядам. В то время как первый режим возникает, когда сторона высокого напряжения пьезоэлектрического преобразователя работает вдали от электрического заземления, второй режим возникает, когда он работает вблизи электрических заземлений, разделенных диэлектриком. Вблизи открытых электрических площадок пьезоэлектрический преобразователь производит периодические искры. Переход на электрическую дугу не происходит из-за ограниченной мощности трансформатора. Типичная мощность таких трансформаторов составляет порядка 10 Вт. КПД генерации плазмы достигает 90 %, а остальные 10 % мощности теряются из-за механического и диэлектрического нагрева пьезоэлектрического преобразователя.

Из-за малых токов, характерных для диэлектрического барьера и коронного разряда, прямой пьезоэлектрический разряд создает неравновесную плазму. Это означает, что составляющие его электроны, ионы и частицы нейтрального газа имеют разные распределения кинетической энергии. Температура нейтрального газа в объеме плазмы остается ниже 50 С. При этом электроны и ионы достигают энергий 1 – 10 эВ. Это в 300 – 3000 раз превышает среднюю энергию частиц нейтрального газа. Плотности электронов и ионов достигают 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 открывают широкий спектр применений в медицинской технике, микробиологии и клинических исследованиях. ^[5] Типичные промышленные применения включают сверхтонкую очистку и плазменную активацию металлических, керамических, стеклянных и пластиковых поверхностей. Такая плазменная обработка увеличивает поверхностную энергию, поверхности улучшая смачиваемость и адгезию . Последнее повышает качество последующей печати или склейки. ^[6]

Очень компактные размеры плазменного генератора PDD еще больше расширяют сферу возможного применения до компактных устройств для лабораторных работ, портативных устройств, генераторов озона и даже потребительских товаров.

См. также

Лечение короны

Ссылки

^ М. Тешке и Дж. Энгеманн, Contrib. Физика плазмы. 49, 614 (2009)
^ М. Тешке и Дж. Энгеманн, US020090122941A1, заявка на патент США.
^ CA Rosen, KA Fish, HCRothenberg, патент США № 2830274 (апрель 1958 г.)
^ CA Розен, в «Твердотельные магнитные и диэлектрические устройства» под редакцией Х.В. Каца (John Wiley & Sons, Inc., Лондон, 1959), стр. 170–197.
^ А. Фридман, Г. Фридман, «Плазменная медицина», Wiley; 1 выпуск (11 февраля 2013 г.)
^ М. А. Либерман, Ал. Дж. Лихтенберг «Принципы плазменного разряда и обработки материалов», Wiley-Interscience; 2-е издание (14 апреля 2005 г.)

[1] М. Тешке и Дж. Энгеманн, Contrib. Физика плазмы. 49, 614 (2009)

[2] М. Тешке и Дж. Энгеманн, US020090122941A1, заявка на патент США.

[3] CA Rosen, KA Fish, HCRothenberg, патент США № 2830274 (апрель 1958 г.)

[4] CA Розен, в «Твердотельные магнитные и диэлектрические устройства» 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 плазменного разряда и обработки материалов», Wiley-Interscience; 2-е издание (14 апреля 2005 г.)

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]