Плазма непосредственного пьезо-разряда (Hlg[bg uyhkvjy;vmfyuukik h,y[k-jg[jx;g)

Плазма непосредственного пьезо-разряда является типом холодной неравновесной плазмы генерируемой непосредственным разрядом высоковольтного пьезотрансформатора в атмосфере рабочего газа в широком диапазоне давлений, включая атмосферное. Благодаря компактности и эффективности пьезотрансформатора, этот способ генерации плазмы отличается особой компактностью, энергетической эффективностью и дешевизной.

Введение

Большинство промышленных генераторов холодной плазмы атмосферного давления используют блоки питания высокого напряжения либо постоянного тока либо низкочастотного переменного тока для создания и поддержания дугового разряда. Дуговой разряд создает плазму относительно однородную по температурам атомов, молекул, ионов и электронов, достигающую 6000 – 12000 К. ^[1]

Холодную неравновесную плазму атмосферного давления можно создать высокочастотным емкостным разрядом между электродами, разделенными диэлектрическими стенками. При этом используют высоковольтные блоки питания переменного тока.

Несмотря на то что это хорошо изученные и налаженные промышленные технологии, они имеют высокую стоимость, связанную с типичной дороговизной высоковольтной техники.

Технология непосредственного пьезо-разряда

В основе генератора плазмы непосредственного пьезо-разряда лежит пьезотрансформатор, вторичная цепь которого одновременно является электродом высокого напряжения, через который протекает разряд создающий плазму.^[2]^[3] Эта схема позволяет избавиться от дорогостоящих высоковольтных высокочастотных кабелей, и, благодаря компактности пьезотрансформатора, позволяет добиться особо компактных размеров генератора плазмы.

Пьезотрансформатор, который может быть изготовлен из кристалла цирконат-титаната свинца (ЦТС), генерирует переменное высокое напряжение преобразуя переменное низкое напряжение порядка нескольких вольт сначала в колебательную механическую энергию кристалла благодаря обратному пьезоэлектрическому эффекту, которая затем преобразуется в высокое напряжение благодаря прямому пьезоэлектрическому эффекту на другом конце пьезо-кристалла. ^[4]^[5] Работая при максимальной амплитуде механического резонанса, пьезотрансформаторы позволяют достичь коэффициентов трансформации по напряжению более 1000. Этим методом может быть создано переменное высокое напряжение с амплитудой порядка 5 – 15 кВ и частотой 10 – 500 кГц. Мощность такого трансформатора может достигать величин порядка 10 Вт.

Открытый конец пьезо-кристалла одновременно является электродом высокого переменного напряжения через который протекает разряд генерирующий плазму. Поскольку пьезо-кристалл является диэлектриком, свойства разряда напоминают свойства высокочастотного ёмкостного разряда протекающего через диэлектрик. В частности, разряд имеет структуру микро-нитей создающихся в короткие промежутки времени порядка микросекунд. На основе этой технологии были созданы микроструйные генераторы плазмы, а также генераторы коронного разряда. Эффективность таких генераторов достигает 90 %; при этом 10 % энергии теряется на тепловыделение в пьезо-кристалле.

Свойства плазмы

Температура частично ионизированного газа порядка 300 К была измерена методами оптической спектроскопии. Плотности электронов порядка 10⁻¹⁶-10⁻¹⁴ м⁻³ могут быть достигнуты в области разряда. Сам разряд может быть зажжён в воздушной атмосфере, а также в атмосфере таких газов как аргон, гелий, азот.

Применения

Свойства плазмы непосредственного пьезо-разряда открывают большую область применений в медицинских технологиях, микробиологии и клинических исследованиях.^[6]

Наиболее типичным промышленным применением плазмы непосредственного пьезо-разряда является плазменная активация поверхностей металлов и пластмасс с целью улучшения их смачиваемости. Такая обработка приводит к улучшению качества последующей склейки и печати. ^[7] При этом особая компактность генератора плазмы используется для создания портативных и ручных приборов.

Генераторы озона на основе плазмы непосредственного пьезо-разряда с высокой эффективностью создают средние концентрации озона.

Литература

↑ Ю.П. Райзер, Физика газового разряда, Издательский дом Интеллект, Долгопрудный, 2009
↑ M. Teschke and J. Engemann, Contrib. Plasma Phys. 49, 614 (2009)
↑ M. Teschke and J. Engemann, US020090122941A1, U.S. Patent application
↑ C.A. Rosen, K.A. Fish, H.C.Rothenberg, U.S. Patent No. 2,830,374 (April 1958)
↑ C.A. Rosen, in Solid State Magnetic and Dielectric Devices, edited by H. W. Katz (John Wiley & Sons, Inc., London, 1959) pp. 170-197
↑ A. Fridman, G. Friedman, "Plasma Medicine", Wiley; 1 edition (February 11, 2013)
↑ M. A. Lieberman, Al. J. Lichtenberg "Principles of Plasma Discharges and Materials Processing", Wiley-Interscience; 2 edition (April 14, 2005)

Ссылки

Piezoelectric Direct Discharge Technology

См. также

[1] Ю.П. Райзер, Физика газового разряда, Издательский дом Интеллект, Долгопрудный, 2009

[2] M. Teschke and J. Engemann, Contrib. Plasma Phys. 49, 614 (2009)

[3] M. Teschke and J. Engemann, US020090122941A1, U.S. Patent application

[4] C.A. Rosen, K.A. Fish, H.C.Rothenberg, U.S. Patent No. 2,830,374 (April 1958)

[5] C.A. Rosen, in Solid State Magnetic and Dielectric Devices, edited by H. W. Katz (John Wiley & Sons, Inc., London, 1959) pp. 170-197

[6] A. Fridman, G. Friedman, "Plasma Medicine", Wiley; 1 edition (February 11, 2013)

[7] M. A. Lieberman, Al. J. Lichtenberg "Principles of Plasma Discharges and Materials Processing", Wiley-Interscience; 2 edition (April 14, 2005)

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]