Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Разряд с диэлектрическим барьером ( DBD ) - это электрический разряд между двумя электродами, разделенными изолирующим диэлектрическим барьером. Первоначально называется молчание (неразборчиво) разряда , а также известный как озон производства разряда [1] или частичного разряда , [2] было впервые сообщено Эрнст Вернер фон Сименс в 1857 году [3]Справа на схематической диаграмме показана типичная конструкция DBD, в которой один из двух электродов покрыт диэлектрическим барьерным материалом. Линии между диэлектриком и электродом представляют собой нити разряда, которые обычно видны невооруженным глазом. Ниже на фотографии показан атмосферный разряд DBD, возникающий между двумя стальными электродными пластинами, каждая из которых покрыта диэлектрическим ( слюдяным ) листом. Нити представляют собой столбы проводящей плазмы, а основание каждой нити представляет собой накопленный на поверхности заряд.

Типовая конструкция устройства DBD
Разряд с диэлектрическим барьером, созданный с использованием листов слюды в качестве диэлектрика, помещен на две стальные пластины в качестве электрода. Разряд происходит в нормальном атмосферном воздухе с частотой около 30 кГц с разрядным промежутком около 4 мм. «Ножкой» разряда является накопление заряда на поверхности преграды.

Процесс [ править ]

В этом процессе обычно используется переменный ток высокого напряжения в диапазоне от более низких радиочастот до микроволновых частот. [4] Однако были разработаны другие методы для расширения частотного диапазона вплоть до постоянного тока. Один из методов заключался в использовании слоя с высоким сопротивлением для покрытия одного из электродов. Это называется резистивным барьерным разрядом. [5] Другой метод, использующий полупроводниковый слой арсенида галлия ( GaAs ) для замены диэлектрического слоя, позволяет управлять этими устройствами постоянным напряжением от 580 В до 740 В. [6]

Строительство [ править ]

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 обычные люминесцентные трубки. Он заполняется при атмосферном давлении инертным газом или инертным газогалогенидом.смесью, при этом стеклянные стенки действуют как диэлектрический барьер. Из-за уровня атмосферного давления такие процессы требуют высокого уровня энергии для поддержания. Общие диэлектрические материалы включают стекло, кварц, керамику и полимеры. Расстояние между электродами значительно варьируется: от менее 0,1 мм в плазменных дисплеях до нескольких миллиметров в генераторах озона и до нескольких сантиметров в CO 2 -лазерах.

В зависимости от геометрии DBD может быть сгенерирован в объеме (VDBD) или на поверхности (SDBD). Для VDBD плазма создается между двумя электродами, например, между двумя параллельными пластинами с диэлектриком между ними. [8] В SDBD микроразряды генерируются на поверхности диэлектрика, что приводит к более однородной плазме, чем может быть достигнута с помощью конфигурации VDBD. [9] В SDBD микроразряды ограничены поверхностью, поэтому их плотность выше по сравнению с в ВДБД. [10] Плазма генерируется на поверхности пластины SDBD. Для легкого зажигания VDBD и получения равномерно распределенного разряда в промежутке можно использовать предыонизационный DBD. [11]

Конкретный компактный и экономичный генератор плазмы DBD может быть построен на принципах пьезоэлектрического прямого разряда . В этом методе высокое напряжение генерируется пьезопреобразователем, вторичная цепь которого действует также как высоковольтный электрод. Поскольку материал трансформатора является диэлектриком, возникающий электрический разряд напоминает свойства диэлектрического барьерного разряда. [12] [13]

Операция [ править ]

Множество случайных дуг образуют в процессе работы зазор между двумя электродами, превышающий 1,5 мм, при разрядах в газах при атмосферном давлении. [14] Когда заряды собираются на поверхности диэлектрика, они разряжаются за микросекунды (миллионные доли секунды), что приводит к их преобразованию в другом месте на поверхности. Подобно другим методам электрического разряда, удерживаемая плазма поддерживается, если непрерывный источник энергии обеспечивает требуемую степень ионизации , преодолевая процесс рекомбинации, ведущий к гашению плазмы разряда. Такие рекомбинации прямо пропорциональны столкновениям между молекулами и, в свою очередь, давлению газа, как объясняется законом Пашена.. Процесс разряда вызывает испускание энергичного фотона , частота и энергия которого соответствуют типу газа, используемого для заполнения разрядного промежутка.

Приложения [ править ]

Использование генерируемого излучения [ править ]

DBD можно использовать для генерации оптического излучения путем релаксации возбужденных частиц в плазме. Основное применение здесь - генерация УФ-излучения. Такие эксимерные ультрафиолетовые лампы могут излучать свет с короткими длинами волн, которые можно использовать для производства озона в промышленных масштабах. Озон по-прежнему широко используется в промышленности для очистки воздуха и воды. [7] В попытках коммерческого производства азотной кислоты и аммиака в начале 20-го века использовались DBD [15], поскольку в качестве продуктов разряда образуются несколько азотно-кислородных соединений. [3]

Использование сгенерированной плазмы [ править ]

С 19 века DBD были известны разложением различных газообразных соединений, таких как NH 3 , H 2 S и CO 2 . Другие современные области применения включают производство полупроводников, бактерицидные процессы, обработку поверхности полимеров, мощные CO 2 -лазеры, обычно используемые для сварки и резки металлов, контроль загрязнения и плазменные дисплеи , контроль аэродинамического потока ... Относительно более низкая температура DBD делает этот метод привлекательным. генерации плазмы при атмосферном давлении.

Промышленность [ править ]

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 [16], применяемых в дальнейшем для «мягкой» плазменной очистки и увеличения адгезии. поверхностей, подготовленных к покрытию или склеиванию (технологии плоских дисплеев ).

Диэлектрический барьерный разряд - это один из методов плазменной обработки текстильных изделий при атмосферном давлении и комнатной температуре. Обработка может использоваться для изменения поверхностных свойств текстиля с целью 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 от 1 до 100 килогерц. Напряжение подается на изолированные электроды с зазором миллиметрового размера, через который проходит ткань. [17]

Эксимерные лампы могут быть использованы в качестве мощного источника коротковолнового ультрафиолетового света, используемого в химических процессах , такие как очистка поверхности полупроводниковых пластин. [18] Лампа использует диэлектрический барьерный разряд в атмосфере ксенона и других газов для образования эксимеров.

Очистка воды [ править ]

Дополнительный процесс при использовании газообразного хлора для удаления бактерий и органических загрязнений из источников питьевой воды. [19] Обработка общественных бассейнов, аквариумов и прудов с рыбками включает использование ультрафиолетового излучения, образующегося при использовании диэлектрической смеси газообразного ксенона и стекла. [20] [21]

Модификация поверхности материалов [ править ]

Приложение, в котором можно успешно использовать DBD, - это изменение характеристик поверхности материала. Модификация может быть нацелена на изменение его гидрофильности, активацию поверхности, введение функциональных групп и так далее. Полимерные поверхности легко обрабатывать с помощью DBD, которые в некоторых случаях имеют большую площадь обработки. [22]

Медицина [ править ]

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] Это в конечном итоге привело к развитию новой области приложений - биомедицинских приложений плазмы. В области биомедицинских приложений появились три основных подхода: прямая терапия, модификация поверхности и плазменное осаждение полимеров. Плазменные полимеры могут контролировать и управлять взаимодействиями биологических и биоматериалов (т.е. адгезией, пролиферацией и дифференцировкой) или ингибированием адгезии бактерий. [24]

Аэронавтика [ править ]

См. Также: Электростатический жидкостный ускоритель

Интерес к плазменным актуаторам как устройствам активного управления потоком быстро растет из-за отсутствия в них механических частей, небольшого веса и высокой частоты срабатывания. [25]

Свойства [ править ]

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, хранящейся в электрическом поле - потребность в рекуперации энергии, если DBD не управляется непрерывно
  • напряжения и токи во время разряда имеют большое влияние на поведение разряда (нитевидный, однородный).

Работа с непрерывными синусоидальными или прямоугольными волнами в основном используется в промышленных установках большой мощности. Импульсная работа DBD может привести к повышению эффективности разряда.

Схема проезда [ править ]

Драйверы для этого типа электрической нагрузки - это силовые ВЧ-генераторы, которые во многих случаях содержат трансформатор для генерации высокого напряжения. Они напоминают ПРА, используемый для управления компактными люминесцентными лампами или люминесцентными лампами с холодным катодом . Режим работы и топология схем для работы ламп [DBD] с непрерывным синусоидальным или прямоугольным сигналом аналогичны стандартным драйверам. В этих случаях энергия, которая хранится в емкости DBD, не должна возвращаться в промежуточный источник питания после каждого зажигания. Вместо этого он остается в цепи (колеблется между емкостью [DBD] и, по крайней мере, одним индуктивным компонентом цепи), и только реальная мощность, потребляемый лампой, должен обеспечиваться источником питания. Иными словами, драйверы для импульсной работы имеют довольно низкий коэффициент мощности и во многих случаях должны полностью восстанавливать энергию DBD. Поскольку импульсный режим работы ламп [DBD] может привести к повышению эффективности лампы, международные исследования привели к подходящим концепциям схем. Основные топологии - это резонансный обратный ход [26] и резонансный полумост . [27] Гибкая схема, объединяющая две топологии, приведена в двух патентных заявках [28] [29] и может использоваться для адаптивного управления DBD с переменной емкостью.

Обзор различных схемных решений для импульсной работы источников оптического излучения DBD приведен в «Резонансном поведении генераторов импульсов для эффективного управления источниками оптического излучения на основе диэлектрических барьерных разрядов». [30]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Мацуы, Хиромица, Нобуюки Hishinuma, Кенич Hirose, Кунио Kasagi, Fumitoshi Такемото, Yoshinori Aiura и TatsushiIgarashi. Лампа с диэлектрическим барьером, патент США 5757132 (коммерческий веб-сайт). Freepatentsonline.com. Впервые опубликовано 26 мая 1998 г. Проверено 5 августа 2007.
  2. ^ 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. DOI : 10,1109 / PLASMA.1989.166255 . S2CID  116292525 .
  3. ^ a b Когельшац, Ульрих, Бальдур Элиассон и Вальтер Эгли. От генераторов озона до плоских телевизионных экранов: история и будущий потенциал разрядов с диэлектрическим барьером . Чистая прикладная химия, Vol. 71, No. 10, pp. 1819-1828, 1999. Проверено 5 августа 2007 г.
  4. ^ "Распределение аэрозольного заряда в диэлектрических барьерных разрядах" (PDF) . Дата публикации 2009 . Европейская конференция по аэрозолям 2009 г. Карлсруэ. Архивировано из оригинального (PDF) 19 июля 2011 года . Проверено 10 декабря 2010 .
  5. ^ М. Ларусси, И. Алексефф, Дж. П. Ричардсон и Ф. Ф. Дайер "Резистивный барьерный разряд", IEEE Trans. Plasma Sci. 30, 158 (2002)
  6. ^ "Формирование структуры в" барьерном "разряде, управляемом постоянным током, анализ устойчивости и численные решения" (PDF) . Дата публикации июля 15-20, 2007 . ICPIG Прага, Чехия . Проверено 9 декабря 2010 года .
  7. ^ a b Краус, Мартин, Бальдур Элиассон, Ульрих Когельшацб и Александр Вокауна. CO 2 риформинг метана путем сочетания разрядов с диэлектрическим барьером и катализа. Physical Chemistry Chemical Physics, 2001, 3, 294-300. Проверено 5 августа 2007.
  8. ^ Motrescu, I .; Ciolan, MA; Sugiyama, K .; Кавамура, Н. и Нагацу, М. (2018). «Использование предионизационных электродов для получения больших объемов, плотно распределенных нитевидных диэлектрических барьерных разрядов для обработки поверхности материалов». Источники плазмы Наука и технологии . 27 (11): 115005. Bibcode : 2018PSST ... 27k5005M . DOI : 10.1088 / 1361-6595 / aae8fd .
  9. ^ Gibalov, В.И. & Питч, ГДж (2000). «Развитие диэлектрических барьерных разрядов в газовых зазорах и на поверхностях». Журнал физики D: Прикладная физика . 33 (20): 2618–2636. Bibcode : 2000JPhD ... 33.2618G . DOI : 10.1088 / 0022-3727 / 33/20/315 .
  10. ^ Radacsi, N .; Ван дер Хейден, AEDM; Станкевич, AI; тер Хорст, JH (2013). «Холодно-плазменный синтез высококачественных органических наночастиц при атмосферном давлении». Журнал исследований наночастиц . 15 (2): 1–13. Bibcode : 2013JNR .... 15.1445R . DOI : 10.1007 / s11051-013-1445-4 . S2CID 97236015 . 
  11. ^ Motrescu, I .; Ciolan, MA; Sugiyama, K .; Кавамура, Н. и Нагацу, М. (2018). «Использование предионизационных электродов для получения больших объемов, плотно распределенных нитевидных диэлектрических барьерных разрядов для обработки поверхности материалов». Источники плазмы Наука и технологии . 27 (11): 115005. Bibcode : 2018PSST ... 27k5005M . DOI : 10.1088 / 1361-6595 / aae8fd .
  12. ^ М. Тешке и Дж. Энгеманн, Contrib. Plasma Phys. 49, 614 (2009)
  13. ^ М. Тешке и Дж. Энгеманн, US020090122941A1, заявка на патент США.
  14. ^ "Диэлектрические барьерные разряды. Принципы и применения" (PDF) . ABB Corporate Research Ltd., Баден, Швейцария. 11 октября 1997 . Проверено 19 января 2013 года .
  15. Перейти ↑ Chisholm, Hugh, ed. (1911). «Азот»  . Британская энциклопедия . 16 (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета. С. 714–716.
  16. ^ Евгений В. Shun'ko и Вениамин В. Белкин. «Очищающие свойства атомарного кислорода, возбужденного до метастабильного состояния 2s [sup 2] 2p [sup 4] ([sup 1] S [sub 0])». Журнал прикладной физики . (2007) J. Appl. Phys. 102 : 083304–1–14. Bibcode : 2007JAP ... 102h3304S . DOI : 10.1063 / 1.2794857 .
  17. ^ Текстильный институт, Устойчивый текстиль , CRC Press, ISBN 978-1-84569-453-1 стр. 156 
  18. ^ «Диэлектрик» . Siliconfareast.com 2001-2006 . Проверено 8 января 2011 года .
  19. ^ "Система диэлектрического барьерного разряда с каталитически активным пористым сегментом для улучшения очистки воды" (PDF) . Физический факультет Западночешского университета, Univerzitni 22, 306 14 Plzen, Czech Republic 2008 . Проверено 9 января 2011 года .
  20. ^ «УФ против хлора» . Atguv.com 2010 . Проверено 9 января 2011 года .
  21. ^ "Разрядная лампа с диэлектрическим барьером, содержащая люминофор УФ-В" . Freepatentsonline.com 21.12.2010 . Проверено 9 января 2011 года .
  22. ^ Nagatsu, M .; Sugiyama, K .; Motrescu, I .; Ciolan, MA; Огино, А. и Кавамура, Н. (2018). «Модификация поверхности фторсодержащих смол с использованием устройства диэлектрического барьерного разряда с удлиненными параллельными пластинами электрода» . Журнал фотополимерной науки и техники . 31 (3): 379–383. DOI : 10,2494 / photopolymer.31.379 .
  23. ^ M. Laroussi, "Стерилизация загрязненного вещества плазмой атмосферного давления", IEEE Trans. Plasma Sci. 24, 1188 (1996)
  24. ^ Чуба, Урсула; Кинтана, Роберт; Де Пау-Жилле, Мари-Клер; Бургиньон, Максим; Морено-Куранжу, Мэрилин; Александр, Майкл; Детремблер, Кристоф; Шоке, Патрик (июнь 2018 г.). «Атмосферное плазменное осаждение слоев метакрилата, содержащих катехол / хиноновые группы: альтернатива биоконъюгированию полидофамина для биомедицинских приложений». Передовые медицинские материалы . 7 (11): 1701059. DOI : 10.1002 / adhm.201701059 . PMID 29577666 . S2CID 4327417 .  
  25. Перейти ↑ Roth, J. Reece (2001). «Глава 15.3. Атмосферные диэлектрические барьерные разряды (DBD)». Промышленная плазменная инженерия: Том 2: Приложения к нетепловой плазменной обработке (1-е изд.). CRC Press. ISBN 978-0750305440.
  26. ^ Эль-Дейб, А .; Dawson, F .; Van Eerdent, G .; Bhosle, S .; Зиссис, Г. (2010). "Управляемый током драйвер для лампы диэлектрического барьерного разряда". Международная конференция по силовой электронике 2010 г. - ECCE ASIA - . Дата публикации 21-24 июня 2010 . Конференция по силовой электронике (IPEC) 2010 International. С. 2331–2338. DOI : 10.1109 / IPEC.2010.5543677 . ISBN 978-1-4244-5394-8. S2CID  47493560 .
  27. ^ "Резонансное поведение импульсного электронного механизма управления для диэлектрических барьерных разрядов" . Силовая электроника, машины и приводы (PEMD 2010), 5-я Международная конференция IET по .
  28. ^ "Название заявки на патент: Устройство для генерации последовательностей импульсов напряжения, в частности, для работы емкостных разрядных ламп" . Дата публикации 2005 . Университет Карлсруэ . Проверено 23 мая 2011 года .
  29. ^ «Название заявки на патент: Адаптивный привод для лампы с диэлектрическим барьерным разрядом (DBD)» . Дата публикации 2008 . Поместье Брайарклифф, Нью-Йорк, США . Проверено 9 декабря 2010 года .
  30. ^ "Резонансное поведение генераторов импульсов для эффективного привода оптических источников излучения на основе диэлектрических барьерных разрядов" . Дата публикации 10.07.2013 . КИТ Научное издательство.