Генератор для получения наночастиц в импульсно-периодическом газовом разряде
GENERATOR FOR PRODUCING NANOPARTICLES IN PULSE-PERIODIC GAS DISCHARGE

Изобретение относится к области нанотехнологий, в частности к устройствам получения наночастиц в импульсно-периодическом газовом разряде. Такие устройства основаны на прямом использовании электрической энергии, передаваемой процессу синтеза наночастиц посредством электрических импульсов тока, следующих периодически с высокой частотой, создаваемых в процессах разряда емкостных накопителей энергии через газоразрядные промежутки. Получение наночастиц в импульсно-периодическом газовом разряде реализуется посредством электрической эрозии электродов, в том числе из металлов, сплавов и полупроводников.
В таких устройствах, как правило, используют разрядные камеры с двумя электродами из проводящего материала, между которыми пропускают периодически следующие разрядные импульсы тока, создаваемые разрядом емкостного накопителя энергии. Емкостной накопитель заряжают до высокого напряжения, при котором происходит самопробой разрядного промежутка с разрядом накопителя через промежуток в колебательно-затухающем режиме. После разряда накопителя цикл зарядки-разрядки повторяется, так создают периодическую последовательность газоразрядных импульсов в межэлектродном промежутке. Для удаления синтезируемых наночастиц из межэлектродного промежутка применяют обдув инертным или реактивным газом, что одновременно обеспечивает восстановление электрической прочности газового промежутка для последующего его пробоя и генерирования следующего импульса тока. В подобных устройствах получают частицы размерами от атомных кластеров до десятка нанометров, и используя электроды из разных материалов, получают наночастицы сплавов, которые невозможно получить другими способами.
Известны несколько реализаций устройства для получения наночастиц в импульсно-периодическом газовом разряде, использующие явление электрической эрозии материала электродов, например, например [1-3]. Конструктивно устройство содержит разрядную камеру с каналом входа газа и каналом выхода газа с получаемыми аэрозольными частицами, с двумя изолированными электродами из проводящих материалов, подключенными токоведущими шинами к емкостному накопителю энергии, периодически заряжаемому от источника высокого напряжения и разряжаемому посредством импульсного газового разряда между электродами в разрядной камере. В этих устройствах емкостной накопитель энергии заряжается от источника высокого напряжения и разряжается в режиме самопробоя через межэлектродный зазор, создавая в нем импульсно-периодический газовый разряд, приводящий к получению наночастиц. Размер и концентрация наночастиц контролируется энергией единичного разряда, частотой следования разрядов и расходом газа-носителя через межэлектродный зазор. При этом тип получаемых наночастиц зависит от используемого материала электродов и степени чистоты используемого газа-носителя. Недостатками такого устройства являются низкая массовая производительность получения наночастиц порядка 10 мг/ч, обусловленная низкой частотой следования разрядов в условиях режима самопробоя межэлектродного зазора, и локальный нагрев электродов при увеличении частоты следования разрядов и энергии единичного импульса, приводящий к образованию крупных микронных частиц из-за локального перегрева и расплавления материала электродов.
Наиболее близким аналогом является способ и оборудование получения ультрамелких частиц, описанный в патенте US 5062936 A [4]. Данный способ предполагает создание импульса разрядного тока через газоразрядный межэлектродный промежуток посредством управляемого включения разряда емкостного накопителя энергии посредством использования в разрядном контуре дополнительного элемента - управляемого ключа. Межэлектродный промежуток устанавливают регулируемым, в соответствии с электрической прочностью газовой атмосферы и напряжением заряда накопителя энергии. Предложенный способ имеет два недостатка, ограничивающих массовую производительность получения наночастиц: высокое эквивалентное омическое электросопротивление разрядного контура и, следовательно, высокие омические потери энергии из-за включения в контур управляемого ключа; невозможность обеспечить эффективное охлаждение электродов, что приводит к увеличению размера получаемых наночастиц и исключается возможность работы устройства на высокой частоте следования импульсов и длительной работы устройства.
Прототипом изобретения является устройство, представленное в патентах NL 2008208 C и US 20150080877 A1 [5-6], содержащее, в сравнении с устройствами [1-4] один или два полые электрода, через каналы в которых осуществляется подача рабочего газа газа-носителя, обеспечивающего эффективное охлаждение электродов и транспортировку получаемых наночастиц. Недостатком данного устройства является то, что конструкция устройства не позволяет использовать импульсно-периодический разряд тока через межэлектродный промежуток в контролируемом режиме с высокой частотой следования разрядных импульсов, что приводит к временной нестабильности получения наночастиц заданного диапазона размеров и ограничивает массовую производительность получения наночастиц.
Технической задачей, решаемой в представленном изобретении, является обеспечение управляемого периодического включения импульсного разряда емкостного накопителя через два последовательные межэлектродные промежутка с формированием в них импульсно-периодического газового разряда, что обеспечивает высокую массовую производительность получения наночастиц за счет высокой частоты управляемого следования разрядных импульсов тока и использования двух межэлектродных промежутков.
Решение поставленной технической задачи достигается тем, что генератор для получения наночастиц в импульсно-периодическом газовом разряде, содержащий разрядную камеру с каналом входа газа и каналом выхода газа с аэрозольными частицами, с двумя изолированными электродами из проводящих материалов, подключенными токоведущими шинами к емкостному накопителю энергии, периодически заряжаемому от источника высокого напряжения и разряжаемому посредством импульсного газового разряда между электродами в разрядной камере, отличается тем, что разрядная камера дополнительно содержит третий электрод, устанавливаемый между двумя электродами, подключенными к емкостному накопителю, и образующий с этими электродами два последовательные межэлектродные промежутка, который содержит канал входа и подачи газа в оба межэлектродные промежутка, и который подключен к источнику управляющих импульсов. В межэлектродных промежутках между третьим и основными электродами получаются наночастицы в результате импульсного-периодического газового разряда емкостного накопителя энергии, инициируемого подачей управляющего импульса на третий средний электрод, выполняющего функцию управляющего электрода. Энергия, выделяющаяся в межэлектродных промежутках, регулируется напряжением зарядки емкостного накопителя энергии. Промежутки между электродами обдуваются потоком газом, подаваемым через внутренний канал управляющего электрода, эффективно охлаждая электроды и унося полученные наночастицы для их дальнейшего использования.
Возможны дополнительные варианты выполнения генератора для получения наночастиц в импульсно-периодическом газовом разряде, в котором целесообразно чтобы:
- в устройстве моменты завершения периодической зарядки емкостного накопителя энергии от источника высокого напряжения были синхронизованы с моментами подачи высоковольтных управляющих импульсов на средний третий электрод;
- в устройстве разрядная камера была изготовлена из газоплотного изолирующего материала и не использовались проходные изоляторы для ввода электродов в разрядную камеру.
Предложенное техническое решение обеспечивает высокую массовую производительность получения наночастиц за счет высокой частоты управляемого следования разрядных импульсов тока и использования двух межэлектродных промежутков в разрядной камере.
Изобретение поясняется чертежами.
0
На фиг. 1 представлена схема генератора для получения наночастиц в импульсно-периодическом газовом разряде, состоящего из разрядной камеры 4, емкостного накопителя 6, заряжающегося с помощью источника высокого напряжения 8 до напряжения U, токоведущих шин 5, электродов 1 и 2, дополнительного электрода 3, через который подается управляющий импульс UT(t) от источника 9 и газ через канал подачи газа 11 в камере и канал 10 в электроде, проходных изоляторов электродов 7 и канала вывода газа с аэрозолем 12.
На фиг. 2 представлены зарядно-разрядные осциллограммы напряжения на емкостном накопителе при частоте следования импульсов 1250 Гц и 2500 Гц и задаваемом напряжении на источнике напряжения ≈2,5 кВ.
На фиг. 3 представлена осциллограмма разрядных импульсов тока при работе генератора в атмосфере воздуха при давлении 1,5 атм, величине зазоров между электродами 1,5 мм, начальном напряжении на емкостном накопителе 10 кВ, емкости накопителя 20 нФ.
На фиг. 4 представлены ПЭМ-изображения наночастиц, синтезированных с электродами из олова (слева) и серебра (справа) в атмосфере воздуха при давлении 1,5 атмосферы, величине зазоров между электродами 1,5 мм, начальном напряжении на емкостном накопителе 10 кВ, емкости накопителя 20 нФ.
0
Генератор для получения наночастиц в импульсно-периодическом газовом разряде состоит из разрядной камеры 4, которая включает 2 электрода из проводящих материалов, 1 и 2, которые подключены с помощью токоведущих шин 5, представляющих из себя, например медные шины, к емкостному накопителю энергии 6. Между электродами 1 и 2 установлен третий электрод 3. Емкостный накопитель и три электрода с двумя разрядными промежутками между ними образуют замкнутый электрический контур, в котором происходит разряд накопителя и протекает импульсный разрядный ток I(t). Электроды изолированы друг от друга, что может быть выполнено помощью проходных изоляторов 7, либо без их использования, если камера выполнена из диэлектрическогом материала. Емкостный накопитель заряжается с помощью источника высокого напряжения 8 до напряжения U порядка 3-20 киловольт ниже напряжения самопробоя двух последовательно соединенных промежутков. Пробой промежутков инициируется источником управляющих импульсов 9, данные импульсы напряжения Ur(t) подаются на электрод 3 и приводят к пробою двух промежутков и началу процесса импульсного разряда емкостного накопителя. Энергия управляющих импульсов должна составлять не более 5% от энерги, запасенной в накопительной емкости. Электрод 3 содержит канал 10 для подачи газа в два разрядных промежутка через канал подачи газа 11 в камере, необходимого для удаления плазмы и продуктов эрозии электродов из разрядных промежутков и восстановления их электрической прочности перед следующим разрядным импульсом. Синтезированные наночастицы удаляются из камеры через канал выхода газа с аэрозолем 12. Скорость подачи газа должна обеспечивать восстановление прочности электрических промежутков до момента начала следующего разряда. Импульсно-периодический газовый разряд в разрядной камере с заданной частотой обеспечивается зарядкой емкостного накопителя с данной частотой источником высокого напряжения и синхронизированной подачей управляющих импульсов в конце процесса заряда также с этой же частотой. Примеры зарядно-разрядных осциллограмм напряжения на емкостном накопителе при частоте следования импульсов 1250 и 2500 Гц приведены на фиг. 2а, б.
Пример применения
2
Использовалась камера из стеклотекстолита, в качестве газа - воздух при атмосферном давлении. Были проведены 2 эксперимента, с электродами из серебра и с электродами из олова, электроды имели диаметр 8 мм, канал подачи газа имел диаметр 4 мм, канал выхода газа - 20 мм. Величина зазоров между электродами устанавливалась равной 1,5 мм. Напряжение заряда накопительной емкости составляло 10 кВ. Управляющие импульсы представляли собой импульсы длиной 5 мкс и амплитудой 20 кВ. Разряды инициировались с частотой 2500 Гц, разрядные импульсы тока представляли собой затухающую колебательную функцию, осциллограмма которой представлена на фиг. 3, амплитуда разрядного тока составила 500 А. Газ подавался со скоростью 5 л/мин. Производительность синтеза для наночастиц серебра составила 0,4 г/ч, а для наночастиц оксида олова SnO - 0,3 г/ч. На фиг. 4 представлены изображения наночастиц оксида олова (слева) и наночастиц серебра (справа), полученные на просвечивающем электронном микроскопе. Согласно анализу ПЭМ-изображений размер наночастиц оксида олова составил 5-10 нм, серебра - 4-8 нм.
Генератор для получения наночастиц в импульсно-периодическом газовом разряде, обеспечивающий высокую массовую производительность получения наночастиц за счет высокой частоты управляемого следования разрядных импульсов тока и использования двух межэлектродных промежутков, может быть использован для получения большого спектра наночастиц для функциональных применений в высокотехнологичных отраслях.
Высокопроизводительное получение наночастиц представляет интерес для применений в наноэлектронике, альтернативной энергетике и фотонике, в том числе в связи с развитием аэрозольной и струйной печати для производства различных электронных устройств - от полевых транзисторов до солнечных батарей. Наночастицы из благородных металлов имеют большой потенциал для применений в биологии и медицине. Благодаря малому размеру, они легко взаимодействуют с биологическими молекулами как на поверхности, так и внутри клеток. В частности, продемонстрировано применение наночастиц серебра, золота и платины для диагностики и лечения рака, вируса иммунодефицита HIV, туберкулеза и болезни Паркинсона. Наночастицы являются уникальной платформой для создания систем доставки лекарств к целевым клеткам.
Таким образом, генератор новой конструкции для получения наночастиц в импульсно-периодическом газовом разряде обеспечивает высокую массовую производительность получения наночастиц металлов, сплавов, полупроводников и их оксидов за счет высокой частоты управляемого следования разрядных импульсов тока и использования двух межэлектродных промежутков.
Источники информации.
1. Tabrizi, N.S., Ullmann, М, Vons, V.A., Lafont, U. and Schmidt-Ott, A. Generation of Nanoparticles by Spark Discharge. J. Nanopart. Res. (2009), 11: 315-332.
2. Патент KR 100860590 B1 - B22F 1/00; B22F 9/00; B22F 9/14. Method for generation and fixation of metal aerosol nanoparticle, опубл. 2008-09-26.
3. Патент KR 20180008166 A - B01J 19/088; B82B 3/0004; H01T 13/40; H01T 15/00; B82Y 30/00; B82Y 40/00. Spark discharge generator and process for preparing nanoparticle structure using same, опубл. 2018-01-24.
4. Патент US 5062936 A - B22F 9/14. Method and apparatus for manufacturing ultrafine particles, опубл. 1991-11-05.
5. Патент NL 2008208 C - A61B 18/1206; B22F 9/14; H01J 37/32055; H01J 37/32064; A61B 2018/00577; A61B 2018/00702; A61B 2018/00994; B22F 1/0018; B22F 2999/00. Spark ablation device, опубл. 2013-08-01.
6. Патент US 20150080877 A1 - A61B 18/1206; B22F 9/14; H01J 37/32055; H01J 37/32064; A61B 2018/00577; A61B 2018/00702; A61B 2018/00994; B22F 1/0018; B22F 2999/00. Spark ablation device, опубл. 2015-03-19.