Диэлектрический барьерный разряд - Dielectric barrier discharge

Диэлектрический барьерный разряд (DBD) это электрический разряд между двумя электроды разделены изоляционным диэлектрик барьер. Первоначально назывался бесшумной (неслышной) разрядкой и также известен как озон выпуск продукции[1] или же частичная разрядка,[2] об этом впервые сообщил Эрнст Вернер фон Сименс в 1857 г.[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 диэлектрик (слюда ) простынь. 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. «Фундаментом» разряда является накопление заряда на поверхности преграды.

Процесс

В процессе обычно используется высокое напряжение. переменный ток, начиная от нижнего РФ к микроволновая печь частоты.[4] Однако были разработаны другие методы, позволяющие расширить частотный диапазон 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 с использованием полупроводникового слоя арсенида галлия (GaAs ) для замены диэлектрического слоя, позволяет этим устройствам приводиться в действие постоянным напряжением от 580 В до 740 В.[6]

Строительство

Устройства DBD могут быть выполнены во многих конфигурациях, обычно плоских, с использованием параллельных пластин, разделенных диэлектрик или цилиндрической, используя коаксиальный пластины с диэлектрической трубкой между ними.[7] В обычной коаксиальной конфигурации диэлектрик имеет ту же форму, что и обычный флуоресцентный трубки. Он заполнен при атмосферном давлении или инертным газом, или инертным газом.галогенид смеси, при этом стеклянные стенки действуют как диэлектрический барьер. Из-за уровня атмосферного давления для поддержания таких процессов требуется высокий уровень энергии. Общие диэлектрические материалы включают стекло, кварц, керамику и полимеры. Расстояние между электродами значительно варьируется: от менее 0,1 мм в плазменных дисплеях, от нескольких миллиметров в генераторах озона до нескольких сантиметров в CO.2 лазеры.

В зависимости от геометрии DBD может создаваться 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 можно получить с помощью конфигурации VDBD. [9] В SDBD микроразряды ограничены поверхностью, поэтому их плотность выше по сравнению с VDBD.[10] Плазма генерируется на поверхности пластины SDBD. Для легкого зажигания VDBD и получения равномерно распределенного разряда в промежутке можно использовать предыонизационный DBD.[11]

Особо компактный и экономичный плазменный генератор DBD может быть построен на принципах пьезоэлектрический прямой разряд. В этом методе высокое напряжение генерируется пьезопреобразователем, вторичная цепь которого действует также как электрод высокого напряжения. Поскольку материал трансформатора является диэлектриком, возникающий электрический разряд напоминает свойства диэлектрического барьерного разряда.[12][13]

Операция

Множество случайных дуг образуют в процессе работы зазор между двумя электродами более 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. Как и в случае с другими методами электрического разряда, плазма поддерживается, если непрерывный источник энергии обеспечивает требуемую степень ионизация, преодолевая процесс рекомбинации, приводящий к гашению плазмы разряда. Такие рекомбинации прямо пропорциональны столкновениям между молекулами и, в свою очередь, давлению газа, как объясняется Закон Пашена. Процесс разряда вызывает выброс энергетического фотон, частота и энергия которого соответствуют типу газа, используемого для заполнения разрядного промежутка.

Приложения

Использование генерируемого излучения

DBD можно использовать для генерации оптического излучения за счет релаксации возбужденных частиц в плазме. Основное применение здесь - генерация УФ-излучения. Такой эксимерные ультрафиолетовые лампы может излучать свет с короткими длинами волн, которые можно использовать для получения озон 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 века использовались DBD.[15] поскольку в качестве продуктов разряда образуется несколько азотно-кислородных соединений.[3]

Использование генерируемой плазмы

С XIX века DBD были известны тем, что разлагали различные газообразные соединения, такие как NH3, H2S и CO2. Другие современные области применения включают производство полупроводников, бактерицидные процессы, обработку поверхности полимеров, производство углекислого газа высокой мощности.2 лазеры, обычно используемые для сварки и резки металла, борьбы с загрязнением и плазменные панели, аэродинамический управление потоком … Относительно более низкая температура DBD делает его привлекательным методом генерации плазмы при атмосферном давлении.

Промышленность

Сама плазма используется для модификации или очистки (плазменная очистка ) поверхности материалов (например, полимеры, полупроводник поверхности), которые также могут действовать как диэлектрический барьер или изменять газы [16] далее применяется к «мягкому» плазменная очистка и увеличение адгезия поверхностей, подготовленных к покрытию или склеиванию (плоский дисплей технологии).

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 для улучшения смачиваемость, улучшить поглощение красителей и адгезия, и для стерилизация. 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]

An эксимерная лампа может использоваться как мощный источник коротковолнового ультрафиолетового света, полезного в химических процессах, таких как очистка поверхности полупроводниковых пластин.[18] Лампа использует диэлектрический барьерный разряд в атмосфере ксенона и других газов для образования эксимеров.

Очистка воды

Дополнительный процесс при использовании хлор газ для удаления бактерий и органических загрязнений в системах питьевого водоснабжения.[19] Обработка общественных купален, аквариумов и рыбных прудов предполагает использование ультрафиолетовая радиация образуется, когда диэлектрическая смесь ксенон используются газ и стекло.[20][21]

Модификация поверхности материалов

Приложение, 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 так далее. Полимерные поверхности легко обрабатывать с помощью DBD, которые в некоторых случаях предлагают большую площадь обработки.[22]

Лекарство

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 приложений - биомедицинских приложений плазмы. В области биомедицинских приложений появились три основных подхода: прямая терапия, модификация поверхности и плазменное нанесение полимеров. Плазменные полимеры могут контролировать и регулировать взаимодействия биологических материалов с биоматериалами (то есть адгезию, пролиферацию и дифференциацию) или подавление адгезии бактерий. [24]

Аэронавтика

Смотрите также: Электростатический жидкостный ускоритель

Интерес к плазменные актуаторы как активный управление потоком количество устройств быстро растет из-за отсутствия в них механических частей, небольшого веса и высокой частоты отклика.[25]

Характеристики

По своей природе эти устройства обладают следующими свойствами:

  • емкостная электрическая нагрузка: низкая Фактор силы 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 более высокой эффективности разряда.

Схема проезда

Драйверы для этого типа электрической нагрузки - это силовые ВЧ-генераторы, которые во многих случаях содержат трансформатор для генерации высокого напряжения. Они напоминают механизм управления, используемый для управления компактные люминесцентные лампы или же люминесцентные лампы 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 власть, потребляемый лампой, должен поступать от источника 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 схемам. Базовые топологии резонансны лететь обратно[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 схемных концепций 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]

Рекомендации

  1. ^ Мацуно, Хиромицу, Нобуюки Хисинума, Кеничи Хиросе, Кунио Касаги, Фумитоси Такемото, Ёсинори Айура и Тацуши Игараси. Лампа с диэлектрическим барьерным разрядом, патент США 5757132 (Коммерческий сайт). Freepatentsonline.com. Впервые опубликовано 26 мая 1998 г. Проверено 5 августа 2007.
  2. ^ Дали, С.К .; 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.
  3. ^ а б 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 г.. Европейская конференция по аэрозолям 2009 г. Карлсруэ. Архивировано из оригинал (PDF) 19 июля 2011 г.. Получено 2010-12-10.
  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 постоянного тока, анализ устойчивости и численные решения» (PDF). Дата публикации 15–20 июля 2007 г.. ICPIG Прага, Чешская Республика. Получено 9 декабря 2010.
  7. ^ а б Краус, Мартин, Бальдур Элиассон, Ульрих Когельшатцб и Александр Вокауна. CO2 риформинг метана сочетанием разрядов с диэлектрическим барьером и катализа Физическая химия Химическая физика, 2001, 3, 294-300. Проверено 5 августа 2007.
  8. ^ Motrescu, I .; Ciolan, M. A .; Sugiyama, K .; Кавамура, Н. и Нагацу, М. (2018). «Использование предыонизационных электродов для создания больших объемов, плотно распределенных нитевидных диэлектрических барьерных разрядов для обработки поверхности материалов». Источники плазмы Наука и технологии. 27 (11): 115005. Bibcode:2018PSST ... 27k5005M. Дои:10.1088 / 1361-6595 / aae8fd.
  9. ^ Гибалов В. И., Пич Г. Дж. (2000). «Развитие диэлектрических барьерных разрядов в газовых зазорах и на поверхностях». Журнал физики D: Прикладная физика. 33 (20): 2618–2636. Bibcode:2000JPhD ... 33,2618G. Дои:10.1088/0022-3727/33/20/315.
  10. ^ Radacsi, N .; Van der Heijden, A. E. D. M .; Станкевич, А. И .; тер Хорст, Дж. Х. (2013). «Холодно-плазменный синтез высококачественных органических наночастиц при атмосферном давлении». Журнал исследований наночастиц. 15 (2): 1–13. Bibcode:2013JNR .... 15.1445R. Дои:10.1007 / s11051-013-1445-4. S2CID  97236015.
  11. ^ Motrescu, I .; Ciolan, M. A .; Sugiyama, K .; Кавамура, Н. и Нагацу, М. (2018). «Использование предыонизационных электродов для создания больших объемов, плотно распределенных нитевидных диэлектрических барьерных разрядов для обработки поверхности материалов». Источники плазмы Наука и технологии. 27 (11): 115005. Bibcode:2018PSST ... 27k5005M. Дои:10.1088 / 1361-6595 / aae8fd.
  12. ^ M. Teschke и J. Engemann, Contrib. Plasma Phys. 49, 614 (2009)
  13. ^ M. Teschke и J. Engemann, US020090122941A1, заявка на патент США
  14. ^ «Диэлектрические разряды. Принципы и применения» (PDF). ABB Corporate Research Ltd., Баден, Швейцария. 11 октября 1997 г.. Получено 19 января 2013.
  15. ^ Чисхолм, Хью, изд. (1911). «Азот». Британская энциклопедия. 16 (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета. С. 714–716.
  16. ^ Евгений В. Шунько 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 ... 102х3304С. Дои:10.1063/1.2794857.
  17. ^ Текстильный институт, Экологичный текстиль, CRC Press, ISBN  978-1-84569-453-1 стр. 156
  18. ^ «Диэлектрик». Siliconfareast.com 2001-2006 гг.. Получено 8 января 2011.
  19. ^ «Система диэлектрического барьерного разряда с каталитически активным пористым сегментом для улучшения очистки воды» (PDF). Физический факультет Западночешского университета, Univerzitni 22, 306 14 Plzen, Чешская Республика, 2008 г.. Получено 9 января 2011.
  20. ^ "УФ против хлора". Atguv.com 2010. Получено 9 января 2011.
  21. ^ «Газоразрядная лампа с диэлектрическим барьером, содержащая люминофор УФ-В». Freepatentsonline.com 21.12.2010. Получено 9 января 2011.
  22. ^ Nagatsu, M .; Sugiyama, K .; Motrescu, I .; Ciolan, M. A .; Огино, А., Кавамура, Н. (2018). «Модификация поверхности фторсодержащих смол с использованием устройства для разряда с диэлектрическим барьером с удлиненными параллельными пластинами». Журнал науки и технологий фотополимеров. 31 (3): 379–383. Дои:10.2494 / фотополимер. 31.379.
  23. ^ M. Laroussi, "Стерилизация загрязненных материалов плазмой атмосферного давления", IEEE Trans. Plasma Sci. 24, 1188 (1996)
  24. ^ Чуба, Уршула; 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. Дои:10.1002 / adhm.201701059. PMID  29577666. S2CID  4327417.
  25. ^ Рот, Дж. Рис (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 г.. Конференция по силовой электронике (IPEC) 2010 International. С. 2331–2338. Дои:10.1109 / IPEC.2010.5543677. ISBN  978-1-4244-5394-8. S2CID  47493560.
  27. ^ «Резонансное поведение импульсного электронного устройства управления диэлектрическими барьерными разрядами». 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 г.. Университет Карлсруэ. Получено 23 мая 2011.
  29. ^ «Название патентной заявки: Адаптивный привод для лампы с диэлектрическим барьерным разрядом (DBD)». Дата публикации 2008 г.. Поместье Брайарклифф, Нью-Йорк нас. Получено 9 декабря 2010.
  30. ^ «Резонансное поведение генераторов импульсов для эффективного привода оптических источников излучения на основе диэлектрических барьерных разрядов». Дата публикации 10.07.2013. КИТ Научное издательство.