WO2021133232A1 - Устройство и способ генерации низкотемпературной плазмы - Google Patents

Устройство и способ генерации низкотемпературной плазмы Download PDF

Info

Publication number
WO2021133232A1
WO2021133232A1 PCT/RU2020/050394 RU2020050394W WO2021133232A1 WO 2021133232 A1 WO2021133232 A1 WO 2021133232A1 RU 2020050394 W RU2020050394 W RU 2020050394W WO 2021133232 A1 WO2021133232 A1 WO 2021133232A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
discharge
circuit
energy
pulse
pulses
Prior art date
Application number
PCT/RU2020/050394
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Александр Викторович ХИНКИС
Original Assignee
Александр Викторович ХИНКИС
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Александр Викторович ХИНКИС filed Critical Александр Викторович ХИНКИС
Publication of WO2021133232A1 publication Critical patent/WO2021133232A1/ru

Links

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2/00—Methods or apparatus for disinfecting or sterilising materials or objects other than foodstuffs or contact lenses; Accessories therefor
    • A61L2/16—Methods or apparatus for disinfecting or sterilising materials or objects other than foodstuffs or contact lenses; Accessories therefor using chemical substances
    • A61L2/20—Gaseous substances, e.g. vapours
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2/00—Methods or apparatus for disinfecting or sterilising materials or objects other than foodstuffs or contact lenses; Accessories therefor
    • A61L2/02—Methods or apparatus for disinfecting or sterilising materials or objects other than foodstuffs or contact lenses; Accessories therefor using physical phenomena
    • A61L2/14—Plasma, i.e. ionised gases

Definitions

  • the present invention relates to devices for generating periodic pulses with a variable repetition rate and can be applied, in particular, in devices for generating highly nonequilibrium low-temperature plasma of pulsed gas discharges at atmospheric and reduced pressure.
  • Disinfection is the reduction of viable microorganisms through physical or chemical methods.
  • the discharge is a conductive channel formed between two electrodes. There is only one channel at a time. With each new impulse, the channel is formed in a new place. The temporal characteristics of the discharge excitation are selected in such a way that a new pulse is supplied only after the complete decay of the previous one.
  • a solid-state generator with a shock excitation circuit is used to obtain pulses of damped high-frequency oscillations.
  • the well-known generator contains a primary storage energy and a switch connected in series to the primary winding of a pulse transformer with a saturable core, to the terminals of the secondary winding of which a circuit capacitor is connected to which the energy of the primary storage is transferred, and a diode, as well as an output high-frequency transformer, the primary winding of which forms a parallel oscillatory circuit with the circuit capacitor ...
  • a diode is used as a key element, which is in a closed state at the moment of energy transfer from the primary storage to the capacitor of the oscillatory circuit and in the open state at the moment of occurrence of oscillations in this circuit.
  • a constant damping current through the diode flows in the forward direction and saturates the diode structure with carriers, which allows the diode to conduct current not only in positive, but also in negative periods of high-frequency oscillations in the circuit.
  • its value becomes insufficient to ignite the discharge in subsequent periods of oscillations.
  • part of the pulse energy is wasted, dissipating in the form of heat in the conductors. This leads to a decrease in the efficiency of the plasma generator due to its increased power consumption.
  • RF patent 2647662 describes a solid-state high-frequency generator with a shock excitation circuit containing a primary energy storage device and a semiconductor switch, which are connected in series to the primary winding of the pulse transformer.
  • An increase in the efficiency of the device is ensured through the use of a control circuit, which ensures that the switch is turned on when a certain voltage level on the capacitive storage is reached and the switch is turned off after a fixed time interval or in the absence of current flowing through it, and the current flows through a diode parallel to the switch.
  • a feature of this technical solution is the use of an insulated gate bipolar transistor (IGBT) as a primary switch.
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • the generator By adjusting the parameters of the transformer, the generator is matched to the discharge gap. For example, by varying the ratio of turns of the primary and secondary windings, you can change the amplitude of the generator output voltage.
  • the coupling coefficient of the windings in fact, by changing the leakage inductance, it is possible to limit the maximum current through the discharge system without resorting to ballast resistors and without losing useful power on them. Thus, a high efficiency of the discharge system is ensured.
  • the technical objective of the present invention is to provide the possibility of operational monitoring and control of the properties of the resulting energy medium in the treatment zone during the ignition of gas discharges while maintaining the energy efficiency of the low-temperature plasma generator.
  • the technical result consists in providing the possibility of fine adjustment of the parameters of the environment in the zone of plasma exposure, the absence of local overheating, the formation of a uniform near-surface layer while maintaining low power consumption of the device and its high efficiency.
  • the device contains a solid-state pulse generator with a current sensor, to which the primary winding of the pulse transformer is connected, a discharge oscillatory circuit receiving energy from the specified generator, and a control computer device.
  • the discharge oscillatory circuit includes a secondary winding of the specified pulse transformer, an isolation capacitor, and a current sensor and a load in which the damped oscillation pulses are generated.
  • the shock excitation circuit of the generator includes a power supply, a power high-voltage MOS transistor, a diode and an operational amplifier, and may additionally contain a comparator and a trimmer for monitoring and adjusting the pulse duration.
  • the current sensor in the generator can be connected with the ability to record the current drops and, accordingly, the energy deposited in the pulse, which vary depending on the distance between the anode and cathode in the discharge gap.
  • the generator can inject energy into the discharge circuit in the form of pulses in a wide energy range (approximately from 5 to 40 mJ) and duration 50-55 ⁇ s (short pulses) and pulse repetition rate up to 100000 Hz. This is done through the use of high-speed operational amplifiers, comparators, and a MOSFET gate driver.
  • the device according to the invention also contains a display which provides the user with information on all the required parameters.
  • the claimed invention relates to a method for generating a highly nonequilibrium low-temperature plasma of pulsed gas discharges at atmospheric and / or reduced pressure.
  • the input of energy into the discharge circuit in the form of short pulses is regulated by independent and dynamic adjustment of the frequency and duty cycle of supplying power pulses to the load through the shock excitation circuit based on the data received through feedback from the shock excitation circuit current sensors of the discharge circuit current sensors, and the adjustment the parameters of the pulses are carried out in such a way as to constantly maintain stable parameters of the plasma.
  • the duration of the discharge pulses and the maximum value of the discharge current are regulated by changing the capacitance of the capacitor of the discharge circuit.
  • the duration of the discharge pulses and their structure are regulated by changing the inductance of the secondary winding of the transformer.
  • the frequency and duty cycle of the pulses are controlled based on the feedback data from the current sensors, which record the current drops, which vary depending on the distance between the anode and the cathode in the discharge gap.
  • Energy is injected into the discharge circuit in the form of pulses up to 40 mJ in size and up to 50-55 ⁇ s duration and with a pulse repetition rate of up to 100,000 Hz.
  • FIG. 1 shows a simplified electrical diagram of a shock generator according to the invention.
  • FIG. 6 shows an oscillogram from a current transformer showing the shape of the current in the discharge gap after breakdown.
  • FIG. 1 schematically shows the electrical circuit of the shock generator according to the invention.
  • Generation of primary pulses and dynamic adjustment of their frequency and duty cycle occur in a control computer device (1) (for example, a microcontroller) using the machine-readable instructions contained in it.
  • the control computer device (1) using the built-in ADC digitizes the signals from the current sensor (5) and the current transformer (9), amplified by operational amplifiers (2) and (3), respectively; the shape of the current determines the state of the discharge gap (8): whether the volume discharge is burning in it, or the discharge is absent, or the discharge has contracted into an arc.
  • the oscillogram of the current from the sensor (5) with a volume pulse discharge is shown in Fig. 3, from the current transformer (9) - in FIG. 6.
  • the control device When detected arc discharge, the control device reduces the pulse duration and frequency, in the absence of a discharge - accordingly, increases. From the output of the control device, the pulses are transmitted to the key MOS transistor (4) through a high-speed gate driver (not shown in the diagram). Opening, the key transistor (4) supplies current to the primary winding of the high-voltage transformer (6).
  • the pulses issued by the shock generator to the transformer (6) arrive at the circuit, which is a serial oscillatory discharge circuit (see Fig. 2), consisting of a pulse transformer L, a blocking capacitor C and a load R.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)

Abstract

Способ и устройство для генерации сильнонеравновесной низкотемпературной плазмы импульсных газовых разрядов при атмосферном и пониженном давлении, содержит твердотельный импульсный генератор с датчиком тока, разрядный колебательный контур, получающий энергию от указанного генератора, а также управляющее компьютерное устройство для регулирования ввода энергии в разрядный контур в виде коротких импульсов путем независимой и динамической регулировки частоты и скважности подачи силовых импульсов на нагрузку через контур ударного возбуждения на основании данных, полученных по обратной связи от указанных датчиков тока. Регулирование ввода энергии осуществляют таким образом, чтобы постоянно поддерживать стабильные параметры плазмы. Технический результат заключается в возможности контролировать свойства среды в зоне обработки при сниженном энергопотреблении.

Description

УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ
ПЛАЗМЫ Область техники
Настоящее изобретение относится к устройствам для генерации периодических импульсов с переменной частотой повторения и может быть применено, в частности, в устройствах для генерации сильнонеравновесной низкотемпературной плазмы импульсных газовых разрядов при атмосферном и пониженном давлении.
Предшествующий уровень техники
В различных производственных и лабораторно-технических процедурах важна хорошая дезинфекция используемых объектов. Дезинфекция - это уменьшение количества жизнеспособных микроорганизмов с помощью физических или химических методов.
Одним из способов эффективного обеззараживания поверхностей является обработка низкотемпературной плазмой газового разряда атмосферного давления.
Начиная с 2000-х годов, работы по созданию систем генерации низкотемпературной плазмы атмосферного давления для медицинских применений проводятся во многих странах мира (США, Германия, Япония, Россия, Китай). На данный момент существуют устройства генерации плазмы на основе искрового коронного и высокочастотного разрядов. Их недостатками, в частности, являются локальный характер горения разрядов и необходимость обеспечения специальных внешних условий для поддержания разряда. Локальный характер горения приводит к низкой однородности генерируемой плазмы, что снижает эффективность обеззараживания из-за неравномерного воздействия на обрабатываемую поверхность в случае прямой обработки объекта плазмой разряда. Известен также другой тип газового разряда высокого давления - объемный разряд. Одно из достоинств объемного разряда - возможность применять очень высокие значения удельной мощности (до 1 МВт/см3), а, следовательно, и результирующая энергия также оказывается значительной. Разряд представляет собой проводящий канал, образованный между двумя электродам. В отдельно взятый момент времени существует только один канал. С каждым новым импульсом канал образуется в новом месте. Временные характеристики возбуждения разряда подобраны таким образом, чтобы новый импульс подавался только после полного распада предыдущего.
Известны способы дезинфекции поверхностей при атмосферном давлении с помощью плазменной струи, создаваемой электрическим разрядом в пространстве, через которое пропускают газ (см., например, публикацию патентной заявки США N° 2010021340 (А1) от 28.01.2010). Дезинфекционный эффект возникает за счет передачи энергии к поверхности от неравновесной плазмы, когда в газоразрядной плазме происходит возбуждение и диссоциация газообразных соединений с формированием различных радикалов, и эти радикалы (не только радикалы) активно воздействуют на микроорганизмы на стерилизуемой поверхности.
Для получения сильнонеравновесной низкотемпературной плазмы известно использование устройств, генерирующих импульсы прерывистых затухающих гармонических колебаний с использованием принципа ударного возбуждения колебательного контура импульсами тока большой величины (см., например, Мастяев В. . Генераторы на импульсных тиратронах для индукционного нагрева. — М.: Энергия, 1978).
Например, в патенте РФ N° 2523163 для получения импульсов затухающих высокочастотных колебаний используют твердотельный генератор с контуром ударного возбуждения. Известный генератор содержит первичные накопитель энергии и коммутатор, подключенные последовательно к первичной обмотке импульсного трансформатора с насыщающимся сердечником, к выводам вторичной обмотки которого подключены конденсатор контура, в который передается энергия первичного накопителя, и диод, а также выходной высокочастотный трансформатор, первичная обмотка которого образует с конденсатором контура параллельный колебательный контур. В качестве ключевого элемента использован диод, находящийся в закрытом состоянии в момент передачи энергии первичного накопителя в конденсатор колебательного контура и в открытом в момент возникновения колебаний в этом контуре. В известном устройстве постоянный затухающий ток через диод протекает в прямом направлении и насыщает структуру диода носителями, что позволяет диоду проводить ток не только в положительные, но и в отрицательные периоды высокочастотных колебаний в контуре. Однако ввиду затухания амплитуды напряжения во времени, его величины становится недостаточно для зажигания разряда в последующие периоды колебаний. Таким образом, часть энергии импульса тратится бесполезно, рассеиваясь в виде тепла в проводниках. Это приводит к снижению эффективности генератора плазмы за счет его повышенного энергопотребления.
Задача повышения эффективности генератора импульсов затухающих колебаний решалась, например, в патенте JPS5862924, относящемуся к мощному генератору импульсов затухающих колебаний. В известном устройстве используют дополнительный конденсатор для накопления неизрасходованной энергии затухающих колебаний в цепи, которые после полного прекращения колебаний возвращают на источник питания с помощью дополнительной цепи рекуперации.
Дальнейшее развитие данного подхода представлено в патенте РФ 2647662, в котором описан твердотельный высокочастотный генератор с контуром ударного возбуждения, содержащий первичные накопитель энергии и полупроводниковый коммутатор, которые подключены последовательно к первичной обмотке импульсного трансформатора. Повышение эффективности устройства обеспечено за счет использования схемы управления, которая обеспечивает включение коммутатора при достижении определенного уровня напряжения на ёмкостном накопителе и отключение коммутатора через фиксированный интервал времени или при отсутствии протекающего через него тока, причем ток протекает через параллельный коммутатору диод.
Особенностью данного технического решения является применение в качестве первичного коммутатора биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT-транзистора). Возможность как включения, так и выключения коммутатора внешним сигналом управления позволяет прерывать колебания в первичном контуре либо в нужный момент времени, либо при прекращении потребления энергии нагрузкой. При этом часть энергии импульса, не потребленная нагрузкой, запасается в емкости накопителя первичного контура. На величину этой остаточной энергии уменьшается энергия, поступающая в накопитель от источника питания для формирования следующего импульса.
Путем корректировки параметров трансформатора обеспечивают согласование генератора с разрядным промежутком. Например, варьированием соотношения витков первичной и вторичной обмоток, можно изменять амплитуду выходного напряжения генератора. Изменением коэффициента связи обмоток (фактически, изменением индуктивности рассеяния) удается ограничивать максимальный ток через разрядную систему, не прибегая к помощи балластных резисторов и не теряя полезную мощность на них. Таким образом, обеспечивается высокий КПД разрядной системы.
Вышеописанного решения по патенту РФ JM°2647662 достаточно для увеличения энергоэффективности устройства генерации низкотемпературной плазмы. Однако с точки зрения прикладных задач современной промышленности, таких как функционализация, дезинфекция и стерилизация сложных поверхностей различной природы (биологические и небиологические), помимо эффективной генерации плазмы необходимо контролировать получаемую среду в зоне обработки с высокой точностью и управлять ей, что не обеспечивается в известном устройстве.
Технической задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности оперативного контроля и управления свойствами получаемой энергетической среды в зоне обработки при зажигании газовых разрядов с сохранением энергоэффективности генератора низкотемпературной плазмы.
Раскрытие изобретения
Указанная выше задача решается с помощью устройства и способа по изобретению.
Технический результат заключается в обеспечении возможности тонкой регулировки параметров среды в зоне воздействия плазмы, отсутствия локальных перегревов, формирования равномерного приповерхностного слоя при сохранении низкого энергопотребления устройства и его высокой эффективности.
Этот эффект достигается за счет включения нагрузки (разрядного промежутка) в состав колебательного контура, в котором происходит выделение энергии, а также за счет применения особого способа ввода энергии в разрядный объем и цифровой системы контроля создания импульсов. Благодаря этому формируется точный профиль и амплитуда разрядного тока и можно ограничивать выделение энергии. В устройстве по изобретению генерация периодических импульсов с переменной частотой повторения происходит в управляющем устройстве за счет широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с помощью специальных математических алгоритмов, заложенных в программном обеспечении. Принцип работы устройства заключается в том, что колебания формируют заранее с помощью программного обеспечения, и они поступают дальше уже в виде сигнала типа «меандр». При этом можно не использовать специальную систему прерывания коммутатором, как в известном устройстве по патенту N°2647662.
Устройство по изобретению содержит твердотельный импульсный генератор с датчиком тока, к которому подключена первичная обмотка импульсного трансформатора, разрядный колебательный контур, получающий энергию от указанного генератора, и управляющее компьютерное устройство Разрядный колебательный контур включает в себя вторичную обмотку указанного импульсного трансформатора, разделительный конденсатор, датчик тока и нагрузку, в которой генерируются импульсы затухающих колебаний.
Указанное управляющее компьютерное устройство по изобретению представляет собой программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС), микроконтроллер или микропроцессор. Микроконтроллер представляет собой единое устройство, объединяющее в себе микропроцессор (вычислительное ядро) и периферические устройства для сбора и обработки информации и выдачи управляющих сигналов, то есть в нем все опорные устройства, такие как постоянное запоминающее устройство, оперативная память, таймер, последовательный интерфейс, порты ввода/вывода, являются встроенными. Управляющее устройство также может быть выполнено в виде отдельных компонентов - микропроцессора и набора внешних периферических устройств. Также управляющее устройство может представлять собой программируемую логическую интегральную схему, содержащую матрицы логических вентилей, которые можно сконфигурировать под требуемые функции, в частности функции микроконтроллера. Управляющее компьютерное устройство по изобретению содержит машиночитаемые инструкции для регулирования ввода энергии в разрядный контур в виде коротких импульсов путем независимой и динамической регулировки частоты и скважности подачи силовых импульсов на нагрузку через контур ударного возбуждения генератора на основании данных, полученных по обратной связи от указанных датчиков тока, таким образом, чтобы постоянно поддерживать стабильные параметры плазмы. Формирование импульсов и регулирование передаваемой мощности осуществляется за счет ШИМ с помощью математических алгоритмов, заложенных в программном обеспечении. Управляющее компьютерное устройство по изобретению на основании данных, полученных по обратной связи от указанных датчиков тока, регулирует расход плазмообразующего газа таким образом, чтобы при появлении характерных импульсных токовых выбросов, предваряющих возникновение дуги, увеличивать поток газа для поддержания параметров разряда. При этом управляющее компьютерное устройство осуществляет дозирование и контроль энерговыделения в каждом отдельном импульсе путем корректировки длительности этого импульса.
Контур ударного возбуждения генератора включает в себя источник питания, силовой высоковольтный МОП транзистор, диод и операционный усилитель, а также может дополнительно содержать компаратор и подстроечный резистор для контроля и регулировки длительности импульса.
Датчик тока в генераторе может быть подключен с возможностью фиксировать перепады тока и, соответственно, вкладываемой в импульс энергии, которые меняются в зависимости от расстояния между анодом и катодом в разрядном промежутке.
При этом генератор может вводить энергию в разрядный контур в виде импульсов в широком диапазоне энергии (приблизительно от 5 до 40 мДж) и длительностью 50-55 мкс (короткие импульсы) и частотой повторения импульсов до 100000 Гц. Это осуществляется за счет использования высокоскоростных операционных усилителей, компараторов и драйвера створа МОП транзистора.
Устройство по изобретению также содержит дисплей, который выдает пользователю информацию обо всех необходимых параметрах.
В еще одном аспекте заявленное изобретение относится к способу генерации сильнонеравновесной низкотемпературной плазмы импульсных газовых разрядов при атмосферном и/или пониженном давлении. При этом регулируют ввод энергии в разрядный контур в виде коротких импульсов путем независимой и динамической регулировки частоты и скважности подачи силовых импульсов на нагрузку через контур ударного возбуждения на основании данных, полученных по обратной связи от датчиков тока контура ударного возбуждения датчиков тока разрядного контура, причем регулировку параметров импульсов осуществляют таким образом, чтобы постоянно поддерживать стабильные параметры плазмы.
Длительность импульса контролируют и регулируют с помощью компаратора и подстроечного резистора.
Длительность разрядных импульсов и максимальное значение тока разряда регулируют путем изменения емкости конденсатора разрядного контура.
Длительность разрядных импульсов и их структуру регулируют путем изменения индуктивности вторичной обмотки трансформатора.
Частоту и скважность импульсов регулируют на основе данных по обратной связи от датчиков тока, которые фиксируют перепады тока, меняющегося в зависимости от расстояния между анодом и катодом в разрядном промежутке. Энергию вводят в разрядный контур в виде импульсов величиной до 40 мДж и длительностью до 50-55 мкс и с частотой повторения импульсов до 100000 Гц.
Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением, при генерации импульсного разряда все процессы ввода энергии в разрядный объём и генерации осуществляют в период действия импульса, поэтому определяющими являются именно характеристики в одиночном импульсе, а средние параметры разряда и выходные характеристики определяются частотой его повторения.
В устройстве по изобретению предусмотрена автоматическая подстройка рабочей частоты устройства в резонанс, что позволяет существенно упростить процесс зажигания разряда и подбора оптимального режима обработки (в зависимости от выполняемого технического процесса), что также приводит к снижению потребляемой мощности.
Краткое описание чертежей Вышеуказанные и другие аспекты настоящего изобретения станут очевидны специалисту в данной области техники при ознакомлении с сопроводительными чертежами и нижеследующим подробным описанием представленных вариантов осуществления.
На Фиг. 1 представлена упрощенная электрическая схема ударного генератора по изобретению.
На Фиг. 2 представлена упрощенная электрическая схема разрядного колебательного контура ударного генератора по изобретению.
На Фиг. 3 приведена осциллограмма тока накачки с датчика тока для ударного генератора по изобретению. На Фиг. 4 приведена эквивалентная схема колебательного контура до пробоя. На Фиг. 5 приведена эквивалентная схема колебательного контура после пробоя.
На Фиг. 6 показана осциллограмма с трансформатора тока, показывающая форму тока в разрядном промежутке после пробоя.
Варианты осуществления изобретения
Варианты осуществления изобретения описаны со ссылкой на сопроводительные чертежи. Тем не менее, следует понимать, что описанные варианты осуществления данного изобретения приведены исключительно в качестве примеров, которые могут быть осуществлены в различных формах. Фигуры необязательно приведены в масштабе, и некоторые признаки могут быть увеличены или уменьшены с целью изображения деталей конкретных элементов. Конкретные конструкционные и функциональные особенности, изложенные в настоящем описании изобретения, не могут быть истолкованы как ограничивающие, и приведены лишь в качестве наглядного примера для ознакомления специалистов в данной области техники с вариантами применения раскрытой сущности изобретения.
На Фиг. 1 схематически показана электрическая схема ударного генератора по изобретению. Г енерация первичных импульсов и динамическая подстройка их частоты и скважности происходят в управляющем компьютерном устройстве (1) (например, микроконтроллере) с помощью содержащихся в нем машиночитаемых инструкций. Управляющее компьютерное устройство (1) с помощью встроенного АЦП оцифровывает сигналы с датчика тока (5) и трансформатора тока (9), усиленные операционными усилителями (2) и (3) соответственно; по форме тока определяет состояние разрядного промежутка (8): горит ли в нем объемный разряд, или разряд отсутствует, или же разряд стянулся в дуговой. Осциллограмма тока с датчика (5) при объемном импульсном разряде приведена на Фиг. 3, с трансформатора тока (9) — на Фиг. 6. При обнаружении дугового разряда управляющее устройство уменьшает длительность импульса и частоту, при отсутствии разряда — соответственно, увеличивает. С выхода управляющего устройства импульсы передаются на ключевой МОП-транзистор (4) через высокоскоростной драйвер затвора (на схеме не показан). Открываясь, ключевой транзистор (4) подает ток на первичную обмотку высоковольтного трансформатора (6).
Импульсы, выдаваемые ударным генератором на трансформатор (6), приходят на схему, которая представляет собой последовательный колебательный разрядный контур (см. Фиг. 2), состоящий из импульсного трансформатора L, разделительного конденсатора С и нагрузки R.
При прохождении импульса тока через первичную обмотку энергия запасается в магнитном поле трансформатора. Энергия, высвободившаяся при прерывании импульса, создает во вторичной обмотке L2 ЭДС, которая на короткое время достигает значений, превышающих электропрочность воздуха. Этого времени хватает для формирования разряда.
Длительность разрядных импульсов и их структура определяется параметрами колебательного контура, образованного индуктивностью вторичной обмотки трансформатора L2, разделительным конденсатором С и конструкцией разрядного промежутка. Меняя любой из этих параметров, можно добиться изменения характеристик разряда.
При изменении емкости конденсатора С меняется длительность и максимальное значение тока разряда. Подбирается такое значение емкости С, чтобы энергии, вводимой в единичный импульс, было недостаточно для контракции разряда и его перехода в дуговую форму. Результатом применения такой схемы ввода энергии в разрядный объем является зажигание между двумя электродами объемного импульсного разряда в качестве нагрузки (см, например, работы 1. Н.А. Шарапов, А.В. Хинкис, С. И. Гаджихалилова и др. Структура импульсного разряда с переменной частотой повторения. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Термоядерный синтез, 2017, т. 40, вып. 2, с. 61-64; и 2. Гаджихалилова С. И., Шарапов Н.А., Хинкле А.В. Исследование частотного импульсного разряда. Материалы II Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы создания и применения космических аппаратов и робототехнических средств в интересах Вооруженных сил Российской Федерации». СПб.: ВКА имени А.Ф. Можайского, 2018. - Т. 2. - 64 с.). В данных работах в прототипе плазмохимического реактора (ПХР) использовали разрядную камеру с линейной (аксиальной) геометрией, разряд в которой по внешнему виду напоминает колокол. В ходе работы использовались специализированный экспериментальный стенд и модернизированная разрядная камера с радиальной геометрией. Сама рабочая камера является элементом колебательного контура, в котором и происходит выделение энергии. Такое включение реактора обладает рядом преимуществ, а именно: формирование профиля и амплитуды разрядного тока, временное ограничение энерговыделения. Энергию вводили в контур в виде коротких импульсов величиной 5 — 40 мДж и длительностью 50 — 55 мкс, и при этом в контуре возбуждались высокочастотные колебания (1 — 10 МГц) и происходил пробой межэлектродного промежутка. Разряд представляет собой проводящий канал, образованный между двумя электродами. В отдельно взятый момент времени существует только один канал. С каждым новым импульсом канал образуется в новом месте. Временные характеристики возбуждения разряда подобраны таким образом, чтобы новый импульс подавался только после полного распада предыдущего. Такой режим и определяет форму существования разряда.
С помощью ударного генератора в устройстве по изобретению был получен стабильный объемный разряд, который не стягивался в дуговой с течением времени, то есть постоянно поддерживать стабильные параметры плазмы, что контролировали с помощью высокоскоростной съемки.
В ходе проведенных испытаний устройства по изобретению было получено равномерное распределение разряда на поверхности, что подтверждается отсутствием повреждений из-за локальных перегревов, возникающих при контракции разряда. Испытания проводили на поверхностях с разной структурой и свойствами: на пластиковой подложке размерами 40* 65мм, которая подверглась воздействию плазмы с целью активации поверхности. На куске мяса, разрезанном на две равные части, объемом примерно 20 см3. Первый обрабатывали плазмой один раз в сутки в течение 20 с, а второй был контрольным образцом. Образцы хранили в полиэтиленовых пакетах при температуре 27°С, оптимальной для размножения бактерий. Контрольный образец изменил свой цвет на вторые сутки, в то время как обработанный не потерял розовой окраски на 5 день хранения. Это показывает, что микроорганизмы на обработанном образце были в значительной степени удалены, а продукт продезинфицирован, что позволяет значительно увеличить срок его хранения.
Также было проведено исследование влияния плазмы на инактивацию микроорганизмов. Образцы были взяты с кожи здорового человека и выращены в питательной среде до концентрации 109 мл 1. Инактивацию проводили в воздушной среде при атмосферном давлении и температуре 24°С. Полная инактивация микроорганизмов была достигнута после 20 секунд обработки.
В начальный момент времени происходит подача тока (накачка) на первичную обмотку трансформатора (см. Фиг. 3), в которой запасается энергия.
При прекращении подачи тока энергия, запасенная в трансформаторе L, передается вторичному контуру. Сам вторичный контур представляет собой RCL колебательную систему (см. Фиг. 4).
При этом Lq- собственная индуктивность подводящих проводов. C3 = 1 - 10_12Ф, где Ф - распределенная емкость на землю.
Ск- емкость межэлектродного промежутка.
Эквивалентная схема колебательного контура после пробоя представлена на Фиг. 5.
Осциллограмма, показывающая форму тока в разрядном промежутке после пробоя, показана на Фиг. 6.
Подобная организация разрядного процесса демонстрирует преимущество предложенного решения. Модуль позволяет вводить энергию в контур в виде коротких импульсов величиной 5 — 40 мДж (гибкое управление вкладываемой энергией) и длительностью 50 — 55 мкс. Предложенный способ делает возможным изменение временных параметров разряда (длительность энерговыделения в импульсе) и варьирование средними характеристиками за счет частоты повторения импульсов (100000 Гц) и расхода плазмообразующего газа (в случае расходной системы). При этом в контуре возбуждаются высокочастотные колебания (20 — 40 МГц) и происходит пробой межэлектродного промежутка.
Энергия, вкладываемая в разряд, пропорциональна энергии, вводимой в контур, часть из которой неизбежно теряется. Ввод энергии в контур дозируется и контролируется в каждом импульсе.
Использованные в работе значения были получены для достижения необходимых характеристик разряда в рамках эксперимента и могут быть изменены при корректировке ПО и замене номиналов элементов в электрической схеме. Но принцип работы схемы от этого не поменяется. По аналогии и значение рабочей частоты не является определяющим фактором в реализации решения.
Универсальный модуль для генерации сильнонеравновесной низкотемпературной плазмы импульсных газовых разрядов при атмосферном и пониженном давлении, состоящий из «ударного» генератора и управляющего устройства, может быть использован в различных сферах промышленности, благодаря тонкой настройке выходных параметров плазмы и, как следствие, содержания в ней активных элементов.
Формирование периодических импульсов с переменной частотой повторения происходит в управляющем устройстве за счет ШИМ с помощью специальных программных алгоритмов. Далее полученный сигнал передаётся на ударный генератор. С помощью подключенного к управляющему устройству энкодера осуществляется независимая регулировка частоты и скважности подачи силовых импульсов на разрядную камеру. Ударный генератор управляет подачей питания на разрядный контур.
Работа последовательного колебательного разрядного контура, состоящего из импульсного трансформатора, разделительного конденсатора и нагрузки, осуществляется силовым высоковольтным МОП транзистором через драйвер. Длительность импульса контролируется компаратором и регулируется подстроечным резистором. Система защиты по напряжению представлена диодом, а система защиты по току представлена операционным усилителем и регулируется через управляющее компьютерное устройство.
Предусмотренный в схеме датчик тока позволяет фиксировать перепады тока и вкладываемой энергии и изменять режим работы в зависимости от расстояния между анодом и катодом разрядного промежутка. Настройка в резонанс двух контуров, имеющих индуктивную связь, позволяет существенно упростить процесс зажигания разряда и подбора оптимального режима обработки (в зависимости от выполняемого тех. процесса), это также приводит к снижению потребляемой мощности. Технический результат изобретения достигается за счет особого способа ввода энергии в разрядный объём. Все процессы ввода энергии и генерации происходят в период действия импульса, поэтому определяющими будут именно характеристики в одиночном импульсе, а средние параметры разряда и выходные характеристики определяются частотой его повторения.
Раскрытые выше конкретные примеры осуществления приведены для целей иллюстрирования и описания. Их не следует толковать как исчерпывающие или ограничивающие изобретение именно раскрытыми формами. При этом следует понимать, что возможны разнообразные модификации и изменения, следующие из раскрытой в настоящем описании идеи изобретения. Объем защиты определен пунктами прилагаемой формулы изобретения и их эквивалентами.

Claims

Формула изобретения
1. Устройство для генерации сильнонеравновесной низкотемпературной плазмы импульсных газовых разрядов при атмосферном и/или пониженном давлении, содержащее: твердотельный импульсный генератор с датчиком тока, к которому подключена первичная обмотка импульсного трансформатора; и разрядный колебательный контур, получающий энергию от указанного генератора и включающий в себя вторичную обмотку указанного импульсного трансформатора, разделительный конденсатор, датчик тока и нагрузку, в которой генерируются импульсы затухающих колебаний; управляющее компьютерное устройство, содержащее машиночитаемые инструкции для регулирования ввода энергии в разрядный контур в виде коротких импульсов путем независимой и динамической регулировки частоты и скважности подачи силовых импульсов на нагрузку через контур ударного возбуждения указанного генератора на основании данных, полученных по обратной связи от указанных датчиков тока, таким образом, чтобы постоянно поддерживать стабильные параметры плазмы.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что управляющее устройство представляет собой программируемую логическую интегральную схему, микроконтроллер или микропроцессор.
3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что управляющее компьютерное устройство содержит машиночитаемые инструкции для регулирования расхода плазмообразующего газа на основании данных, полученных по обратной связи от указанных датчиков тока, таким образом, чтобы при появлении характерных импульсных токовых выбросов, предваряющих возникновение дуги, увеличивать поток газа для поддержания параметров разряда.
4. Устройство по любому из п.п. 1 -3, отличающееся тем, что управляющее компьютерное устройство содержит машиночитаемые инструкции для дозирования и контроля энерговыделения в каждом отдельном импульсе путем корректировки его длительности.
5. Устройство по любому из п.п. 1 - 4, отличающееся тем, что контур ударного возбуждения генератора включает в себя источник питания, силовой высоковольтный МОП транзистор, диод, операционный усилитель.
6. Устройство по любому из п.п. 1 - 5, отличающееся тем, что контур ударного возбуждения генератора дополнительно содержит компаратор и подстроечный резистор для контроля и регулировки длительности импульса.
7. Устройство по любому из п.п. 1 - 6, отличающееся тем, что датчик тока подключен с возможностью фиксировать перепады тока и, соответственно, вкладываемой в импульс энергии, которые меняются в зависимости от расстояния между анодом и катодом в разрядном промежутке.
8. Устройство по любому из п.п. 1 - 7, отличающееся тем, что генератор выполнен с возможностью вводить энергию в разрядный контур в виде коротких импульсов длительностью около 50-55 мкс.
9. Устройство по любому из п.п. 1 - 8, отличающееся тем, что генератор выполнен с возможностью вводить энергию в разрядный контур с частотой повторения импульсов до 100000 Гц.
10. Способ генерации сильнонеравновесной низкотемпературной плазмы импульсных газовых разрядов при атмосферном и/или пониженном давлении с помощью устройства по п. 1, в котором регулируют ввод энергии в разрядный контур в виде коротких импульсов путем независимой и динамической регулировки частоты и скважности подачи силовых импульсов на нагрузку через контур ударного возбуждения на основании данных, полученных по обратной связи от датчиков тока контура ударного возбуждения датчиков тока разрядного контура, причем регулировку параметров импульсов осуществляют таким образом, чтобы постоянно поддерживать стабильные параметры плазмы.
11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что длительность импульса контролируют и регулируют с помощью компаратора и подстроечного резистора.
12. Способ по п. 10, отличающийся тем, что длительность разрядных импульсов и максимальное значение тока разряда регулируют путем изменения емкости конденсатора разрядного контура.
13. Способ по и. 10, отличающийся тем, длительность разрядных импульсов и их структуру регулируют путем изменения индуктивности вторичной обмотки трансформатора.
14. Способ по любому из п.п. 8 - 13, отличающийся тем, что частоту и скважность импульсов регулируют на основе данных по обратной связи от датчиков тока, которые фиксируют перепады тока, меняющегося в зависимости от расстояния между анодом и катодом в разрядном промежутке,
15. Способ по и. 14, в котором при получении сигнала от датчиков тока о том, что в разрядном промежутке появились характерные импульсных токовые выбросы, предваряющие возникновение дуги, увеличивают поток газа для поддержания параметров разряда.
16. Способ по любому из п.п. 8 - 15, отличающийся тем, что энергию вводят в разрядный контур в виде импульсов величиной до 40 мДж и длительностью до
50-55 мкс.
17. Способ по любому из п.п. 8 - 16, отличающийся тем, что энергию в разрядный контур вводят с частотой повторения импульсов до 100000 Гц.
PCT/RU2020/050394 2019-12-27 2020-12-25 Устройство и способ генерации низкотемпературной плазмы WO2021133232A1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019144472A RU2758279C2 (ru) 2019-12-27 2019-12-27 Устройство и способ генерации низкотемпературной плазмы
RU2019144472 2019-12-27

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021133232A1 true WO2021133232A1 (ru) 2021-07-01

Family

ID=76574658

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2020/050394 WO2021133232A1 (ru) 2019-12-27 2020-12-25 Устройство и способ генерации низкотемпературной плазмы

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2758279C2 (ru)
WO (1) WO2021133232A1 (ru)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100021340A1 (en) * 2005-12-20 2010-01-28 Plasmatreat Gmbh Method and device for the disinfection of objects
JP2016185082A (ja) * 2015-03-27 2016-10-27 大亜真空株式会社 プラズマ殺菌駆除装置
RU2638569C1 (ru) * 2016-08-02 2017-12-14 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физического материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук Способ стерилизации газоразрядной плазмой атмосферного давления и устройство для его осуществления
RU2647662C1 (ru) * 2017-04-28 2018-03-16 Общество с ограниченной ответственностью "ПлазЭйр" Генератор импульсов затухающих колебаний ограниченной длительности

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016018508A (ja) * 2014-07-10 2016-02-01 キヤノン株式会社 画像形成装置及びその制御方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100021340A1 (en) * 2005-12-20 2010-01-28 Plasmatreat Gmbh Method and device for the disinfection of objects
JP2016185082A (ja) * 2015-03-27 2016-10-27 大亜真空株式会社 プラズマ殺菌駆除装置
RU2638569C1 (ru) * 2016-08-02 2017-12-14 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физического материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук Способ стерилизации газоразрядной плазмой атмосферного давления и устройство для его осуществления
RU2647662C1 (ru) * 2017-04-28 2018-03-16 Общество с ограниченной ответственностью "ПлазЭйр" Генератор импульсов затухающих колебаний ограниченной длительности

Also Published As

Publication number Publication date
RU2019144472A3 (ru) 2021-06-28
RU2758279C2 (ru) 2021-10-28
RU2019144472A (ru) 2021-06-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2756516B1 (en) Cold plasma treatment devices and associated methods
WO2005029527A2 (en) Pulsed excitation of inductively coupled plasma sources
US20090297409A1 (en) Discharge plasma reactor
Pemen et al. Power modulator for high-yield production of plasma-activated water
US20160046489A1 (en) Ozone generator
Dong et al. Solid-state nanosecond-pulse plasma jet apparatus based on Marx structure with crowbar switches
KR101662160B1 (ko) 플라즈마를 이용한 피부 치료 장치
RU2758279C2 (ru) Устройство и способ генерации низкотемпературной плазмы
Bousba et al. On the stability and turbulences of atmospheric-pressure plasma jet extracted from the exit of a long flexible PVC tube
US20180014398A1 (en) Quasi-Resonant Plasma Voltage Generator
Moshkunov et al. A compact source of flash-corona discharge for biomedical applications
RU2677323C1 (ru) Плазменный активатор воздуха
Schitz et al. Nonthermal plasma jet for biomedical applications
Nikoo et al. A compact MW-class short pulse generator
KR20170098740A (ko) 펄스 마이크로파를 이용한 저온 플라즈마 발생 장치 및 방법
RU2638797C1 (ru) Газоразрядное устройство для обработки термочувствительных поверхностей
US20080315689A1 (en) Ultra short high voltage pulse generator based on single or double spark gap
KR20170048099A (ko) 펄스 마이크로파를 이용한 저온 플라즈마 발생 장치 및 방법
Gugin et al. Semiconductor power supply for capacitance copper bromide active filters
Krupski et al. GLIDARC reactor power supply with ignition improvement
Martínez-Montejano et al. Construction of a power electronic source for cold plasma generation
Canacsinh et al. Solid-state bipolar Marx generator with voltage droop compensation
RU2549171C1 (ru) Способ стабилизации параметров высоковольтных импульсов
RU2729778C1 (ru) Способ регулирования выходной мощности в резонансных высокочастотных генераторах источников плазмы
Subramani et al. Diode clamped gate driver-based high voltage pulse generator for electroporation

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 20907809

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

32PN Ep: public notification in the ep bulletin as address of the adressee cannot be established

Free format text: NOTING OF LOSS OF RIGHTS PURSUANT TO RULE 112(1) EPC (EPO FORM 1205A DATED 18.08.2022)

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 20907809

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1