CZ306214B6 - Stabilizovaný a homogenizovaný zdroj netermálního plazmatu - Google Patents

Abstract

Zdroj netermálního plazmatu s akusticky stabilizovaným a magneticky homogenizovaným elektrickým výbojem je tvořen válcovou výbojovou komorou (1) realizovanou elektricky vodivou trubicí z nemagnetického materiálu, která tvoří jednu elektrodu výbojového systému spojenou uzemňovacím vodičem (13) se zemním potenciálem. Druhá elektroda je drátová elektroda (2) tvořená vodičem kruhového průřezu z nemagnetického materiálu kruhového průřezu, a je umístěna v ose výbojové komory (1). Do této výbojové komory (1) jsou z obou stran zaústěny elektricky nevodivé nástavce (5) a (6), které jsou připojeny k akustickým zdrojům (7) a (8). Na výbojovou komoru (1) jsou nasunuty toroidní permanentní magnety (11) a (12). Uprostřed výbojové komory (1) je umístěn střed drátové elektrody (2), která je spojená vně výbojové komory (1) přes stabilizační odpor (3) s vysokonapěťovým zdrojem (4). Tato drátová elektroda (2) kolmo vybíhá z roviny uzlu akustického tlaku v ose válcové výbojové komory (1). Délka vodiče drátové elektrody (2) v podélné ose válcové výbojové komory (1) je větší než délka výbojové komory (1). Přívod (9) a odvod (10) zpracovávaného plynu jsou vyústěny přes nevodivé nástavce (5) a (6) na opačných stranách od výbojové komory (1).

Description

Stabilizovaný a homogenizovaný zdroj netermálního plazmatu

Oblast techniky

Předkládané řešení se týká zdroje netermálního plazmatu, ve kterém dochází ke stabilizaci, homogenizaci a ke zvětšení objemu elektrického výboje mezi koaxiálními elektrodami současným působením akustického a magnetického pole za atmosférického tlaku.

Dosavadní stav techniky

Výboje ve vzduchu za atmosférického tlaku jsou zdrojem elektronů, kladných a záporných iontů, kyslíkových atomů, aktivních kyslíkových částic jako jsou excitované molekuly a atomy, produkují ozón, vysoce reaktivní radikály či elektromagnetické záření různých vlnových délek. Každý z těchto produktů lze potom využít pro nastartování reakcí vedoucích k dosažení požadovaných cílů, například inaktivaci bakterií, změnu chemického složení plynné směsi či úpravu povrchu. Vlastnosti plazmatu lze měnit typem výboje a jeho parametry. K optimalizaci těchto parametrů lze využít řadu faktorů, jako jsou např. katalyzátory nebo vnější pole.

Pro praktické aplikace je vhodné výboj provozovat v co největších objemech při dosažení maximální dodané energie, čehož lze dosáhnout použitím např. víceelektrodových výbojů. S tím souvisí otázka řešení termální stability výboje. K udržení vhodné teploty výboje a výbojových elektrod se často používá chlazení plynem, který do výboje proudí. Chladicí plyn však ředí plyn zpracovávaný a zkracuje dobu, kterou mohou reaktanty v oblasti výboje strávit, čímž dochází k poklesu účinnosti uvedených procesů. Navíc, každá z elektrod obvykle jehel či břitů musí mít svůj předřadný odpor, abychom alespoň částečně vyloučili hoření výboje pouze z jednoho ostří, ostří s nejvyšším gradientem elektrického pole. To značně komplikuje konstrukci zařízení zejména z hlediska elektrické izolace přívodů k jednotlivým elektrodám a z hlediska velkých rozměrů předřadných vysokonapěťových odporů.

Objem výboje z jedné jehly lze rozšířit vhodnou aplikací akustických vln. Je známo například rozšíření výboje mezi vícejehlovou a rovinnou elektrodou, při umístění jehel do uzlu akustického tlaku a zároveň do roviny kolmé k tomuto uzlu v akustickém rezonátoru, jakje uvedeno v patentu CZ301823. V tomto provedení popisovaná rovinná elektroda neumožňuje symetrické a vydatné zaplnění vnitřního prostoru rezonátoru.

Konstrukce rezonátoru kde výboj hoří mezi vícejehlovými elektrodami ve vzdálenosti λ/4 od posuvného reflektoru a drátovou elektrodou v ose rezonátoru je popsána v patentu CZ303615. Ve výhodném provedení, kdy jsou vícejehlové elektrody umístěné kolem obvodu válcového rezonátoru symetricky k rovině uzlu akustického tlaku, dochází k velmi intenzivnímu zaplnění objemu válcového rezonátoru výbojem. Nevýhodou je, že každá vícejehiová elektroda musí mít svůj předřadný odpor a že mezi hroty jehlových elektrod, ze kterých výboj hoří, existuje prostor bez výboje. Rovněž veškerý výbojový proud prochází hroty jehlových elektrod, které jsou vystaveny velkým proudovým hustotám.

Hlavní nevýhodou všech dosud popsaných konstrukcí je, že k dosažení velkých akustických výchylek prostředí, respektive vysokých akustických rychlostí v prostoru výbojových elektrod nutných k rozprostření a stabilizaci výboje je nutné v každém rezonátoru vybudit velké akustické tlaky dosahující několika tisíc Pa. Rezonátory jsou tedy zdrojem intenzivního hluku, který se zejména u rezonátoru pro nízké frekvence obtížně a neekonomicky odstraňuje. Rozměry akustických rezonátorů z důvodu splnění rezonančních podmínek jsou také velké, obvykle jedna polovina délky akustické vlny.

- 1 CZ 306214 B6

Výše uvedené nedostatky odstraňuje zařízení s akusticky stabilizovaným elektrickým výbojem podle uvedené v CZ304836. Toto zařízení je tvořeno válcovou výbojovou komorou s přívodem a odvodem zpracovávaného plynu. Ve výbojové komoře je umístěna uzemněná vodivá drátová elektroda, která je spojená s jedním potenciálem, a druhá elektroda, která je spojená s opačným potenciálem a jejíž střed je umístěn ve středu výbojové komory, tedy v uzlu akustického tlaku. Uzemněná vodivá drátová elektroda je elektricky spojená se zemním vodičem vně výbojové komory a je tvořena vodičem kruhového průřezu umístěným rovnoběžně s podélnou osou válcové výbojové komory. Střed drátové uzemněné vodivé elektrody leží proti středu druhé elektrody. Druhá elektroda je nožová elektroda a je situována symetricky naproti středu uzemněné vodivé drátové elektrody a je elektricky propojená přes odpor s vysokonapěťovým zdrojem. Podstatou tohoto řešení je, že do výbojové komory je z obou stran zaústěn zdroj akustického pole. Oba zdroje jsou zapojeny v protifázi přes zesilovače s výstupem generátoru. Ve výhodném provedení je vodič kruhového průřezu umístěn v podélné ose válcové výbojové komory, tedy v místě stejně vzdáleném od nožové elektrody. V dalším provedení lze kolem vnitřního obvodu válcové výbojové komory, symetricky k rovině uzlu akustického tlaku, umístit libovolný počet dalších nožových elektrod. Jejich ostří mají stejnou vzdálenost k uzemněné vodivé drátové elektrodě. Každá tato další nožová elektroda je spojena s vysokonapěťovým zdrojem přes individuální odpor. Velmi výhodné je, že akustické vlnění tohoto uspořádání stabilizuje výboje tak, že hoří po celé délce ostří nožové elektrody.

Při uspořádání kdy válcová výbojová komora tvoří jednu elektrodu a kdy nožová elektroda je nahrazena tenkým drátem v ose válcové komory, dojde sice ke stabilizaci a chlazení výboje ale zařízení je velice citlivé na přesné umístění drátové elektrody do osy elektrody válcové. Pokud dojde k sebemenšímu vyosení drátové elektrody, výboj hoří jen v segmentu výbojového prostoru kde je mezi elektrodami nejmenší vzdálenost a tedy nejvyšší gradient elektrického pole.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky odstraňuje stabilizovaný a homogenizovaný zdroj netermálního plazmatu, tvořený válcovou výbojovou komorou, jejíž stěna z vodivého a nemagnetického materiálu je uzemněná uzemňovacím vodičem. V podélné ose této výbojové komory je umístěna elektricky vodivá nemagnetická drátová elektroda kruhového průřezu, která je přes stabilizační odpor připojena ke svorce stejnosměrného vysokonapěťového zdroje. Výbojová komora je navázána na první a na druhý akustický zdroj, z nichž každý je tvořen akustickým vlnovodem připojeným přes reduktor průřezu k akustickému měniči, kde tyto akustické měniče jsou zapojeny v protifázi. Podstatou nového řešení je, že výbojová komora je navázána na první akustický zdroj přes elektricky nevodivý první válcový nástavec opatřený ve svém plášti odvodem plynu a na druhý akustický zdroj přes elektricky nevodivý druhý válcový nástavec opatřený ve svém plášti přívodem plynu. Oba válcové nástavce jsou svým jedním koncem částečně zaústěny do výbojové komory. K jejich stěně je fixována poloha konců drátové elektrody. Výbojová komora je v celé své délce umístěna uvnitř alespoň jednoho permanentního toroidního magnetu orientovaného tak, že vektor magnetické indukce pole vytvořeného tímto alespoň jedním permanentním toroidním magnetem je uvnitř výbojové komory rovnoběžný s její osou a je kolmý na vektor proudové hustoty tvořený výbojem orientovaným radiálně mezi vnitřní stěnou výbojové komory a drátovou elektrodou. Délka drátové elektrody přesahuje okraje výbojové komory. Aktivní část drátové elektrody ležící v ose výbojové komory symetricky k rovině uzlu akustického tlaku má střed ve středu této výbojové komory a její aktivní délka rovnající se maximálně dvojnásobku amplitudy akustické výchylky vybuzené akustickým polem, je tvořena délkou výbojové komory zkrácenou o součet délek částí prvního a druhého nástavce, které jsou zaústěny do výbojové komory.

Je výhodné z důvodu vizualizace výboje, když jsou první a druhý nástavec z průhledného materiálu.

-2CZ 306214 B6

Výsledkem tohoto řešení je stabilizovaný a homogenize váný výboj v celém objemu výbojové komory vymezené délkou překrývajících se elektrod. Velmi výhodné je, že magnetické pole homogenizuje a akustické pole tohoto uspořádání stabilizuje jak koránové tak streamerové výboje tak, že hoří rovnoměrně v celém objemu výbojové komory mezi oběma elektrodami. Zároveň chladí drátovou výbojovou elektrodu a neředí zpracovávaný plyn oproti řešení předloženému např. v JP57192721 (A)—1982-11-26. Vstup pracovního plynu na jedné straně výbojové komory a výstup plynu na straně druhé zaručuje, že veškerý zpracovávaný plyn musí projít výbojovým prostorem, ve kterém je zcela eliminován jakýkoliv mrtvý prostor, tedy prostor bez výboje.

Objasnění výkresů

Příklad uspořádání zdroje plazmatu s akustickou stabilizací a magnetickou homogenizací výboje mezi drátovou elektrodou a uzemněnou válcovou elektrodou tvořící plášť výbojové komory zasunuté do toroidních permanentních magnetů je schematicky naznačen na Obr. 1. V Obr. 2a je ukázán snímek streamerových výbojů mezi drátovou a válcovou elektrodou s působením pouze akustické stabilizace, a v Obr. 2b s působením jak akustické stabilizace, tak magnetické homogenizace. Obr. 2a,b představují šikmý pohled do vnitřního prostoru výbojové komory přes elektricky nevodivé a pro případ vizualizace i průhledné nástavce. Frekvence akustického pole je 100 Hz a maximální stejnosměrné napětí mezi elektrodami je 25 kV.

Mechanismus stabilizace a homogenizace výboje je založen na společném působením akustického a magnetického pole. Podílí se na něm jak akustická výchylka, tak akustická rychlost, se kterou je prostředí výboje posouváno s periodou akustické vlny napříč rovině uzlu akustického tlaku, tak že změny tlaku vytvářejí periodicky měnící se zředění a zhuštění anti-symetricky v obou poloprostorech položených vůči rovině uzlu tlaku.

Příklady uskutečnění vynálezu

Stabilizovaný a homogenizovaný zdroj netermálního plazmatu na Obr. 1 je tvořen válcovou výbojovou komorou 1 realizovanou elektricky vodivou trubicí z nemagnetického materiálu, která tvoří jednu elektrodu výbojového systému spojenou uzemňovacím vodičem 13 se zemním potenciálem. Do této výbojové komory 1 je z jedné strany zaústěn první elektricky nevodivý nástavec 5, který je připojen k prvnímu akustickému zdroji 7 a symetricky k němu, je z druhé strany do výbojové komory £ zaústěn druhý elektricky nevodivý nástavec 6, který je připojen k druhému akustickému zdroji 8. Na výbojovou komoru £ jsou v tomto příkladu nasunuty toroidní permanentní magnety 11 a £2, jejichž počet je libovolný a je dán délkou výbojové komory £. Uprostřed výbojové komory £ je umístěn střed vodivé drátové elektrody 2, dále jen drátová elektroda 2, která je spojená vně výbojové komory £ přes stabilizační odpor 3 s vysokonapěťovým zdrojem 4. Tato drátová elektroda 2 je umístěna v ose válcové výbojové komory £ symetricky k rovině uzlu akustického tlaku. Drátová elektroda 2 je tvořena vodičem kruhového průřezu z nemagnetického materiálu a její aktivní délka je stejná jako délka výbojové komory £ zmenšená o délky přesahu elektricky nevodivého prvního nástavce 5 a nevodivého druhého nástavce 6 dovnitř výbojové komory £ a zároveň je délka aktivní části drátové elektrody 2 menší než dvojnásobek akustické výchylky vytvořené akustickým polem uvnitř výbojové komory £. Střed této aktivní části, tedy střed drátové elektrody 2, leží ve středu výbojové komory £. Části drátové elektrody 2, mimo její aktivní délku, například ty, které jsou kolmé k podélné ose válcové výbojové komory £ plní pouze funkci vyvedení elektrody z vnitřku výbojové komory £ a její mechanickou fixaci. Délka vodiče drátové elektrody 2 v podélné ose válcové výbojové komory £ je větší než délka výbojové komory £ a její průřez je dán požadavky na proudovou hustotu výboje. Vstup a výstup zpracovávaného plynu jsou tvořeny přívodem 9 a odvodem 10 vedenými přes elektricky nevodivé nástavce na opačných stranách od výbojové komory £.

-3 CZ 306214 B6

Podstata činnosti uvedeného stabilizovaného a homogenizovaného zdroje netermálního plazmatu spočívá vtom, že elektrický výboj, vzniklý důsledkem vysokého napětí přivedeného přes stabilizační odpor 3 ze svorky vysokonapěťového zdroje 4 k drátové elektrodě 2 a hořící mezi drátovou elektrodou 2 a vnitřkem výbojové komory 1, je akustickou vlnou termálně chlazen. Prostředí, v němž elektrický výboj hoří, je modifikováno akustickou vlnou s rychlostí, která má ve směru kolmém k rovině uzlu akustického tlaku největší velikost a v každé půlperiodě mění svůj směr ve směr opačný. V důsledku akustické výchylky je ohřátá oblast posunuta ve směru výchylky. V ohřáté oblasti dojde ke zředění plynu respektive snížení tlaku, a v souhlase s Meeksovým kritériem, k vytvoření vhodnějších podmínek pro výboj. Výboj se tak posouvá ve směru osy výbojové komory L Zároveň jsou ionizované částice výboje pohybující se kolmo k vektoru magnetické indukce vystaveny působení Lorentzovy síly, čímž dochází ke spirálovému zakřivení a značnému prodloužení jejich trajektorie mezi elektrodami tvořenými výbojovou komorou 1 a drátovou elektrodou 2, a tudíž ke značnému zmenšení nároků na vystředění drátové elektrody 2 vůči elektrodě tvořené vnitřní stěnou výbojové komory 1. Výsledkem je stabilizovaný a homogenizovaný výboj v celém objemu výbojové komory 1 vymezené délkou překrývajících se částí výbojové komory 1 a drátové elektrody 2. Dochází tak k synergii účinků akustického a magnetického pole na výboj.

Na Obr. 2a je zobrazen snímek streamerového výboje mezi zápornou drátovou elektrodou 2 a vnitřní částí výbojové komory 1 bez působení magnetického pole při frekvenci akustického pole 100 Hz a konstantním stejnosměrném napětí do 20 kV. Na Obr. 2b je zobrazen výboj při stejných akustických a elektrických podmínkách při působení magnetického pole tří toroidních permanentních magnetů vytvářejících magnetické pole s indukcí 300 mT v ose výbojové komory. Z Obr. 2a je patrné, že bez působení magnetického pole se výboj uzavírá pouze v omezeném segmentu objemu výbojové komory.

Za účelem studia ovlivňování výboje spočívajícím v interakci výboje s oscilacemi akustického pole v oblasti výboje bylo vytvořeno experimentální zařízení, odpovídající schématu na Obr. 1. V tomto uspořádání byla vzdálenost mezi drátovou elektrodou 2 o průměru vodiče 0,1 mm a vnitřním průměrem výbojové komory 1 rovna 10 mm. Akustické vlna byla buzena elektroakustickými měniči BC 6MD38-8 z generátoru Agilent 33250A jehož, výkon byl zesílen pomocí zesilovače Mackie M 1400.

Průmyslová využitelnost

Předkládané řešení se týká zařízení, ve kterém dochází ke stabilizaci, homogenizaci a ke zvětšení objemu různých typů elektrického výboje mezi koaxiálními elektrodami současným působením akustického a magnetického pole za atmosférického tlaku. Zdroj je určen ke generaci vysoce reaktivních částic s aplikačním potenciálem v medicíně např. inaktivaci infekčních agens, v environmentálních aplikacích např. dekompozici těkavých organických sloučenin a úpravách povrchu.

Claims (2)

1. Stabilizovaný a homogenizovaný zdroj netermálního plazmatu, tvořený válcovou výbojovou komorou (1), jejíž stěna z vodivého a nemagnetického materiálu je uzemněná uzemňovacím vodičem (13), kde v podélné ose této výbojové komory (1) je umístěna elektricky vodivá nemagnetická drátová elektroda (2) kruhového průřezu, která je přes stabilizační odpor (3) připojena ke svorce stejnosměrného vysokonapěťového zdroje (4) a kde výbojová komora (1) je navázána na první akustický zdroj (7) a na druhý akustický zdroj (8), z nichž každý je tvořen akustickým vlnovodem připojeným přes reduktor průřezu k akustickému měniči, kde tyto akustické měniče jsou zapojeny v protifázi, vyznačující se tím, že výbojová komora (1) je navázána na první akustický zdroj (7) přes elektricky nevodivý první válcový nástavec (5) opatřený ve svém plášti odvodem (10) plynu a na druhý akustický zdroj (8) přes elektricky nevodivý druhý válcový nástavec (6) opatřený ve svém plášti přívodem (9) plynu, kde první válcový nástavec (5) i druhý válcový nástavec (6) jsou svým jedním koncem částečně zaústěny do výbojové komory (1) a kde k jejich stěně je fixována poloha konců drátové elektrody (2), přičemž výbojová komora (1) je v celé své délce umístěna uvnitř alespoň jednoho permanentního toroidního magnetu (11, 12) orientovaného tak, že vektor magnetické indukce pole vytvořeného tímto alespoň jedním permanentním toroidním magnetem (11, 12) je uvnitř výbojové komory (1) rovnoběžný s její osou aje kolmý na vektor proudové hustoty tvořený výbojem orientovaným radiálně mezi vnitřní stěnou výbojové komory (1) a drátovou elektrodou (2) a dále délka drátové elektrody (2) přesahuje okraje výbojové komory (1), přičemž její aktivní část ležící v ose výbojové komory (1) symetricky k rovině uzlu akustického tlaku má střed ve středu této výbojové komory (1) a její aktivní délka, rovnající se maximálně dvojnásobku amplitudy akustické výchylky vybuzené akustickým polem, je tvořena délkou výbojové komory (1) zkrácené o součet délek částí prvního nástavce (5) a druhého nástavce (6), zaústěných do výbojové komory (1).

2. Stabilizovaný a homogenizovaný zdroj netermálního plazmatu podle nároku 1, vyznačující se tím, že první nástavec (5) a druhý nástavec (6) jsou z průhledného materiálu.