Dielektrik-barjäärlahendus

Dielektrik-barjäärlahendus (DBL) on nähtus, kus elektriline läbilöök kahe elektroodi vahel toimub tingimustes, kus vähemalt üks elektroodidest on kaetud dielektrilise kihiga. Tekkivad madalatemperatuurilised lahenduskanalid on leidnud laialdast rakendust osooni tekitamisel, pinnatöötluses, plasmatelerites, saastegaaside neutraliseerimisel jm. DBL-i oluliseks eeliseks on võime tekitada madalatemperatuurilist plasmat kõrgel rõhul (näiteks standardrõhul), mis alternatiivsete meetodite korral on märksa keerulisem. Samuti võib kasutatavate seadmete konfiguratsioon (kuju, gaasikeskkond, katseparameetrid) olla üsna paindlik. Ülemisel joonisel on näited üldlevinud ehituse tüüpidest tasaparalleelsete ja silindriliste elektroodidega. Vaadeldavat barjäärlahendust iseloomustab dielektriliste omadustega aine kiht, dielektrik, mis asetseb (lisaks gaasikihile) elektroodide vahelise elektrivoolu kulgemise teel. Tasub mainida, et barjäärlahenduse saab tekitada vaid elektroodidele vahelduvpinge rakendamisel, kuna katses kasutatav dielektrik toimib kondensaatorina, mis ei võimalda püsivat voolu alalispinge korral. Kui elektroodid on pingestatud, algab teatud pinge väärtuse korral gaasi ionisatsioon ning toimub üleminek plasmaolekusse. Enamasti on plasma atmosfääritingimustel koondunud kitsastesse kanalitesse ehk tekivad nn mikrolahendused. Kanalit läbiv laeng koguneb lokaalselt dielektriku pinnale ning selle pindlaengu elektriväli katkestab lahenduse. Seejärel tekib läbilöök teises piirkonnas, lühiajaliselt moodustub lahenduskanal ja katkeb taas laengu dielektrikule kogunedes. Nii tekib elektroodide vahel hulk enamasti juhuslikult jaotunud läbilööke. Ühe mikrolahenduse tekkimine ja areng on dielektrikbarjäärlahenduse korral sarnane lahenduse tekkimise ja arenguga madalatel rõhkudel metallelektroodide vahel. Viimasel juhul kirjeldab voolu sõltuvust rakendatud pingest üsna keerulise kujuga graafik (paremal toodud kõver vastab neoonis rõhul 133 Pa mõõdetud voolutugevuse sõltuvusele pingest), mis iseloomustab erinevatele läbilöögi tüüpidele vastavaid piirkondi. Kasutades näitena silindilist metallelektroodidega katseseadet (vasakul), saab tuua välja peamised dielektrik-barjäärlahendust iseloomustavad seaduspärasused. Madala pinge piirkonnas (A–B) sõltub vool väliste tegurite (kosmiline kiirgus või katoodi valgustamisega kaasnev fotoemissioon) poolt tekitatavate laetud osakeste kontsentratsioonist ning pinge tõustes kasvab vool vähe. Pinge kasvades (piirkond B–C) muutub gaasi ionisatsioon märkimisväärselt suureks ning teatud kitsas pingevahemikus kasvab vool eksponentsiaalselt. Seda piirkonda voolu-pinge kõveral nimetatakse Townsendi lahenduse piirkonnaks. Vähese kiiratava valguse tõttu nimetatakse seda ka pimelahenduseks. Siin piirkonnas ei suuda elektriline lahendus veel end alal hoida, st lahendus eksisteerib vaid välise ioniseeriva allika mõjul. Piirkonnas C–D muutub Townsendi lahendus alalhoidvaks. Siin kasvab pinge peaaegu konstantse väärtuse juures vool mitmeid kümneid kordi ning voolu kasvu tõkestamiseks on tarvis kasutada lisatakistit. Townsendi lahendus on atmosfäärirõhkudel DBL-i korral võimalik vaid väga erilistel tingimustel. Piirkonnas D–E kasvab vool pinge kahanemise tagajärjel. Algselt homogeenne elektriväli hakkab elektroodide vahelisse gaasikeskkonda kuhjunud ruumilaengute mõjul moonduma ning Townsendi lahendus liigub üle huumlahenduseks. Gaasi temperatuur püsib huumlahenduse korral toatemperatuurilähedane, samas elektronide temperatuur on kümneid tuhandeid kelvineid (mõned elektronvoldid). Ka ühtlane huumlahendus on DBL-i korral saavutatav vaid erilistel tingimustel. Enamasti võib aga ka lahenduskanaleid vaadelda kui mikroskoopilisi huumlahendusi, mis kestavad väga lühikest aega. Tavaliselt moodustuvad need mikrolahendused küll striimerite vahendusel. Kui metallelektroodide korral on võimalik voolu edasine kasv ja lahenduse üleminek kõrge temperatuuriga kaarlahenduseks, on see DBL-i korral dielektriku tõttu välistatud. Tehnilistes osonaatorites kasutatakse ligikaudu 20–50 mm diameetriga 1–3 m pikkusi dielektrilisest materjalist torusid (sageli näiteks borosilikaat-klaasist), mis paigaldatakse roostevabast terasest torudesse nii, et torude vahele jääb umbes 1 mm paksune gaasikiht. Suurtes osonaatorites rakendatakse rööbiti sadu sääraseid torude süsteeme. Taolised suured konfiguratsioonid peavad olema hästi jahutatud, et tagada efektiivne osooni tootmine. Nüüdisaegsete suure võimsusega osonaatorite juures on pingeallikates kasutuses türistoridel või transistoridel põhinevad sagedusmuundurid, mis tekitavad pingeimpulsse sagedusvahemikus 500 Hz kuni 5 kHz. See võimaldab rakendatavaid pingeid vähendada ligikaudu 5 kV piirkonda. Tüüpilised võimsustihedused ulatuvad 1–10 kW elektroodi 1 m2 pinna kohta. Suured osoonitootmisjaamad toodavad sadu kilogramme osooni igas tunnis, võimsustarbega mitmeid megavatte. Suure võimsusega DBL CO2 laserites kasutatakse ligikaudu 50 mm vahega tasaparalleelseid elektroode, millele on kantud dielektriline kiht (näiteks klaasist). Gaasijuga juhitakse läbi elektroodide vahelise lahendusvahemiku kiirusega 50–80 m/s, et juhtida eemale soojust ning tagada stabiilne elektrilahendus. Heeliumi suure kontsentratsiooni (ligi 30%) ning madala töörõhu (6,4 kPa) tõttu jaotub tekkiv lahendus elektroodide vahel ühtlaselt. Ligikaudu 160 kHz töösageduse juures ei jää järjestikuste poolperioodide vahel piisavalt aega, et ioone süsteemist välja uhuda või, et ioonid jõuaksid laguneda. Seega ioonid jäävad lõksu ning tekkiv lahendus toimib kui aktiivtakisti. Sellise lahenduse abil on saavutatud üle 10 mikromeetrise lainepikkusega infrapunalasereid, mille võimsus ulatub 5 kW-ni. Taolise SD CO2 laseri peamisteks rakendusteks on paksude metallplaatide (ja ka teiste materjalide) kiire keevitamine ja lõikamine. Pikka aega on kasutatud plasmat polümeersete pindade töötlemisel, et tõsta pinna märgumist, adhesiooni või muid taoliseid omadusi. Seda nimetatakse koroonatöötluseks. Tegelikkuses saavutatakse enamiku rakenduste juures stabiilsed tingimused ilma kaarlahenduse tekketa kasutades dielektrik-barjäärlahendust. Suuri plastkilesid töödeldakse kas ühelt või mõlemalt poolt, lastes need suurel kiirusel läbi DBL-süsteemi, kus on suur vahelduvpinge rakendatud terava tipuga elektroodide ja dielektrikuga kaetud pöörleva trumli vahele. Kasutatakse ka süsteeme, mis koosnevad mitmetest teravatipulistest elektroodidest või dielektrilise kattega silindrilistest elektroodidest. Ligi 10 m laiusi kilesid töödeldakse kiirusega üle 10 m/s. Taoline rakendus eeldab lahenduse võimsust ligi 100 kW ning efektiivne töösageduse vahemik on 10–50 kHz. Lisaks on uuritud ka võimalust katta pindasid õhukeste kiledega DBL abil. Selleks on tihti kasutatud homogeenset huumlahendust, mis tagab ühtlase pinnatöötluse. Alternatiivina on võimalik kasutada perioodilisi pingeimpulsse ning seeläbi muuta tekkivate mikrolahenduste jaotust ühtlasemaks. Nii on võimalik saavutada väga suure efektiivsusega pinnatöötlust ning väga kvaliteetseid pinnakatteid. Atsetüleenkeskkonnas on toodetud polüatsetüleeni-sarnaste omadustega polümeerseid kilesid. Samuti on saavutatud propargüülalkoholi aurudest ning silaanist koosnevas keskkonnas normaalrõhul õhukeste ränioksiidikihtide teke. Mõlemal juhul on olnud võimalik parandada polüpropüleenikihtide pindpinevust ligi kaks korda. Huvi dielektrik-barjäärlahenduse vastu keskkonnakaitses on üha kasvamas. Aina enam uuritakse võimalusi heitgaasides leiduvate lämmastikoksiidi ning vääveloksiidi hävitamiseks ning lenduvate orgaaniliste ühendite ehk LOÜ-de lagundamiseks. Tüüpilised LOÜ-d on näiteks mitmesugused süsivesinikud, klooritud süsivesinikud ja freoonid. Gaasiliste süsivesinike või orgaaniliste lahuste aurude sattumine väljalaskesüsteemidesse on probleemiks mitmetes tööstuslikes protsessides, näiteks keemiatööstuses või värvitöökodades, kuid samuti ka pinnase tervendamise või veepuhastusprotsesside juures. Mitmeid ohtlikke orgaanilisi molekule mõjutavad vabad radikaalid, elektronid ning ultraviolettkiirgus. DBL-i abil toodetakse mitmesuguseid keemiliselt aktiivseid ühendeid, mis tekivad algselt elektronide põrgete tulemusena, kuid mõne aja möödudes toovad need ühendid kaasa uusi reaktsioone, mille tulemusena tekkivad O, OH või HO2 radikaalid omakorda lagundavad saasteaineid.. Pietsch, Gerhard J. ja Gibalov, Valentin I. Dielectric barrier discharges and ozone synthesis. Pure Applied Chemistry, Vol. 70, No. 6, pp. 1169–1174, 1998. Kogelschatz, Ulrich (2000) Fundamentals and applications of dielectric-barrier discharges. ABB Corporate Research Ltd, 5405 Baden, Switzerland. Jõgi, Indrek, Laan, Matti, Brandenburg, Ronny. "Introduction to plasma science".