Dielektrický bariérový výboj - Dielectric barrier discharge
Dielektrický bariérový výboj ( DBD ) je elektrický výboj mezi dvěma elektrodami oddělenými izolační dielektrickou bariérou. Původně se tomu říkalo tichý (neslyšitelný) výboj a také se mu říkalo vypouštění produkce ozonu nebo částečné výboje , poprvé to oznámil Ernst Werner von Siemens v roce 1857.
Proces
Tento proces obvykle používá střídavý proud vysokého napětí , od nižších RF po mikrovlnné frekvence. Byly však vyvinuty další metody k rozšíření frekvenčního rozsahu až do DC. Jednou z metod bylo použití vrstvy s vysokým odporem k pokrytí jedné z elektrod. Toto je známé jako odporový bariérový výboj. Další technika využívající polovodičovou vrstvu arzenidu galia ( GaAs ) k nahrazení dielektrické vrstvy umožňuje, aby tato zařízení byla poháněna stejnosměrným napětím mezi 580 V a 740 V.
Konstrukce
Zařízení DBD mohou být vyrobena v mnoha konfiguracích, obvykle rovinných, s použitím paralelních desek oddělených dielektrikem nebo válcovitých, pomocí koaxiálních desek s dielektrickou trubicí mezi nimi. V běžné koaxiální konfiguraci je dielektrikum tvarováno ve stejné formě jako běžné fluorescenční trubice. Je naplněn za atmosférického tlaku buď směsí vzácných plynů nebo vzácných plynných halogenidů , přičemž skleněné stěny působí jako dielektrická bariéra. Vzhledem k úrovni atmosférického tlaku vyžadují takové procesy k udržení vysoké energetické hladiny. Mezi běžné dielektrické materiály patří sklo, křemen, keramika a polymery. Mezera Vzdálenost mezi elektrodami se značně liší, od méně než 0,1 mm v plazmových displejů, několik milimetrů v ozonu generátorů a až o několik centimetrů v CO 2 laseru.
V závislosti na geometrii lze DBD generovat v objemu (VDBD) nebo na povrchu (SDBD). U VDBD je plazma generována mezi dvěma elektrodami, například mezi dvěma paralelními deskami s dielektrikem mezi nimi. U SDBD jsou mikro výboje generovány na povrchu dielektrika, což má za následek homogennější plazmu, než jaké lze dosáhnout pomocí konfigurace VDBD. U SDBD jsou mikrod výboje omezeny na povrch, proto je jejich hustota ve srovnání s VDBD vyšší. Plazma je generována na povrchu SDBD desky. Pro snadné zapálení VDBD a získání rovnoměrně rozloženého výboje v mezeře lze použít preionizační DBD.
Na základě principů piezoelektrického přímého výboje lze postavit konkrétní kompaktní a ekonomický plazmový generátor DBD . V této technice je vysoké napětí generováno piezo-transformátorem, jehož sekundární obvod funguje také jako vysokonapěťová elektroda. Protože materiál transformátoru je dielektrikum, vyrobený elektrický výboj se podobá vlastnostem bariérového výbojku dielektrika.
Úkon
Při výbojích plynů za atmosférického tlaku vzniká v provozním prostoru více než 1,5 mm mezi oběma elektrodami mnoho náhodných oblouků. Jak se náboje shromažďují na povrchu dielektrika, vybíjejí se v mikrosekundách (miliontinách sekundy), což vede k jejich reformaci jinde na povrchu. Podobně jako u jiných metod elektrického výboje je obsažená plazma udržována, pokud kontinuální zdroj energie poskytuje požadovaný stupeň ionizace a překonává proces rekombinace vedoucí k zániku výbojové plazmy. Takové rekombinace jsou přímo úměrné srážkám mezi molekulami a následně tlaku plynu, jak vysvětluje Paschenův zákon . Proces vybíjení způsobuje emisi energetického fotonu , jehož frekvence a energie odpovídá typu plynu použitého k vyplnění vybíjecí mezery.
Aplikace
Využití generovaného záření
DBD lze použít ke generování optického záření relaxací excitovaných druhů v plazmě. Hlavní aplikací je generování UV záření. Takové excimerové ultrafialové lampy mohou produkovat světlo s krátkými vlnovými délkami, které lze použít k výrobě ozónu v průmyslových měřítcích. Ozon se stále hojně používá v průmyslové úpravě vzduchu a vody. Počáteční pokusy 20. století o komerční produkci kyseliny dusičné a amoniaku používaly DBD jako několik sloučenin dusíku a kyslíku, které jsou generovány jako produkty vypouštění.
Využití generované plazmy
Od 19. století, DBDs byly známé pro jejich rozkladu různých plynných sloučenin, jako je NH 3 , H 2 S a CO 2 . Mezi další moderní aplikace patří výroba polovodičů, germicídní procesy, povrchová úprava polymerů, vysoce výkonné lasery CO 2, které se obvykle používají pro svařování a řezání kovů, panely pro kontrolu znečištění a plazmové displeje , aerodynamické řízení toku ... Relativně nižší teplota DBD z něj činí atraktivní metoda generování plazmy za atmosférického tlaku.
Průmysl
Plazma se používá k úpravě nebo čištění ( čištění plazmy ) povrchů materiálů (např. Polymerů , polovodičových povrchů), které mohou také působit jako dielektrická bariéra, nebo k úpravě plynů aplikovaných dále na „měkké“ čištění plazmy a zvýšení přilnavosti připravených povrchů pro potahování nebo lepení ( technologie plochých panelových displejů ).
Dielektrický bariérový výboj je jednou z metod plazmového zpracování textilií za atmosférického tlaku a pokojové teploty. Úpravu lze použít k úpravě povrchových vlastností textilu ke zlepšení smáčivosti , zlepšení absorpce barviv a přilnavosti a ke sterilizaci . Plazma DBD poskytuje suché zpracování, které nevytváří odpadní vodu ani nevyžaduje sušení tkaniny po úpravě. Pro úpravu textilu vyžaduje systém DBD několik kilovoltů střídavého proudu v rozmezí 1 až 100 kilohertz. Na izolované elektrody s milimetrovou mezerou, kterou prochází textilie, se přivádí napětí.
Excimer lampa může být použit jako silný zdroj krátkých vlnových délek ultrafialového světla, užitečné v chemických procesech, jako je čištění povrchu polovodičových destiček. Při výrobě excimerů se lampa spoléhá na dielektrický bariérový výboj v atmosféře xenonu a dalších plynů.
Úprava vody
Další postup při použití plynného chloru k odstranění bakterií a organických nečistot v zásobách pitné vody. Úprava veřejných plaveckých lázní, akvárií a rybníků zahrnuje použití ultrafialového záření, které vzniká při použití dielektrické směsi xenonového plynu a skla.
Povrchová úprava materiálů
Aplikace, kde lze úspěšně použít DBD, je upravit vlastnosti povrchu materiálu. Modifikace se může zaměřit na změnu její hydrofilnosti, povrchovou aktivaci, zavedení funkčních skupin atd. Polymerní povrchy se snadno zpracovávají pomocí DBD, které v některých případech nabízejí vysokou oblast zpracování.
Lék
Dielektrické bariérové výboje byly použity ke generování relativně velkého objemu difuzních plazmat za atmosférického tlaku a aplikovány na inaktivaci bakterií v polovině 90. let. To nakonec vedlo k vývoji nové oblasti aplikací, biomedicínských aplikací plazmatu. V oblasti biomedicínské aplikace se objevily tři hlavní přístupy: přímá terapie, povrchová modifikace a depozice polymeru plazmy. Plazmové polymery mohou řídit a řídit biologicko -biomateriálové interakce (tj. Adheze, proliferace a diferenciace) nebo inhibici adheze bakterií.
Letectví
Zájem o plazmové pohony jako aktivní zařízení pro řízení toku rychle roste kvůli jejich nedostatku mechanických částí, nízké hmotnosti a vysoké frekvenci odezvy.
Vlastnosti
Vzhledem ke své povaze mají tato zařízení následující vlastnosti:
- kapacitní elektrické zatížení: nízký účiník v rozsahu 0,1 až 0,3
- vysoké zapalovací napětí 1–10 kV
- obrovské množství energie uložené v elektrickém poli - požadavek rekuperace energie, pokud není DBD poháněno nepřetržitě
- napětí a proudy během vybíjení mají zásadní vliv na chování při vybíjení (vláknité, homogenní).
Provoz s kontinuálními sinusovými nebo čtvercovými vlnami se většinou používá v průmyslových zařízeních s vysokým výkonem. Pulzní provoz DBD může vést k vyšší účinnosti vybíjení.
Hnací obvody
Ovladače pro tento typ elektrického zatížení jsou výkonové vysokofrekvenční generátory, které v mnoha případech obsahují transformátor pro generování vysokého napětí. Připomínají ovládací zařízení používané k ovládání kompaktních zářivek nebo zářivek se studenou katodou . Provozní režim a topologie obvodů pro provoz [DBD] lamp se spojitým sinusovým nebo čtvercovým vlněním jsou podobné těm standardním ovladačům. V těchto případech se energie, která je uložena v kapacitě DBD, nemusí po každém zapálení znovu získávat do mezilehlého zdroje. Místo toho zůstává v obvodu (osciluje mezi kapacitou [DBD] a alespoň jednou indukční složkou obvodu) a pouze skutečný výkon , který je spotřebován lampou, musí být zajištěn napájecím zdrojem. Ovladače pro pulzní provoz trpí poměrně nízkým účiníkem a v mnoha případech musí plně obnovit energii DBD. Protože pulzní provoz [DBD] lamp může vést ke zvýšení účinnosti lamp, mezinárodní výzkum vedl k přizpůsobení konceptů obvodů. Základní topologie jsou rezonanční flyback a rezonanční poloviční můstek . Flexibilní obvod, který kombinuje dvě topologie, je uveden ve dvou patentových přihláškách a lze jej použít k adaptivnímu pohonu DBD s různou kapacitou.
Přehled různých konceptů obvodů pro pulzní provoz zdrojů optického záření DBD je uveden v části „Rezonanční chování generátorů pulsů pro efektivní pohon zdrojů optického záření na základě výbojů s dielektrickou bariérou“.