Piezoelektrisk direkturladdningsplasma

Piezoelektrisk direkturladdning ( PDD ) plasma är en typ av kall icke-jämviktsplasma , genererad av en direkt gasurladdning från en piezoelektrisk högspänningstransformator. Det kan antändas i luft eller andra gaser i ett brett spektrum av tryck, inklusive atmosfärstryck. På grund av kompaktheten och effektiviteten hos den piezoelektriska transformatorn är denna metod för plasmagenerering särskilt kompakt, effektiv och billig. Det möjliggör ett brett spektrum av industriella, medicinska och konsumenttillämpningar.

Bakgrund

Kalla icke-jämviktsplasma med atmosfäriskt tryck kan produceras av högspänningsurladdningar i atmosfären av olika arbetsgaser. Följande tre typer av elektriska urladdningar har de flesta tillämpningar i industriella processer:

  • Elektriska ljusbågsurladdningar är självförsörjande likströmsurladdningar som kännetecknas av höga elektriska strömmar, som dras från katoden av intensiv termion- och fältemission. På grund av de intensiva strömmarna når ljusbågens volym termisk jämvikt med temperaturer på 6 000 – 12 000 C. Medan ljusbågsurladdningen kan upprätthållas i likströmsläget är en pulsad operation mer stabil mot defekter hos en snabbt eroderande katodyta.
  • Koronaurladdningar förekommer i områden med höga elektriska fält med höga fältgradienter, som finns nära skarpa kanter på högspänningselektroder. För att förhindra gnistbildning bör sådana elektroder vara långt från den elektriska jordningen. Medan koronaurladdningar kräver ganska höga spänningar är de utsända elektriska strömmarna låga, vilket resulterar i en låg urladdningseffekt. Även om DC-driften är standard för koronaurladdningen, ökar AC-driften dess effekt.
  • Dielektrisk barriärurladdning sker mellan två elektroder separerade av ett dielektrikum när elektroderna är förspända av en sinusvåg eller pulsad högspänning. Urladdningsströmmen kommer från ytan av dielektrikumet. Effekten hos den dielektriska barriärurladdningen är betydligt högre än den hos koronaurladdningen, men mindre jämfört med bågurladdningen.

Alla dessa typer av elektriska urladdningar kräver högspänningselektronik och högspänningskablar. De är skrymmande, dyra och kan i fallet med växelström vara mycket ineffektiva på grund av dielektriska förluster. Dessutom kräver industriella applikationer ofta hög effekt i storleksordningen 1 kW. Detta ställer stränga säkerhetskrav på högspänningskapslingarna med öppna elektroder. En konstruktion baserad på flera lågeffekts högspänningsmoduler kan förbättra säkerhetsaspekterna. På samma sätt bör inkorporering av högspänningsgeneratorn och urladdningselektroden i en enda modul minska dielektriska förluster i kablarna. Men hittills har ingen kostnadseffektiv lösning på systemet baserad på lågeffektmoduler hittats.

Principer för PDD

Piezoelektrisk direkturladdning använder en piezoelektrisk transformator som en generator för AC-högspänning. Högspänningssidan av denna transformator fungerar som en elektrod som genererar elektriska urladdningar i luften eller andra arbetsgaser som producerar atmosfärstryckplasma. Den piezoelektriska transformatorn är mycket kompakt och kräver endast en källa med låg spänning AC. Detta gör att hela plasmageneratorn kan göras exceptionellt kompakt och billig, vilket möjliggör konstruktion av handhållna plasmageneratorer eller kostnadseffektiva plasmageneratorer.

Piezoelektriska transformatorer av typen Rosen, som kan vara gjorda av blyzirkonattitanat , omvandlar den elektriska energin i form av lågspänningsväxelström till mekaniska svängningar. Följaktligen producerar dessa mekaniska svängningar högspänning AC i den andra änden av transformatorn. Den högsta amplituden uppnås vid mekaniska resonanser, som uppträder vid frekvenserna typiskt mellan 10 kHz och 500 kHz. Dimensionerna på den piezoelektriska kristallen definierar resonansfrekvensen, medan dess dielektriska miljö kan orsaka små förskjutningar av resonansen. Lågspänningselektroniken justerar kontinuerligt frekvensen för att hålla transformatorn i drift inom resonansen. Vid resonans erbjuder sådana transformatorer mycket höga spänningsomvandlingsfaktorer upp till 1000 med spänningar på 5 – 15 kV.

Plasmas egenskaper

Elektriska urladdningar som produceras i gasen från den piezoelektriska transformatorns högspänningssida har egenskaper som även återfinns i koronaurladdningarna och i de dielektriska barriärurladdningarna. Medan den förra moden inträffar när högspänningssidan av den piezoelektriska transformatorn drivs långt från den elektriska jordningen, inträffar den senare moden när den drivs nära den elektriska jordningen åtskilda av ett dielektrikum. Nära den öppna elektriska jordningen producerar den piezoelektriska transformatorn periodiska gnistor. Övergång till ljusbågen sker inte på grund av transformatorns begränsade effekt. Den typiska effekten för sådana transformatorer är i storleksordningen 10 W. Effektiviteten för plasmagenereringen når 90%, medan de återstående 10% av effekten går förlorad på grund av mekanisk och dielektrisk uppvärmning av den piezoelektriska transformatorn.

På grund av låga elektriska strömmar, typiska för den dielektriska barriären och koronaurladdningarna, producerar den piezoelektriska direkturladdningen ett icke-jämviktsplasma. Det betyder att dess ingående elektroner, joner och de neutrala gaspartiklarna har olika kinetiska energifördelningar. Temperaturen på den neutrala gasen i plasmavolymen förblir lägre än 50 C. Samtidigt når elektronerna och jonerna energier på 1 – 10 eV. Detta är 300 – 3000 gånger högre än medelenergin för de neutrala gaspartiklarna. Elektronernas och jonernas täthet når 10 16 – 10 14 m −3 . Eftersom större delen av plasmavolymen består av den kalla neutrala gasen är plasman kall. Men de mycket energiska elektronerna och jonerna exciterar atomer och molekyler som producerar stora mängder kortlivade kemiska arter, vilket gör denna plasma kemiskt mycket aktiv.

Ansökningar

Egenskaperna hos piezoelektriska direkturladdningsplasma möjliggör ett stort spektrum av tillämpningar inom medicinsk teknik, mikrobiologi och klinisk forskning. Typiska industriella tillämpningar inkluderar ultrafin rengöring och plasmaaktivering av metall-, keramik-, glas- och plastytor. Sådan plasmabehandling ökar ytenergin och förbättrar ytans vätbarhet och vidhäftning . Det senare ökar kvaliteten på den efterföljande tryckningen eller limningen.

Mycket kompakta dimensioner av PDD-plasmageneratorn breddar sfären av möjliga applikationer ytterligare till kompakta enheter för laboratoriearbete, handhållna applikationer, ozongeneratorer och till och med konsumentprodukter.

Se även

  1. ^ M. Teschke och J. Engemann, Contrib. Plasma Phys. 49, 614 (2009)
  2. ^ M. Teschke och J. Engemann, US020090122941A1, amerikansk patentansökan
  3. ^ CA Rosen, KA Fish, HCRothenberg, US-patent nr 2 830 274 ​​(april 1958)
  4. ^ CA Rosen, i Solid State Magnetic and Dielectric Devices, redigerad av HW Katz (John Wiley & Sons, Inc., London, 1959) s. 170–197
  5. ^ A. Fridman, G. Friedman, "Plasmamedicin", Wiley; 1 upplaga (11 februari 2013)
  6. ^ MA Lieberman, Al. J. Lichtenberg "Principles of Plasma Discharges and Materials Processing", Wiley-Interscience; 2 upplagan (14 april 2005)
Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Piezoelectric_direct_discharge_plasma&oldid=1026732095 "