ИСТОЧНИК НЕРАВНОВЕСНОЙ АРГОНОВОЙ ПЛАЗМЫ НА ОСНОВЕ ОБЪЕМНОГО ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ
SOURCE OF NONEQUILIBRIUM ARGON PLASMA BASED ON VOLUMETRIC GLOW DISCHARGE OF ATMOSPHERIC PRESSURE

Изобретение относится к области генерации низкотемпературной неравновесной аргоновой плазмы при атмосферном давлении. Может быть использовано при создании источников объемной холодной плазмы в свободном пространстве как одного из эффективных способов стерилизации/дезинфекции медицинского инструмента и принадлежностей, обеззараживания микроорганизмов (бактерий, спор, патогенной микрофлоры), в частности, при хранении, сушке, предпосевной обработке продукции сельского хозяйства (семян, овощей, фруктов, кормовых смесей).
Известен способ обеззараживания продуктов и устройство для его осуществления (патент RU 2535625 А23В 9/06, В82В 3/00, 2013). Способ предусматривает воздействие на обрабатываемый продукт холодным плазменным излучением при напряжении 3 кВ, частоте 10 Гц с расходом газа 0,6 л/мин в процессе перемещения продукта с изменением его ориентации относительно источника излучения. Для осуществления способа предусмотрено устройство, содержащее узел загрузки, источник излучения, транспортер или полый барабан с приводом, выполненные с возможностью изменения ориентации продукта относительно источника излучения, и узел выгрузки. В качестве источника излучения применена система плазмотронов, размещенная параллельными рядами на раме, установленная после узла загрузки над транспортером или внутри барабана. В другом варианте устройство в качестве источников излучения включает по меньшей мере четыре плазмотрона и не менее шести лазеров. Для изменения ориентации продукта над транспортером установлено не менее трех манипуляторов, расположенных между источниками плазменного и лазерного излучений. Изобретение обеспечивает эффективное обеззараживание продуктов. Недостатком устройства является применение плазматронов. Несмотря на, увеличение их количества, не удается обеспечить требуемую генерацию объемной однородной плазмы на обширной поверхности обеззараживаемых объектов, тем самым снижается эффективность процесса и существенно растет энергопотребление. В целом конструкция устройства становится материалоемкой.
Известно газоразрядное устройство для обработки термочувствительных поверхностей (патент RU 2638797 A61L 2/14, Н05Н 1/24, 2016). Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано для плазменной обработки термочувствительных поверхностей, стерилизации и дезинфекции раневых поверхностей и стимулирования процессов их заживления. Газоразрядное устройство содержит разрядную камеру, выполненную из диэлектрического материала, систему подачи и контроля газа, осевой электрод, который продет через изолирующую трубку и установлен внутри разрядной камеры герметичным держателем, заземленный кольцевой электрод, закрепленный на цилиндрической диэлектрической втулке, которая вставлена в разрядную камеру. При этом разрядный промежуток - осевой стержневой и заземленный кольцевой электроды подключен через резисторы ограничивающих величину тока и обратной связи к модулятору выходного напряжения. Изобретение обеспечивает эффективную обработку термочувствительных поверхностей за счет повышения стабильности параметров разряда, существенное снижение себестоимости за счет упрощения конструкции устройства. Недостатком устройства является использование модулятора-прерывателя, который модулирует низкочастотными (0.1-10 кГц) прямоугольными импульсами с изменяемой скважностью сигнал источника переменного напряжения частотой 10-1000 кГц. Такая форма питающего разрядную ячейку напряжения 1,4-2,5 кВ, хотя позволяет менять в широких приделах ток разряда при неизменной длине выдуваемой плазменной струи, обрабатываемая поверхность крайне мала и ограничивается малым поперечным сечением плазменной струи.
2
Известен способ стерилизации поверхностей с использованием плазменной струи, создаваемой газоразрядной камерой, питаемой радиочастотным источником с импульсом напряжения 600 В и частотой 7.17 МГц, и прокачиваемой газовым потоком гелия со скоростью 1,3 м/с (J.Goree, Member, IEEE, B.Liu, D.Drake, E. Stoffels. Killing of S.mutans Bacteria Using a Plasma Needle at Atmospheric Pressure // IEEE Transactions on Plasma Science. - 2006. - Vol.34. - No. 4. - P. 1317-1324). Разрядный промежуток образован острийным вольфрамовым диаметром 0,2 мм и протяженным плоским электродами. Вольфрамовый электрод установлен внутри керамического изолятора, причем токопроводящая часть электрода выступает на 5,7 мм от торцевого среза керамического изолятора. Электрод с изолятором установлены в стеклянной трубке. Воздействию плазмы (диаметр плазменной струи 5 мм) подвергалась agar поверхность, привитая Streptococcus mutans бактериями, находящимися в чашке Петри, которую в свою очередь устанавливали на плоский электрод. Расстояние между торцом стеклянной трубки и поверхностью стерилизации 3 мм. Показано, что бактерии уничтожаются плазмой за время в десятки секунд. Недостатком указанных способов является необходимость использования дорогостоящих источников питания для получения тока высокого напряжения и высокой частоты. Кроме того, гелий - очень дорогой газ, и его использование в известном способе приводит к сильному удорожанию процесса плазменной стерилизации. Обрабатываемая поверхность крайне мала и ограничивается 7 мм.
Известен способ и устройство очистки жидких и газообразных сред (патент RU 2219136 C02F 1/48, 2002), в котором для обработки очищаемых сред применяется объемный разряд, возбуждаемый ионизирующим излучением. Устройство содержит реактор с двумя электродами и снабжено импульсным источником ионизирующего излучения, установленным на корпусе реактора с возможностью облучения объема, заключенного между электродами, соединенными с накопительным конденсатором. Технический результат состоит в повышении эффективности очистки и снижении удельного расхода электроэнергии. Необходимость в энергоемких импульсном источнике ионизирующего излучения и накопительном конденсаторе снижает эффективность данного способа.
4
Известен способ дистанционного обеззараживания и обезвреживания удаленных объектов и устройство для его осуществления (патент RU 2559780 A61L 2/10, 2013). Изобретение предусматривает формирование пучка импульсного ультрафиолетового излучения с помощью плазменного источника с эффективной температурой излучающей плазмы в максимуме импульса излучения не менее 1,2⋅10 K, направление его на объект воздействия и изменение взаимного пространственного положения объекта и пучка излучения. При этом режим работы облучателей с импульсными плазменными источниками излучения определяется эффективной температурой излучения, длительностью импульса излучения, частотой повторения импульсов излучения, длительностью облучения, площадью сечения пучка излучения, удалением облучателя от объекта обработки. Устройство содержит корпус, источник излучения в виде импульсной ксеноновой лампы, блок питания и отражатель. Изобретение обеспечивает обеззараживание объектов сложной формы, удаленных от источника облучения на расстояние до нескольких десятков метров. Недостатком изобретения является, то, что газоразрядная плазма низкого давления используется не как инструмент с высокими стерилизующими свойствами, а в качестве генератора ультрафиолетового излучения, эффективность, производительность и результативность воздействия и бактерицидные свойства, которого являются крайне низкими. Кроме того, низкая интенсивность излучения ограничивает и сужает номенклатуру обрабатываемых поверхностей, особенно при обеззараживании открытых биологических тканей.
Известно устройство и способ стерилизации плазмой постразряда (патент RU 2344834 A61L 2/14, 2006), медицинских или хирургических инструментов. Устройство включает в себя входной трубопровод подачи потока азота, пересекающего находящуюся под разряжением камеру, подвергнутую воздействию генератора электрического поля, представляющего собой генератор микроволн частотой 2,45 ГГц, мощность которого регулируется средствами управления. Постразрядный газ, генерируемый полученной при этом (известным образом) плазмой, вводится в камеру обработки по трубопроводу. Камера обработки расположена в зоне последействия плазмы и сообщается с вакуумным насосом. Последний увлекает постразрядный газ в камеру обработки и обеспечивает эвакуацию газов наружу по трубопроводу, снабженному соответствующими фильтрами. Изобретение позволяет сохранять целостность стерилизуемых аппаратов и инструментов, включающих вещества, чувствительные к окислению и к воздействию ультрафиолетовых лучей, при сохранении высокой эффективности обеззараживания. Существенным недостатком изобретения является проведение процесса стериализации в вакууме, что недопустимо при обеззараживании микроорганизмов (бактерий, спор, патогенной микрофлоры), в частности, при хранении, сушке, предпосевной обработке продукции сельского хозяйства (семян, овощей, фруктов, кормовых смесей).
Известен плазменный источник (патент RU 2415522 Н05Н 1/24, 2006), Plasma Source (патент US 7683342 В2, 2010), Plasma Sources (Plasma Medicine: Sterilisation and Improved Wound Healing http://www.max-planck-innovation.de/share/technology/0207-3818_WWT_DE.pdf). Источник содержит несколько ионизирующих электродов и ионизационную камеру с впускным патрубком для ввода газа (аргон) и выходным отверстием для дозирования ионизированного газа на объект. Ионизирующие электроды размещены параллельно друг другу с образованием равностороннего многоугольника в поперечном сечении. Отношение расстояния электрод-электрод, с одной стороны, и расстояния электрод-стенка, с другой стороны, при измерении на конце ионизирующих электродов находится в пределах от 1,8 до 2,2. Изобретение позволяет упростить инициирование разряда и повысить устойчивость работы электродов. Электромагнитное излучение из ионизационной камеры снижается перекрытием выходного отверстия сеткой, что делает возможным применение плазмы in vivo. Недостатком является сложность конструкции ионизационной камеры, которая может быть реализована только при условии выполнения достаточно высоких требований, предъявляемых к электрическим и механическим параметрам устройства. Существенным недостатком является значительные массогабаритные размеры и дороговизна микроволнового генератора. Кроме того, несмотря на использование сетки на выходном отверстии ионизационной камеры, уровень выходящего электромагнитного излучения остается сравнительно высоким. Применение сетки и необходимость охлаждения ионизационной камеры прокачкой воздуха, подача электрического смещения на сетку от дополнительного источника электрического питания и высокий объемный расход плазмообразующего газа 1-10 л/с снижают эффективность устройства. Кроме того, недостатком является сильная неоднородность выходящей плазмы в поперечном сечении.
Наиболее близким техническим решением является газоразрядная камера для создания низкотемпературной неравновесной плазмы (патент RU 2370924 Н05Н 1/24, 2007). Изобретение может быть использовано при создании плазмохимических источников, активирующих при атмосферном давлении газовую среду и поверхности различных материалов. Электродная система содержит секционированные анод и катод. Стационарный разряд инициируется в поперечном потоке газа. Секции анода выполнены в форме тонких пластин. Секции катода выполнены в форме тонких игл, ориентированных перпендикулярно потоку и расположенных в плоскости, касающейся нижней по потоку границы анодных секций. Расстояние между катодными секциями не превышает межэлектродное расстояние. Изобретение позволяет создать вне зоны разряда плазменную струю, длина которой зависит от вида газа, скорости его потока и мощности разряда. Техническим результатом изобретения является создание неравновесной плазмы в свободном пространстве за счет формирования холодных (близких к комнатной температуре) и длинных плазменных струй в разных газах, способных химически активировать при атмосферном давлении газовые среды и поверхности термически нестойких материалов. Электроды установлены в камере таким образом, что их межэлектродные промежутки расположены на выходе газового потока из камеры, при этом секции анода выполнены в виде пластин, катодные штыри расположены напротив анода со стороны кромки анодных пластин, обращенной к выходу камеры, а расстояние между катодными секциями не превышает межэлектродное расстояние. Плазма выносится потоком газа из полости камеры. Недостатком известного устройства газоразрядной камеры является невозможность создания неравновесной объемной (большой площади) плазмы в свободном пространстве, высокая скорость прокачки газа 30-70 м/с, и как следствие высокое удельное энергопотребление разряда с образованием чрезмерно длинных плазменных струй, высокое электрическое напряжение 15-35 кВ инициирующее газовый разряд.
Изобретение позволяет устранить указанные недостатки прототипа, повысить эффективность процесса путем создания источника объемной холодной плазмы в свободном пространстве как одного из эффективных способов стерилизации/дезинфекции медицинского инструмента и принадлежностей, обеззараживания микроорганизмов (бактерий, спор, патогенной микрофлоры). Техническим результатом заявленного изобретения является упрощение устройства с одновременным повышением стабильности его работы и обеспечение более равномерного и эффективного дезинфицирующего воздействия низкотемпературной объемной плазмы на обширные поверхности. Кроме того, техническим результатом заявленного изобретения является упрощение применения устройства в полевых и/или иных экстремальных условиях.
Указанный технический результат заявленного изобретения достигается реализацией предложенного метода эффективной генерации однородной, неравновесной плазмы на обширной площади с помощью тлеющего разряда атмосферного давления, формируемого в неоднородном электрическом поле. Тлеющий разряд создавался в специальной электродной конструкции штыревых катодов и плоским металлическим анодом.
2
2
2
2
-5
Сущность изобретения поясняется общей схемой газоразрядного устройства фиг. 1. Тлеющий разряд создается в специальной электродной конструкции с штыревыми катодами 1 и плоским металлическим анодом 3. Плоский анод представляет собой металлическую пластину площадью 672 см или металлическую сетку с размером ячеек 1 мм. Параллельно аноду установлено катодное плато. На площади 420 см катодной платы закреплены штыревые катоды и нагружены на балластные сопротивления 2. Плотность катодных штырей на катодной плате - один на площадь 1 см. Штыревые катоды 1 ориентированы перпендикулярно плоскости анода 3. Диаметр штырей 1,5 мм. Радиус закругления остриев торцевых срезов штыревых катодов составлял 50 мкм. Для стабильного зажигания и устойчивого горения тлеющего разряда каждый штыревой катод нагружался регулируемым в диапазоне 1-9 МОм балластным сопротивлением. Устойчивость разряда относительно перехода отрицательной короны в искровой пробой разрядного промежутка достигается слабой прокачкой аргона через разрядный промежуток. Аргон продувался перпендикулярно катодным штырям и направлению электрического тока пробиваемого промежутка. Расход нагнетаемого аргона 5⋅10 кг/с.
*
Устройство работает следующим образом. При атмосферном давлении в разрядном промежутке продольно плоскости анода 3 и перпендикулярно штыревым катодам 1 прокачивают аргон. На разрядный промежуток (протяженность разрядного промежутка 1-2 см) подается от источника питания 4 постоянное электрическое напряжение до 10 кВ. На редуцированной вольтамперной характеристике фиг. 2 выделяются два участка с линейной зависимостью приведенного тока от напряжения - в импульсно-периодическом режиме отрицательной короны (участок а-в) и в режиме тлеющего разряда атмосферного давления (участок в-с). Место пересечения двух экстраполированных прямых отождествляется с началом перехода режима коронного разряда в режим тлеющего разряда. Как видно, включение ионизации в дрейфовой области разрядного промежутка приводит к более крутому нарастанию тока с напряжением в режиме тлеющего разряда атмосферного давления по сравнению с режимом коронного разряда. После критического тока I, соответствующего излому редуцированной вольтамперной характеристики, свечение разряда однородно заполняет весь разрядный промежуток штыревые катоды - плоский анод, что характерно для классического тлеющего разряда и позволяет получить объемную однородную плазму на всей площади анода.
e
e
e
e
e
5
6
-3
Напряженность Е электрического поля линейно растет с ростом плотности тока j, фиг. 3. В отличие от тлеющего разряда низкого давления, где напряженность электрического поля увеличивается с ростом протяженности разрядного промежутка d, в тлеющем разряде атмосферного давления напряженность электрического поля остается неизменной с ростом протяженности разрядного промежутка d, фиг. 4. Концентрация электронов n в положительном столбе тлеющего разряда атмосферного давления, получаемая из измерений полного тока I и сечения разряда S: I/S ~ j ~ eμEn (е - заряд электронов, μ - подвижность электронов), равна n ~ 10-10 см. Показано, увеличение количества штыревых катодов существенно снижает величину тока приходящегося на острие. Использование штыревых катодов 1, нагруженных на балластные сопротивления 2, позволяет значительно увеличить предельный ток тлеющего разряда атмосферного давления, по сравнению с отрицательной короной в конфигурации электродов штыревые катоды - плоский анод.
Практическая значимость признаков технического результата, включенных в формулу изобретения, подтверждается примером его практического применения при холодном обеззараживании семян зерновых культур (пшеницы) аргоновой плазмой, создаваемой источником на основе объемного тлеющего разряда атмосферного давления. Семена равномерно распределялись по поверхности плоского анода, при этом семена не касались друг друга и подвергались воздействию плазмы с различной экспозицией. Как видно на фиг. 5 при воздействии на семена плазмы тлеющего разряда атмосферного давления наблюдается ярко выраженное угнетение роста вредоносной микрофлоры. Низкая температура возбуждаемой объемной плазмы, обеспечивает возможность применения объемной плазмы для обработки термически нестойких материалов на обширной площади.