Источник плазменной струи
PLASMA JET SOURCE

Изобретение относится к плазменной технике, в частности к источникам получения и управления потоком плазмы атмосферного давления, и может быть использовано в различных областях науки и техники, в частности, для получения локализованных зон плазменной обработки в процессах очистки поверхностей в микроэлектронике и оптике, свертывания крови, поддержания асептики при хирургических операциях, биологического обеззараживания различных материалов.
11
12
-3
Известны различные источники плазменных струй атмосферного давления, в которых плазменная струя или несколько струй формируются в тлеющем, дуговом, радиочастотном, барьерном и других видов разрядов и выбрасывается через узкое сопло, или несколько отверстий, или в межэлектродном промежутке за счет создания в зоне разряда избыточного давления, превышающего атмосферное. Возбуждение тлеющим, коронным или барьерным разрядом создает неравновесную плазму со средней температурой газа от 20 до 400°С и плотностью заряженных частиц типичной для слабоионизованных газов (не выше 10-10 см) и концентрацией активных частиц до 100 ppm. При температурах, близких к комнатным, такую плазму называют холодной и нетермической [1, 2]. Например, в известном источнике формирование плазменной струи происходит путем пропускания воздуха со скоростью 30-70 м/с через зону стационарного тлеющего разряда, образованную пластинчатыми анодами и штыревыми катодами [3]. Техническое решение позволяет использовать для формирования плазменной струи дешевый и доступный воздух, но требует большого расхода газа.
В известном источнике плазменной струи в газовом промежутке между цилиндрической полостью (полый катод) и помещенным в нее соосно цилиндрическим электродом формируется радиочастотный γ-разряд на частоте 13.56 МГц. В отличие от плазматронов сравнительной низкой температуры плазменной струи (не более 250°С) при вложенной мощности около 300 Вт удается добиться с помощью высоких скоростей потока газа [4]. В других конструкциях, основанных на радиочастотном возбуждении, в цилиндрической полости из диэлектрика соосно располагается игольчатый электрод, на который подается напряжение [5]. Плазма формируется на конце игольчатого электрода и называется плазменной иголкой. В ряде конструкций радиочастотное поле прикладывается к диэлектрическому капилляру, через который поступает возбуждаемый газ, посредством двух или нескольких внешних электродов, расположенных на поверхности капилляра [6].
Недостатком конструкций [4] является большой расход рабочих газов, необходимый для устойчивости плазменной струи, а в случае [5] этот газ - гелий - является дорогостоящим. Кроме того, для всех описанных конструкций радиочастотные источники питания отличаются сложностью, а также требуют дополнительных мер защиты при эксплуатации.
Известны источники плазменной струи, в которых формирование плазмы происходит между круглыми электродами с центральными отверстиями для прохождения газа с размещенным между ними диэлектрическим диском (или несколькими дисками), также имеющим центральное отверстие [2, 7-9]. Достоинством таких источников является их простота (в т.ч. в питании) и низкая температура плазмы, что важно для целого ряда приложений. Плазменная струя формируется как при сравнительно низких расходах газа, так и частотах напряжения. Недостатком является сравнительно низкий срок службы и ограничение сверху на плотность вводимой в плазму мощности, что связано с эрозией краев отверстий в металлических электродах.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является конструкция, многократно описанная в литературе, например в [10]. Она представляет собой цилиндрическую трубку из диэлектрического материала, через которую пропускается возбуждаемый газ. На внешней поверхности трубки на расстоянии друг от друга расположена пара электродов. Заземленный электрод располагается на выходе плазменной струи из трубки, т.е. у сопла. Электроды подключены к импульсному высокочастотному источнику питания. Достоинствами таких сборок является их конструктивная простота. Для получения плазменной струи атмосферного давления длиной от долей до нескольких сантиметров здесь применяют импульсы напряжения положительной и отрицательной полярности, длительностью порядка 0.1-1 мкс, амплитудой до 30 кВ, частотой следования - десятки кГц и скоростями прокачки газов от единиц до десятков л/мин.
Недостатком данного устройства является сложность или невозможность формирования протяженных плазменных струй атмосферного давления в смесях инертных газов Не, Ar с электроотрицательным молекулярным газом, а также в воздухе или азоте. В этих газовых средах формируется наибольшее количество химически активных частиц, но при наличии воздуха, азота или электроотрицательного газа качество разряда падает, и для его сохранения требуется увеличивать расход газа (>10 л/мин) и напряжение (>20 кВ). А это удорожает эксплуатацию и повышает требования к электробезопасности установки.
Таким образом, среди существующих источников плазменных струй атмосферного давления трудно одновременно обеспечивать формирование большой плотности химически активных частиц в средах, содержащих воздух, азот или электроотрицательный газ, сохранять ресурс, умеренную температуру плазменной струи, простоту конструкции и применяемого источника питания.
Задачей изобретения является получение плазменных струй атмосферного давления в общедоступных и дешевых газах и газовых средах, снижение расхода газа, и, как следствие, снижение стоимости и упрощение эксплуатации устройства.
Указанная задача достигается в источнике для получения плазменной струи атмосферного давления, образованным цилиндрической трубкой из диэлектрического материала, с входной частью - трактом для поступления газа и выходной частью - соплом для вывода плазмы. Источник содержит пару электродов, подключенных к импульсному источнику питания, и расположенных на внешней поверхности трубки на расстоянии друг от друга. Согласно изобретению, источник дополнительно содержит электрод, размещенный на внутренней поверхности цилиндрической трубки входной части, и соединенный с ним штыревой электрод, введенный соосно в сопло, при этом параметры частей (длина, радиус, толщина, диэлектрическая проницаемость) таковы, что электрическая емкость входной части много больше емкости выходной части.
1
1
1
2
2
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
На фиг. 1 изображен источник для получения плазменной струи атмосферного давления. Он содержит цилиндрическую трубку 1 из диэлектрического материала, входной тракт для поступления газа 2, сопло для вывода плазмы 3, электроды 4 и 5, расположенные на внешней поверхности трубки 1 на расстоянии друг от друга и импульсный источник питания, подключенный к электродам (на фиг. 1 не показан). На внутренней поверхности входной части цилиндрической трубки расположен электрод 6 и соединенный с ним соосно штыревой электрод 7, введенный в сопло 3. Входной частью источника является тракт для поступления газа, выполненный из диэлектрической трубки длиной (L), радиусом (r), толщиной (δ), выходной частью источника является сопло для вывода плазмы длиной (L), радиусом (r), толщиной (δ). Геометрические размеры частей источника - длина (L, L), радиус (r, r), толщина (δ, δ), а также диэлектрическая проницаемость (ε) таковы, что электрическая емкость входной части много больше емкости выходной части. Это может быть сделано различными способами. На фиг. 1 приведен пример выполнения соотношений L>>L, r>>r, а на фиг. 2 - L>>L, δ<δ. Также возможны и другие варианты удовлетворяющие условию: электрическая емкость входной части много больше емкости выходной части.
Устройство работает следующим образом.
При подаче на электрод 7 импульса напряжения положительной полярности (относительно электрода 5), происходит локальная перезарядка стенки расположенной под ним диэлектрической трубки 1 и, как следствие формирование отрицательного заряда на электродах 6 и 7. Далее, при достижении пробойного напряжения между электродом 7 и диэлектрической стенкой, расположенной под электродом 5 зажигается однобарьерный разряд. Плазма разряда вытесняется потоком газа и в сопле 3 формируется поток плазмы. Поскольку плазма образуется непосредственно у сопла, то потери химически активных частиц на стенках устройства минимальны. Условие, согласно которому электрическая емкость входной части много больше емкости выходной части (что обеспечивается параметрами частей), служит обострению напряжения непосредственно в зоне разряда, как укорачивая фронт импульса напряжения, так и увеличивая его амплитуду. Известно, что это существенно облегчает формирование разряда в условиях повышенных давлений в газовых средах, содержащих электроотрицательные газы, азот или воздух. Таким образом, подавая на электрод 7 сравнительно низкое по амплитуде напряжение, с помощью описанного устройства в непосредственной близости от сопла при пробое реализуется импульс напряжения с параметрами, достаточными для формирования плотной плазмы. Это же условие позволяет работать при низких расходах газа.
Источник обеспечивает получение плазменных струй атмосферного давления в общедоступных и дешевых газах (воздух, азот) при сниженном расходе газа. Благодаря этому снижается стоимость и упрощается эксплуатация устройства.
Экспериментальные исследования заявляемого источника ПС показали, что в сравнении с устройством аналогичного назначения (прототип) [10] он обеспечивает формирование плазменных струй атмосферного давления в общедоступных и дешевых газах (воздух, азот) при сниженном расходе газа.
1
2
1
2
Предложенный источник представлял собой цилиндрическую трубку диаметром 21 мм с диаметром выходной части и сопла 1.5 мм. Электроды 7, 6 имели длину от 100-150, 3 мм, соответственно, то есть выполнялось условие L>>L, r>>r. Плазменную струю формировали, зажигая барьерный разряд от источника питания, позволяющего варьировать длительность импульса напряжения τ=1-1.5 мкс, частоту следования импульсов  от 10 до 90 кГц и амплитуду напряжения от 5 до 13 кВ. На вход устройства подавался поток азота или воздуха. Расход газа контролировался.
После зажигания разряда требовалось до 30 сек для выхода на устойчивый режим горения. Типичный диаметр струи не превышал 0.5-1 мм. При небольшом расходе газа 0.5 л/мин, в условиях τ=1-1.5 мкс,  и амплитудах напряжения до 13 кВ были сформированы плазменные струи длиной до 4 и 3 см в воздухе и азоте, соответственно. При расходе газа менее 0.05 л/мин струя не формируется. При увеличении расхода до ~0.5 л/мин длина струи становится максимальной - 3 см в азоте и 4 см в воздухе. Дальнейший рост расхода газа до 5-10 л/мин сокращал длину струи. При использовании конструктивного исполнения, аналогичного прототипу, сформировать плазменную струю в воздухе или азоте не удавалось: разряд оставался внутри трубки, и даже при расходе газа 30 л/мин не удавалась сформировать плазменную струю. С другой стороны в аргоне или гелии все исследованные варианты конструктивного исполнения обеспечивали получение плазменных струй.
Таким образом, в сравнении с прототипом [10] заявленное устройство обеспечивало формирование плазменных струй в азоте и воздухе, а оптимальные величины расхода газа, близкие к 0.5 л/мин, оказались примерно на порядок меньше тех, что указаны в других информационных источниках, где применялась более сложная техника возбуждения, например радиочастотное возбуждение.
Таким образом, в сравнении с другими источниками плазменных струй, предложенный источник формирует плазменные струи атмосферного давления не только в инертных газах и их смесях, но и в общедоступных и дешевых газах и газовых средах при низком расходе газа. Возможность использования воздуха и описанной схемы обострения напряжения позволяют существенно снизить стоимость и упростить эксплуатацию устройства.
Предложенный источник может использоваться в различных процессах, где требуется локализованная плазменная обработка материалов и сред.
Источники информации
1. Schutze Α., Jeong J.Y., Babayan S.E., Park J., Selwyn G.S., Hicks R.F. The atmospheric-pressure plasma jet: a review and comparison to other plasma sources // IEEE Trans. Plasma Sci. 1998. Vol. 26, No. 6. P. 1685-1694.
2. Laroussi M. Low temperature plasma-based sterilization: Overview and state-of-the-art // Plasma Process. Polym. 2005. Vol. 2, No. 5. P. 391-400.
3. Акишев Ю.С., Грушин M.E., Трушкин Н.И. Патент RU 2398958. Приоритетная дата: 26.10.2007. Опубликовано: 10.09.2010, Бюл. №25.
4. Selwyn G.S. Patent US 5961772. Priority data: 23.01.1997. Published: 05.10.1997.
5. Kieft I.E., v d Laan E.P., Stoffels E. Electrical and optical characterization of the plasma needle // New J Phys. 2004. Vol. 6. 149. 14 p.
6. Patelli Α., Verga F.E., Scopece P., Pierobon R., Vezzu S. Patent WO 2015071746. Priority data: 14.11.2014. Published: 21.05.2015.
7. Mohamed A.-A.H., Kolb J.F., Schoenbach K.H. US 20060028145. Priority data: 31.05.2005. Published: 09.02.2006.
8. Hong Y. Ch., Uhm H.S. Microplasma jet at atmospheric pressure // Appl. Phys. Lett. 2006. Vol. 89. 221504. 4 p.
9. Giuliani L., Xaubet M., Grondona D., Minotti F., Kelly H. Electrical studies and plasma characterization of an atmospheric pressure plasma jet operated at low frequency // Physics of Plasmas. 2013. Vol. 20. 063505. 7 p.
10. Uchida G., Takenaka K., Setsuhara Y. Effects of discharge voltage waveform on the discharge characteristics in a helium atmospheric plasma jet // J. Appl. Phys. 2015. Vol. 117. 153301. 6 p.