Wyładowanie bariery dielektrycznej - Dielectric barrier discharge
Wyładowanie z barierą dielektryczną ( DBD ) to wyładowanie elektryczne między dwiema elektrodami oddzielonymi izolującą barierą dielektryczną . Pierwotnie nazywany wyładowaniem cichym (niesłyszalnym) i znanym również jako wyładowanie produkcyjne ozonu lub wyładowanie częściowe , po raz pierwszy opisał to Ernst Werner von Siemens w 1857 roku.
Proces
Proces zwykle wykorzystuje prąd przemienny o wysokim napięciu , od niższych częstotliwości RF do częstotliwości mikrofalowych . Opracowano jednak inne metody, aby rozszerzyć zakres częstotliwości aż do DC. Jedną z metod było zastosowanie warstwy o wysokiej rezystywności do pokrycia jednej z elektrod. Jest to znane jako wyładowanie bariery rezystancyjnej. Inna technika wykorzystująca półprzewodnikową warstwę arsenku galu ( GaAs ) w celu zastąpienia warstwy dielektrycznej, umożliwia zasilanie tych urządzeń napięciem stałym od 580 V do 740 V.
Budowa
Urządzenia DBD mogą być wykonane w wielu konfiguracjach, zazwyczaj planarnych, przy użyciu równoległych płytek oddzielonych dielektrykiem lub cylindrycznych, przy użyciu współosiowych płytek z rurką dielektryczną pomiędzy nimi. We wspólnej konfiguracji koncentrycznej dielektryk ma taki sam kształt jak zwykłe świetlówki . Wypełniony jest pod ciśnieniem atmosferycznym albo gaz szlachetny lub gazowej halogenku mieszanki, przy czym ściany szkła działa jako bariera dielektryczna. Ze względu na poziom ciśnienia atmosferycznego takie procesy wymagają do utrzymania wysokiego poziomu energii. Popularne materiały dielektryczne to szkło, kwarc, ceramika i polimery. Odstęp szczeliny między elektrodami zmienia się znacznie, od poniżej 0,1 mm w wyświetlaczy plazmowych, kilka milimetrów generatorów ozonu i do kilku centymetrów w CO 2 laserów.
W zależności od geometrii DBD można generować w objętości (VDBD) lub na powierzchni (SDBD). W przypadku VDBD plazma jest generowana między dwiema elektrodami, na przykład między dwiema równoległymi płytkami z dielektrykiem pomiędzy nimi. W SDBD mikrowyładowania są generowane na powierzchni dielektryka, co skutkuje bardziej jednorodną plazmą niż można uzyskać przy użyciu konfiguracji VDBD W SDBD mikrowyładowania są ograniczone do powierzchni, dlatego ich gęstość jest wyższa w porównaniu do VDBD. Plazma jest generowana na wierzchu powierzchni płyty SDBD. Aby łatwo zapalić VDBD i uzyskać równomiernie rozłożone wyładowanie w szczelinie, można zastosować prejonizacyjny DBD.
Wyjątkowo kompaktowy i ekonomiczny generator plazmowy DBD może być zbudowany w oparciu o zasady piezoelektrycznego wyładowania bezpośredniego . W tej technice wysokie napięcie jest generowane za pomocą transformatora piezoelektrycznego, którego obwód wtórny pełni również rolę elektrody wysokiego napięcia. Ponieważ materiał transformatora jest dielektrykiem, wytworzone wyładowanie elektryczne przypomina właściwości wyładowania bariery dielektrycznej.
Operacja
Podczas wyładowań w gazach o ciśnieniu atmosferycznym między elektrodami tworzy się podczas pracy wiele przypadkowych łuków przekraczających 1,5 mm. Gdy ładunki gromadzą się na powierzchni dielektryka, rozładowują się w mikrosekundach (milionowych części sekundy), prowadząc do ich ponownego odtworzenia w innym miejscu na powierzchni. Podobnie jak w przypadku innych metod wyładowań elektrycznych, zawarta plazma jest podtrzymywana, jeśli ciągłe źródło energii zapewnia wymagany stopień jonizacji , pokonując proces rekombinacji prowadzący do wygaśnięcia wyładowania plazmowego. Takie rekombinacje są wprost proporcjonalne do zderzeń między cząsteczkami, a co za tym idzie do ciśnienia gazu, jak wyjaśnia prawo Paschena . Proces wyładowania powoduje emisję fotonu energetycznego , którego częstotliwość i energia odpowiada rodzajowi gazu użytego do wypełnienia szczeliny wyładowania.
Aplikacje
Wykorzystanie generowanego promieniowania
DBD można wykorzystać do generowania promieniowania optycznego poprzez relaksację wzbudzonych form w plazmie. Głównym zastosowaniem jest tutaj generowanie promieniowania UV. Takie ekscymerowe lampy ultrafioletowe mogą wytwarzać światło o krótkich długościach fal, które można wykorzystać do produkcji ozonu na skalę przemysłową. Ozon jest nadal szeroko stosowany w przemysłowym uzdatnianiu powietrza i wody. Wczesne XX-wieczne próby komercyjnej produkcji kwasu azotowego i amoniaku wykorzystywały DBD, ponieważ kilka związków azotowo-tlenowych jest generowanych jako produkty wyładowań.
Wykorzystanie wytworzonej plazmy
Od XIX wieku DBD były znane z rozkładu różnych związków gazowych, takich jak NH 3 , H 2 S i CO 2 . Inne nowoczesne zastosowania obejmują produkcję półprzewodników, procesy bakteriobójcze, obróbkę powierzchni polimerów, lasery CO 2 o dużej mocy zwykle używane do spawania i cięcia metalu, kontrolę zanieczyszczeń i panele wyświetlaczy plazmowych , kontrolę przepływu aerodynamicznego ... Stosunkowo niższa temperatura DBD sprawia, że jest to atrakcyjna metoda wytwarzania plazmy pod ciśnieniem atmosferycznym.
Przemysł
Sama plazma służy do modyfikacji lub czyszczenia ( czyszczenie plazmowe ) powierzchni materiałów (np. polimerów , powierzchni półprzewodnikowych ), które mogą również pełnić funkcję bariery dielektrycznej, lub do modyfikacji gazów stosowanych dalej do czyszczenia „miękkiej” plazmy i zwiększania przyczepności przygotowanych powierzchni do powlekania lub klejenia ( technologie wyświetlaczy płaskoekranowych ).
Wyładowanie barierowe dielektryczne jest jedną z metod obróbki plazmowej tekstyliów pod ciśnieniem atmosferycznym i w temperaturze pokojowej. Obróbka może być stosowana do modyfikacji właściwości powierzchni tkaniny w celu poprawy zwilżalności , poprawy wchłaniania barwników i przyczepności oraz do sterylizacji . Plazma DBD zapewnia suchą obróbkę, która nie generuje ścieków ani nie wymaga suszenia tkaniny po obróbce. Do obróbki tekstyliów system DBD wymaga kilku kilowoltów prądu przemiennego o częstotliwości od 1 do 100 kiloherców. Do izolowanych elektrod przykładane jest napięcie z milimetrową szczeliną, przez którą przechodzi tkanina.
Lampy ekscymerowe mogą być stosowane jako skuteczne źródło krótkie długości fali światła ultrafioletowego, użyteczne w procesach chemicznych, takich jak czyszczenie powierzchni płytek półprzewodnikowych. Lampa opiera się na wyładowaniu bariery dielektrycznej w atmosferze ksenonu i innych gazów do produkcji ekscymerów.
Uzdatnianie wody
Dodatkowy proces przy użyciu chloru gazowego do usuwania bakterii i zanieczyszczeń organicznych z wody pitnej. Oczyszczanie publicznych kąpielisk, akwariów i stawów rybnych polega na wykorzystaniu promieniowania ultrafioletowego wytwarzanego przy użyciu dielektrycznej mieszaniny ksenonu i szkła.
Modyfikacja powierzchni materiałów
Aplikacją, w której z powodzeniem można zastosować DBD, jest modyfikacja właściwości powierzchni materiału. Modyfikacja może mieć na celu zmianę hydrofilowości, aktywację powierzchni, wprowadzenie grup funkcyjnych i tak dalej. Powierzchnie polimerowe są łatwe w obróbce za pomocą DBD, które w niektórych przypadkach oferują dużą powierzchnię przetwarzania.
Medycyna
Wyładowania barierowe dielektryczne zostały wykorzystane do generowania stosunkowo dużej objętości plazmy rozproszonej pod ciśnieniem atmosferycznym i zastosowane do inaktywacji bakterii w połowie lat 90. XX wieku. To ostatecznie doprowadziło do opracowania nowej dziedziny zastosowań, biomedycznych zastosowań plazmy. W dziedzinie zastosowań biomedycznych pojawiły się trzy główne podejścia: terapia bezpośrednia, modyfikacja powierzchni i osadzanie polimerów plazmowych. Polimery plazmowe mogą kontrolować i sterować oddziaływaniami biologicznymi z biomateriałami (tj. adhezją, proliferacją i różnicowaniem) lub hamować adhezję bakterii.
Aeronautyka
Zainteresowanie siłownikami plazmowymi jako urządzeniami do aktywnego sterowania przepływem szybko rośnie ze względu na brak części mechanicznych, niewielką wagę i wysoką częstotliwość odpowiedzi.
Nieruchomości
Ze względu na swój charakter urządzenia te posiadają następujące właściwości:
- pojemnościowe obciążenie elektryczne: niski współczynnik mocy w zakresie od 0,1 do 0,3
- wysokie napięcie zapłonu 1–10 kV
- duża ilość energii zmagazynowanej w polu elektrycznym – wymóg odzysku energii, jeśli DBD nie jest napędzane w sposób ciągły
- napięcia i prądy podczas rozładowania mają duży wpływ na zachowanie rozładowania (włókniste, jednorodne).
Praca z ciągłymi falami sinusoidalnymi lub prostokątnymi jest najczęściej stosowana w instalacjach przemysłowych dużej mocy. Impulsowe działanie DBD może prowadzić do wyższej wydajności rozładowania.
Obwody jazdy
Sterownikami tego typu obciążenia elektrycznego są generatory mocy HF, które w wielu przypadkach zawierają transformator do generowania wysokiego napięcia. Przypominają osprzęt sterujący używany do zasilania kompaktowych lamp fluorescencyjnych lub lamp fluorescencyjnych z zimną katodą . Tryb pracy i topologie obwodów do obsługi lamp [DBD] z ciągłymi falami sinusoidalnymi lub prostokątnymi są podobne do standardowych sterowników. W takich przypadkach energia zmagazynowana w pojemności DBD nie musi być odzyskiwana do zasilania pośredniego po każdym zapłonie. Zamiast tego pozostaje w obwodzie (oscyluje między pojemnością [DBD] a co najmniej jednym elementem indukcyjnym obwodu) i tylko rzeczywista moc pobierana przez lampę musi być dostarczana przez zasilacz. Z drugiej strony, sterowniki do pracy pulsacyjnej mają dość niski współczynnik mocy i w wielu przypadkach muszą w pełni odzyskiwać energię DBD. Ponieważ impulsowe działanie lamp [DBD] może prowadzić do zwiększenia wydajności lamp, międzynarodowe badania doprowadziły do opracowania odpowiednich koncepcji obwodów. Podstawowe topologie są rezonansowe Flyback i dźwięczny pół mostu . Elastyczny obwód, który łączy obie topologie, jest podany w dwóch zgłoszeniach patentowych i może być wykorzystany do adaptacyjnego sterowania DBD o zmiennej pojemności.
Przegląd różnych koncepcji obwodów dla pulsacyjnego działania źródeł promieniowania optycznego DBD podano w „Resonant Behavior of Pulse Generators for the Efficient Drive of Optical Radiation Sources based on Dielectric Barrier Discharges”.