Войти
Пьезоэлектрический прямой разряд (PDD ) плазма - это тип холодной неравновесной плазмы, создаваемой прямым газовым разрядом высоковольтного пьезоэлектрического преобразователя. Он может воспламеняться в воздухе или других газах в широком диапазоне давлений, включая атмосферное. Благодаря компактности и эффективности пьезоэлектрического трансформатора этот метод генерации плазмы особенно компактен, эффективен и дешев. Он позволяет использовать широкий спектр промышленных, медицинских и бытовых приложений.
Холодная неравновесная плазма атмосферного давления может образовываться высоковольтными разрядами в атмосфере различных рабочих газов. Следующие 3 типа электрических разрядов нашли наибольшее применение в промышленных процессах:
Все эти типы электрических разрядов требуют высоковольтной электроники и высоковольтных кабелей. Они громоздкие, дорогие и в случае питания переменного тока могут быть очень неэффективными из-за диэлектрических потерь. Более того, в промышленных приложениях часто требуется высокая мощность порядка 1 кВт. Это предъявляет строгие требования безопасности к высоковольтным шкафам с открытыми электродами. Конструкция на основе нескольких маломощных высоковольтных модулей может улучшить аспекты безопасности. Точно так же объединение генератора высокого напряжения и разрядного электрода в один модуль должно снизить диэлектрические потери в кабелях. Однако до сих пор не найдено экономичного решения системы на базе маломощных модулей.
Пьезоэлектрический прямой разряд использует пьезоэлектрический преобразователь в качестве генератора переменного тока высокого напряжения. Сторона высокого напряжения этого трансформатора действует как электрод, генерирующий электрические разряды в воздухе или других рабочих газах, производящих плазму атмосферного давления. Пьезоэлектрический трансформатор очень компактен и требует только источника переменного тока низкого напряжения малой мощности. Это позволяет сделать весь плазменный генератор исключительно компактным и дешевым, что позволяет создавать портативные плазменные генераторы или рентабельные массивы плазменных генераторов.
Пьезоэлектрические трансформаторы типа Розена, которые могут быть изготовлены из цирконата-титаната свинца, преобразуют электрическую энергию переменного тока низкого напряжения в механические колебания. Следовательно, эти механические колебания создают высокое напряжение переменного тока на другом конце трансформатора. Наибольшая амплитуда достигается при механических резонансах, которые обычно возникают на частотах от 10 кГц до 500 кГц. Размеры пьезоэлектрического кристалла определяют резонансную частоту, а его диэлектрическая среда может вызывать небольшие сдвиги резонанса. Электроника низкого напряжения непрерывно регулирует частоту, чтобы трансформатор работал в резонансе. В резонансе такие трансформаторы имеют очень высокие коэффициенты преобразования напряжения до 1000 при напряжении 5-15 кВ.
Электрические разряды, возникающие в газе со стороны высокого напряжения пьезоэлектрического преобразователя, обладают свойствами, обнаруженными также в коронных разрядах и в разрядах диэлектрического барьера. В то время как первый режим возникает, когда сторона высокого напряжения пьезоэлектрического преобразователя работает вдали от заземления, последний режим возникает, когда он работает рядом с заземлением, разделенным диэлектриком. Возле открытых электрических площадок пьезоэлектрический преобразователь выдает периодические искры. Переход на электрическую дугу не происходит из-за ограниченной мощности трансформатора. Типичная мощность таких трансформаторов составляет порядка 10 Вт. Эффективность генерации плазмы достигает 90%, а оставшиеся 10% мощности теряются из-за механического нагрева пьезоэлектрического преобразователя.
Из-за низких электрических токов, характерных для диэлектрического барьера и коронных разрядов, прямой пьезоэлектрический разряд создает неравновесную плазму. Это означает, что составляющие его электроны, ионы и частицы нейтрального газа имеют различное распределение кинетической энергии. Температура нейтрального газа в объеме плазмы остается ниже 50 C. В то же время электроны и ионы достигают энергии 1 - 10 эВ. Это в 300 - 3000 раз больше, чем средняя энергия частиц нейтрального газа. Плотность электронов и ионов достигает 10 - 10 мкм. Поскольку большая часть объема плазмы состоит из холодного нейтрального газа, плазма холодная. Однако очень энергичные электроны и ионы возбуждают атомы и молекулы, производя большое количество короткоживущих химических соединений, что делает эту плазму химически очень активной.
Свойства пьезоэлектрической плазмы прямого разряда обеспечивают широкий спектр приложений в медицинской технике, микробиологии и клинических исследованиях. Типичные промышленные применения включают сверхтонкую очистку и плазменную активацию металлических, керамических, стеклянных и пластиковых поверхностей. Такая плазменная обработка увеличивает поверхностную энергию, улучшая смачиваемость поверхности и адгезию. Последнее увеличивает качество последующей печати или склейки.
Очень компактные размеры плазменного генератора PDD еще больше расширяют сферу возможных применений до компактных устройств для лабораторных работ, портативных приложений, генераторов озона и даже потребительские товары.
