CZ305304B6 - Systém trysky pro generování plazmatu v kapalinách - Google Patents

Abstract

Řešení se týká systému trysky pro generování plazmatu v kapalinách, sestávající z dielektrické válcové tyče (1), volitelně na jednom konci kónicky zkosené, v jejíž podélné ose je vytvořen po celé její délce otvor o průměru 0,1 až 2 mm, do nějž je vsunuta kovová elektroda (2) tak, že mezi jejím koncem a koncem válcové tyče volitelně zkoseným je vytvořen volný prostor (3). Systém dále sestává také z druhé elektrody (4), která může být koaxiálně upevněná na keramické válcové tyči nebo volně umístěná kdekoliv v kapalině; jedna z elektrod je uzemněná a válcová tyč i obě elektrody jsou ponořeny do kapaliny o vodivosti 10 až 15 000 jtS/cm. Předmětem vynálezu je také způsob generování plazmatu pomocí trysky, kdy při použití stejnosměrného nebo střídavého napětí v rozsahu 50 Hz až 2450 MHz díky elektrickému proudu procházejícímu otvorem v trysce vznikají mikrobubliny s elektrickým výbojem, který se zapálí při amplitudě napětí nejméně 700 V za vzniku plazmatu uvnitř mikrobublin, které expandují do kapaliny a plazma v kapalině emituje elektromagnetické záření v oblasti až 1100 nm.

Description

Oblast techniky

Vynález se týká systému trysky pro generování plazmatu v kapalinách.

Dosavadní stav techniky

V současné době existuje celá řada systémů pro generování plazmatu za nejrůznějších podmínek. Vzhledem k jednoduchosti a stím souvisejícímu aplikačnímu potenciálu jsou velmi významnou oblastí elektrické výboje realizované za atmosférického tlaku. Těchto výbojů existuje dnes celá řada a liší se jak svým principem, tak i konfigurací elektrod a možnostmi napájení. Mezi těmito výboji hrají velmi významnou roli i nejrůznější plazmové trysky, v nichž je plazma vyfukováno zpravidla z modifikované kapiláry do okolního, zpravidla plynného, prostředí. Obvykle je jako plyn, v němž je generováno plazma, využíván argon, případně hélium, s nejrůznějšími příměsemi reaktivních plynů (dusík, kyslík, organické těkavé prekurzory, atd.). Specifická situace nastává, je-li plazma elektrického výboje v kontaktu s kapalinou, neboť vysoce energetické aktivní částice přítomné v plazmatu (elektrony, ionty, atomy, radikály, atd.) mohou iniciovat celou řadu chemických procesů v kapalné fázi s v současnosti jen obtížně předvídatelnými výsledky a důsledky.

V posledních několika letech se kromě elektrických výbojů generovaných v plynech dostávají do popředí zájmu i systémy, v nichž je plazma generováno přímo v kapalné fázi. Zde, s ohledem na podstatně vyšší hustotu prostředí a odlišné elektrické vlastnosti kapalin, je zpravidla nezbytné využívat silně nehomogenní elektrické pole. Typickými konfiguracemi elektrod jsou proto hrotrovina, případně koaxiální konfigurace, a to v obou polaritách. Méně typická, nicméně použitelná, je i konfigurace pin-hole, kdy jsou elektrodové prostory odděleny dielektrickou přepážkou z vhodného materiálu, v níž je malý otvor. Podle poměru jeho délky k průměru pak rozlišujeme diafragmový, kdy poměr je přibližně jedna a kapilární výboj, kdy délka je podstatně větší, než-li činí průměr otvoru. Elektrické výboje generované pod hladinou kapaliny (zpravidla tvořené různými částečně vodivými vodnými roztoky) jsou zpravidla napájeny pulzně, a to jak stejnosměrně, tak i střídavě až po oblast mikrovln.

Princip generování vlastního elektrického výboje v kapalné fázi není dosud zcela uspokojivě vysvětlen. Existují dvě základní teorie. První z nich, tzv. elektronová teorie, předpokládá, že k průrazu (a tedy vzniku výboje) dochází stejným principem jako v plynech, tedy generováním laviny elektronů. Struktura výboje je pak obdobná jako u koronového výboje generovaného v plynech. Druhá, tzv. tepelná teorie, je založena na předpokladu, že kapalina je v místech s vysokou intenzitou elektrického pole (a tedy i vysokou hustotou elektrického proudu) lokálně přehřívána, vznikají mikrobubliny a v nich pak dochází k elektrickému průrazu a vzniku výboje. Ten pak má za následek expanzi mikrobubliny. Poslední výsledky ukazují, že snad s výjimkou velmi krátkých nanosekundových pulzních výbojů je primárním jevem generování mikrobublin, ovšem na druhé straně jsou známy výsledky, kdy plazma generované v bublinách propaguje do okolní kapaliny spíše ve shodě s elektronovou teorií, tedy přímou elektronovou ionizací molekul kapaliny. Bez ohledu na vlastní detailní princip elektrického průrazu v kapalině lze konstatovat, že plazma lze v kapalinách generovat s užitím různých elektrodových konfigurací i způsobů elektrického napájení.

V současné době existuje celá řada různých laboratorních uspořádání pro generování plazmatu v kapalinách. Jediným známým komerčně dostupným zařízením je Arthrocare. Zkušenosti při práci s tímto zařízením však ukazují poměrně malou životnost vlastní hlavy, v níž je plazma generováno, a rovněž poměrně malý výkon (jednotky wattů), který nemusí být vždy dostačující pro aplikace.

- 1 CZ 305304 B6

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky řeší systém trysky pro použití ke generování plazmatu v kapalinách podle vynálezu, sestávající z dielektrické válcové tyče, volitelně na jednom konci kónicky zkosené, v jejíž podélné oseje vytvořen po celé její délce otvor o průměru 0,1 až 2 mm, do nějž je vsunuta z nekónického konce kovová elektroda tak, že mezi jejím koncem a koncem dielektrické válcové tyče volitelně kónicky zkoseným je vytvořen volný prostor. Keramická válcová tyč je z části volitelně opatřena teflonovým pouzdrem a dále sestává z druhé elektrody, která může být koaxiálně upevněná na keramické válcové tyči, přičemž jedna z elektrod je uzemněná a válcová tyč i obě elektrody jsou ponořeny do kapaliny o vodivosti 10 až 15 000 pS/cm.

Válcová tyč je výhodně vyrobena z keramiky nebo křemenného skla. Otvor ve válcové tyči může být válcový, kónický nebo jiného tvaru.

Kapalinou, do které je ponořena válcová tyč s elektrodami, je voda, vodný roztok anorganické soli, organický roztok nebo směs vody s organickou kapalinou.

Předmětem vynálezu je také způsob generování plazmatu v kapalinách pomocí systému trysky podle vynálezu. Na jednu z elektrod se přiloží napětí nejméně 700 V. Protože veškerý proud musí procházet kapalinou v otvoru válcové tyče, ve volném prostoru mezi jejím koncem a koncem elektrody v ní umístěné, dochází k rychlému lokálnímu přehřátí kapaliny a ve vodném prostoru mezi koncem tyče a koncem elektrody v ní umístěné vznikají mikrobubliny. V závislosti na geometrických rozměrech a vodivosti kapaliny pak dochází k zapálení elektrického výboje při amplitudě použitého napětí na elektrodě; zpravidla 700 až 1300 V za vzniku plazmatu uvnitř mikrobublin. Ty jsou dále intenzivně zahřívány plazmatem, a protože jsou prostorově omezeny rozměry tyče, expandují otvorem v tyči směrem ven do kapaliny. Tím vzniká vlastní plazmový výboj emitující elektromagnetické záření s maximální vlnovou délkou 1100 nm. Předpokládá se, že vzniklé elektromagnetické záření má spodní hranici vlnové délky již od 90 nm.

K napájení je možné využít jak stejnosměrné napětí (v obou polaritách, stabilizované nebo nestabilizované), tak i střídavé až do frekvencí v oblasti mikrovln (50 Hz až 2450 MHz), přičemž režim napájení může být pulzní nebo kontinuální.

V závislosti na napájení se pak dále liší vlastnosti generovaného plazmatu a tím i následné procesy jím iniciované v kapalině. Vlastní plazma generované popsaným systémem kombinuje celou řadu efektů, které následně ovlivňují procesy v kapalině. Aktivní částice vzniklé v elektrickém výboji (v případě vodných roztoků zejména elektrony, atomární vodík a kyslík, OH radikály) indukují komplikovanou chemii jak plazmatu, tak i vlastní kapaliny. Na chemických procesech se podílí i vliv elektrochemických jevů, z nichž zásadní je elektrolýza v případě stejnoměrného napájení. Mimo to ale synergicky působí i celá řada fyzikálních jevů generovaných výbojem. Sem patří vliv silného nehomogenního elektrického pole u ústí trysky, elektromagnetické záření, včetně složek v UV oblasti (záření radikálu OH s maximem 305 až 315 nm) i VUV oblasti (až 91 až 121 nm od atomárního vodíku), proudění urychlených bublin kapalinou od trysky do prostoru (rychlost až m/s) a rázových vln vznikajících kavitací bublin při zániku výboje.

Systém trysky podle vynálezu je velmi jednoduchý, snadno vyrobitelný a tedy i levný. Má dlouhou životnost a vysoký výkon. Vlastní trysku lze snadno a rychle vyměnit, což umožňuje dlouhodobé používání celého systému s minimálními provozními náklady. Nevyžaduje na rozdíl od plazmových trysek generovaných v plynech žádné systémy pro regulaci průtoku plynů. Rovněž šíře možností napájení je extrémně vysoká a se stejnou tryskou tak lze použít nejrůznější zdroje a módy elektrického napájení. To poskytuje širokou škálu možností pro nejrůznější aplikace.

-2CZ 305304 B6

Objasnění výkresů

Obr. 1: Schématický obrázek plazmové trysky s kónickým koncem a elektrodou koaxiálně připevněnou k dielektrické válcové tyči pro generování plazmatu v kapalinách.

Obr. 2: Příklad provedení plazmové mikrotrysky v podobě válcové tyče s rovnými konci pro generování plazmatu v kapalinách.

Příklady uskutečnění vynálezu

Příklad 1

Tryska pro generování plazmatu v kapalinách byla podle obrázku 1 tvořena dielektrickou keramickou válcovou tyčí 1, která byla na jednom konci kónicky zkosená. V její podélné ose byl po celé délce vytvořen válcový otvor, do nějž byla vsunuta a zatěsněna kovová elektroda 2 tak, že mezi jejím koncem a kónickým koncem keramické tyče i byl vytvořen volný prostor 3. Průměry otvoru v tyči i a tedy i elektrody 2 byly v rozmezí 0,2 až 1 mm.

Druhá elektroda systému 4 byla umístěna koaxiálně na keramické válcové tyči las ohledem na bezpečnost práce byla uzemněná. Keramická válcová tyč i obě elektrody byly ponořeny do vodného roztoku anorganické soli (NaCl, KC1, Na₂SO₄) s použitím destilované vody; vodivost roztoků se pohybovala v rozmezí 10 až 15 000 pS/cm. Pro příjemnější a bezpečnější práci byla část válcové tyče 1 učená pro uchopení do ruky opatřena teflonovým pouzdrem 5 (obr. 1).

Po přiložení vysokého napětí na elektrodu 2 došlo k průchodu elektrického proudu kapalinou. Protože veškerý proud musí procházet kapalinou ve volném prostoru 3 otvoru v keramické válcové tyči 1, došlo zde k rychlému lokálnímu přehřátí kapaliny a vzniku mikrobublin. Při testovaném napětí 1 až 5 kV v závislosti na výše uvedených podmínkách došlo k zapálení elektrického výboje uvnitř mikrobublin. Ty byly dále intenzivně zahřívány plazmatem, a protože byly mikrobubliny prostorově omezeny otvorem keramiky, expandovaly směrem ven z otvoru keramické válcové tyče i do kapaliny. Tím vznikal vlastní plazmový výboj (jet), který vystupoval ven do kapaliny, kde dále inicioval chemické i fyzikální procesy.

Bylo použito napájení pomocí stabilizovaného stejnosměrného napětí, přičemž elektroda 2 byla buď kladná, nebo záporná, nestabilizovaného (jednocestně usměrněného) stejnosměrného napětí (opět v obou polaritách), střídavého (50 Hz), vysokofrekvenčního (1 až 100 kHz) a radiofrekvenčního (13,56 MHz) napětí. Ve všech případech došlo k zapálení výboje při amplitudách použitého napětí a stabilnímu hoření výboje po dobu minimálně 5 minut.

Podmínky zapálení výboje a jeho energetická charakterizace byly realizovány pomocí měření časových průběhů napětí a proudu systémem. Spektrometricky bylo pozorováno elektromagnetické záření emitované výbojem v oblasti 200 až 1100 nm; předpokládá se však elektromagnetické záření již v oblasti od 90 nm. Vznik bublin a jejich lychlost byly stanoveny pomocí mikrofotografie na základě známé expoziční doby a délky dráhy mikrobublin. Vznik rázových vln byl pozorován jednak sluchem a dále byl zaznamenán i pomocí piezomikrofonu umístěnému pod kádinkou s roztokem, v němž byla tryska umístěna. Přítomnost chemicky aktivních částic (atomární vodík a kyslík, OH radikál) byla potvrzena spektrometrickými měřeními, jako stabilní chemicky aktivní sloučenina byl kolorimetricky stanovován peroxid vodíku metodou s využitím peroxytitanylového iontu. Účinek plazmatu generovaného systémem trysky podle vynálezu byl prověřen za vybraných podmínek degradace organických barviv, kde byly výsledky v dobré shodě s výsledkem dříve naměřeným v klasickém diafragmovém výboji.

-3 CZ 305304 B6

Příklad 2

Místo keramické válcové tyče X byla použita kapilára z křemenného skla s rovným koncem s vnějším průměrem 1 mm (obr. č. 2) a válcovým podélným otvorem. S touto kapilárou byly provedeny experimenty za stejných podmínek jako v příkladu 1.

Tryska v tomto provedení je použitelná jako nástavec na katétr, případně v oblasti ošetření archeologických předmětů s extrémně členitým povrchem včetně malých dutin. Trysku v tomto provedení lze vsunout i do velmi úzkých a hlubokých prostor.

Průmyslová využitelnost

Systém trysky generující plazma v kapalinách může být přímo využit pro odstraňování korozních vrstev z archeologických předmětů zhotovených zejména ze skla a keramiky. Díky jejím rozměrům je možné poměrně snadno, případně s modifikací v podobě bočního výstupu, ošetřovat i poměrně členité povrchy předmětů. Další aplikace se pak nabízejí v oblasti odstraňování organických sloučenin z vodných roztoků, zejména v oblastech speciálních výrob. Další oblastí využití je povrchová úprava materiálů ve vodných i organických roztocích, včetně nanomateriálů. Zcela otevřené jsou potenciální aplikace v oblasti organických kapalin, kdy může docházet k syntéze nových sloučenin se zcela unikátními vlastnostmi. Mimo oblast techniky je pak tryska využitelná v oblasti biomedicíny, v mikroinvazivní chirurgii nebo biologické dekontaminaci.

Claims (6)

1. Systém trysky pro použití ke generování plazmatu v kapalinách, vyznačující se tím, že sestává z dielektrické válcové tyče (1), volitelně na jednom konci kónicky zkosené, v jejíž podélné oseje vytvořen po celé její délce otvor o průměru 0,1 až 2 mm, do nějž je vsunuta z nekónického konce kovová elektroda (2) tak, že mezi koncem elektrody (2) a koncem válcové tyče (1) volitelně kónicky zkoseným, je vytvořen volný prostor (3), kde válcová tyč (1) je volitelně opatřena teflonovým pouzdrem (5) a dále systém sestává z druhé elektrody (4) koaxiálně upevněné na dielektrické válcové tyči (1), nebo nacházející se kdekoli v kapalině, přičemž jedna z elektrod (2) nebo (4) je uzemněná a dielektrická válcová tyč (1) i obě elektrody (2) a (4) jsou ponořeny do kapaliny o vodivosti 10 až 15 000 pS/cm.

2. Systém trysky podle nároku 1, vyznačující se tím, že dielektrická válcová tyč (1) je vyrobena z keramiky nebo křemenného skla.

3. Systém trysky podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že volný prostor (3) ve válcové tyči (1) je válcový nebo kónický.

4. Systém trysky podle nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že kapalinou je voda, vodný roztok anorganické soli, roztok organické látky nebo směs vody s organickou kapalinou.

5. Způsob generování plazmatu v kapalinách s použitím systému trysky podle nároku 1, vyznačující se tím, že na jednu z elektrod (2) nebo (4) se přiloží napětí nejméně 700 V, přičemž vzniklý elektrický proud prochází kapalinou v otvoru dielektrické válcové tyči (1) a ve volném prostoru mezi koncem tyče (1) a koncem elektrody (2) v ní umístěné vznikají mikrobubliny s elektrickým výbojem zapáleným při amplitudě napětí na elektrodě (2) nebo (4) za vzniku plazmatu uvnitř mikrobublin a expanze mikrobublin otvorem v dielektrické válcové tyči

-4CZ 305304 B6 (1) do kapaliny, přičemž plazma v kapalině emituje elektromagnetické záření s maximální vlnovou délkou 1100 nm.

6. Způsob podle nároku 5, vyznačující se tím, že se použije stejnosměrné napětí nebo střídavé napětí v rozsahu 50 Hz až 2450 MHz, přičemž režim napájení je pulzní nebo kontinuální.