Войти
Диэлектрический барьерный разряд (DBD ) - это электрический разряд между двумя электродами , разделенными изолирующим диэлектрическим барьером. Первоначально называемый бесшумным (неслышным) разрядом и также известный как производственный разряд озона или частичный разряд, о нем впервые сообщил Эрнст Вернер фон Сименс в 1857 году. 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 листом диэлектрика (слюды ). Нити представляют собой столбы проводящей плазмы, а основание каждой нити представляет собой накопленный на поверхности заряд.
Типичная конструкция устройства DBD. 
Диэлектрический барьерный разряд, создаваемый 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. «Основой» разряда является накопление заряда на поверхности барьера. В процессе обычно используется высокое напряжение переменного тока в диапазоне от более низкого RF до микроволновые частоты. 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 известно как резистивный барьерный разряд. Другой метод, использующий полупроводниковый слой арсенида галлия (GaAs ) для замены диэлектрического слоя, позволяет управлять этими устройствами постоянным напряжением от 580 В до 740 В.
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. В обычной коаксиальной конфигурации диэлектрик имеет ту же форму, что и обычная флуоресцентная трубка. Он заполнен при атмосферном давлении смесью инертного газа или инертного газа с галогенидом, причем 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, до нескольких миллиметров в генераторах озона и до нескольких сантиметров в лазерах на CO 2.
В зависимости от геометрии DBD может быть создан в объеме (VDBD) или на поверхности (SDBD). В случае VDBD плазма создается между двумя электродами, например, между двумя параллельными пластинами с диэлектриком между ними. В SDBD микроразряды генерируются на поверхности диэлектрика, что приводит к более однородной плазме, чем может быть достигнута с помощью конфигурации VDBD. В SDBD микроразряды ограничены поверхностью, поэтому их плотность выше по сравнению с VDBD. Плазма генерируется на поверхности пластины SDBD. Для легкого зажигания VDBD и получения равномерно распределенного разряда в зазоре можно использовать предионизационный DBD.
Конкретный компактный и экономичный плазменный генератор DBD может быть построен на основе принципов пьезоэлектрического 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.
Во время работы образуется множество случайных дуг, зазор между двумя электродами превышает 1,5 мм. разряды в газах при атмосферном давлении. 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, содержащаяся 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 это объясняется законом Пашена. Процесс разряда вызывает излучение энергичного фотона, частота и энергия которого соответствуют типу газа, используемого для заполнения разрядного промежутка.
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 могут использоваться для производства озона в промышленных масштабах. Озон по-прежнему широко используется в промышленности для очистки воздуха и воды. В попытках коммерческого производства азотной кислоты и аммиака в начале 20-го века использовались DBD, так как в качестве продуктов разряда генерируются несколько азотно-кислородных соединений.
С XIX века DBD использовались известны своим разложением различных газообразных соединений, таких как NH 3, H 2 S и CO 2. Другие современные применения включают производство полупроводников, бактерицидные процессы, обработку поверхности полимеров, мощные CO 2 лазеры, обычно используемые для сварки и резки металла, контроль загрязнения и плазменные панели, аэродинамический контроль потока … Относительно более низкая температура DBD делает его привлекательным методом генерации плазмы при атмосферном давлении.
Сама плазма используется для модификации или очистки (плазменной очистки ) поверхностей материалов (например, полимеров, полупроводников поверхностей), которые также могут действовать как диэлектрический барьер или для модификации газов, применяемых дополнительно для «мягкой» плазменной очистки и повышения адгезии поверхностей, подготовленных для покрытия или склеивания (плоские дисплеи 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 смачиваемости, улучшения абсорбции 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.
эксимерная лампа может использоваться в качестве мощного источника коротковолнового ультрафиолетового света, полезного в химической промышленности. такие процессы, как очистка поверхности полупроводниковых пластин. Лампа использует диэлектрический барьерный разряд в атмосфере ксенона и других газов для образования эксимеров.
Дополнительный процесс при использовании газа хлор для удаления бактерий и органических загрязнителей из систем питьевого водоснабжения. Обработка общественных бассейнов, аквариумов и прудов с рыбками включает использование ультрафиолетового излучения, образующегося при использовании диэлектрической смеси газа ксенона и стекла.
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.
Диэлектрические барьерные разряды использовались для генерации диффузной плазмы относительно большого объема при атмосферном давлении и применялся для инактивации бактерий в середине 1990-х годов, что в конечном итоге привело к развитию новой области применения - биомедицинских приложений плазмы. В области биомедицинских приложений появились три основных подхода: прямая терапия, модификация поверхности и плазменное нанесение полимеров. Плазменные полимеры могут контролировать и управлять взаимодействием биологических материалов с биоматериалами (т.е. адгезией, пролиферацией и дифференцировкой) или ингибированием адгезии бактерий.
Интерес к плазменным актуаторам как к устройствам активного управления потоком быстро растет из-за отсутствия в них механических частей, небольшого веса и высокой чувствительности частота.
В силу своей природы эти устройства обладают следующими свойствами:
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.
Драйверы для этого типа электрической нагрузки представляют собой 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 непрерывной синусоидальной или прямоугольной волной 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 должна подаваться только реальная мощность, которая потребляется лампой. по блоку 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 - резонансный обратный ход и резонансный полумост. Гибкая схема, объединяющая две топологии, представлена в двух патентных заявках 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».
