Descarga de barrera dieléctrica
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La descarga de barrera dieléctrica ( DBD ) es la descarga eléctrica entre dos electrodos separados por una barrera dieléctrica aislante . Originalmente llamada descarga silenciosa (inaudible) y también conocida como descarga de producción de ozono [1] o descarga parcial , [2] fue reportada por primera vez por Ernst Werner von Siemens en 1857. [3]A la derecha, el diagrama esquemático muestra una construcción típica de un DBD en el que uno de los dos electrodos está cubierto con un material de barrera dieléctrica. Las líneas entre el dieléctrico y el electrodo son representativas de los filamentos de descarga, que normalmente son visibles a simple vista. Debajo de esto, la fotografía muestra una descarga atmosférica de DBD que ocurre entre dos placas de electrodo de acero, cada una cubierta con una hoja dieléctrica ( mica ). Los filamentos son columnas de plasma conductor y el pie de cada filamento es representativo de la carga acumulada en la superficie.

Construcción típica de un dispositivo DBD
Descarga de barrera dieléctrica producida utilizando láminas de mica como dieléctrico, colocadas sobre dos placas de acero como electrodo. La descarga tiene lugar en aire atmosférico normal, a unos 30 kHz, con un espacio de descarga de unos 4 mm. El "pie" de la descarga es la acumulación de carga en la superficie de la barrera.

Proceso

El proceso normalmente utiliza corriente alterna de alto voltaje , que va desde frecuencias de RF más bajas hasta frecuencias de microondas . [4] Sin embargo, se desarrollaron otros métodos para extender el rango de frecuencia hasta la CC. Un método consistía en utilizar una capa de alta resistividad para cubrir uno de los electrodos. Esto se conoce como descarga de barrera resistiva. [5] Otra técnica que utiliza una capa semiconductora de arseniuro de galio ( GaAs ) para reemplazar la capa dieléctrica, permite que estos dispositivos sean impulsados ​​por un voltaje de CC entre 580 V y 740 V. [6]

Construcción

Los dispositivos DBD se pueden fabricar en muchas configuraciones, típicamente planas, utilizando placas paralelas separadas por un dieléctrico o cilíndrico, utilizando placas coaxiales con un tubo dieléctrico entre ellas. [7] En una configuración coaxial común, el dieléctrico tiene la misma forma que los tubos fluorescentes comunes . Se llena a presión atmosférica con un gas raro o un gas raro- haluromezclar, con las paredes de vidrio actuando como barrera dieléctrica. Debido al nivel de presión atmosférica, estos procesos requieren altos niveles de energía para mantenerse. Los materiales dieléctricos comunes incluyen vidrio, cuarzo, cerámica y polímeros. La distancia entre electrodos varía considerablemente, desde menos de 0,1 mm en las pantallas de plasma, varios milímetros en los generadores de ozono y hasta varios centímetros en los láseres de CO 2 .

Dependiendo de la geometría, DBD se puede generar en un volumen (VDBD) o en una superficie (SDBD). Para VDBD, el plasma se genera entre dos electrodos, por ejemplo, entre dos placas paralelas con un dieléctrico en el medio. [8] En SDBD, las microdescargas se generan en la superficie de un dieléctrico, lo que da como resultado un plasma más homogéneo que el que se puede lograr con la configuración VDBD. [9] En SDBD, las microdescargas se limitan a la superficie, por lo que su densidad es mayor en comparación. al VDBD. [10] El plasma se genera sobre la superficie de una placa SDBD. Para encender fácilmente VDBD y obtener una descarga uniformemente distribuida en el espacio, se puede utilizar un DBD de preionización. [11]

Se puede construir un generador de plasma DBD particularmente compacto y económico basado en los principios de la descarga directa piezoeléctrica . En esta técnica, el alto voltaje se genera con un piezo-transformador, cuyo circuito secundario actúa también como electrodo de alto voltaje. Dado que el material del transformador es un dieléctrico, la descarga eléctrica producida se asemeja a las propiedades de la descarga de barrera dieléctrica. [12] [13]

Operación

Una multitud de arcos aleatorios se forman en el espacio de funcionamiento superior a 1,5 mm entre los dos electrodos durante las descargas en gases a la presión atmosférica. [14] A medida que las cargas se acumulan en la superficie del dieléctrico, se descargan en microsegundos (millonésimas de segundo), lo que lleva a su reforma en otras partes de la superficie. De forma similar a otros métodos de descarga eléctrica, el plasma contenido se mantiene si la fuente de energía continua proporciona el grado de ionización requerido , superando el proceso de recombinación que conduce a la extinción del plasma de descarga. Tales recombinaciones son directamente proporcionales a las colisiones entre las moléculas y, a su vez, a la presión del gas, como lo explica la Ley de Paschen.. El proceso de descarga provoca la emisión de un fotón energético , cuya frecuencia y energía corresponde al tipo de gas utilizado para llenar el hueco de descarga.

Aplicaciones

Uso de radiación generada

Los DBD se pueden utilizar para generar radiación óptica mediante la relajación de especies excitadas en el plasma. La principal aplicación aquí es la generación de radiación UV. Tales lámparas ultravioleta excimer pueden producir luz con longitudes de onda cortas que se pueden usar para producir ozono a escalas industriales. El ozono todavía se usa ampliamente en el tratamiento industrial del aire y el agua. [7] Los intentos de principios del siglo XX en la producción comercial de ácido nítrico y amoníaco utilizaron DBD [15] ya que varios compuestos de nitrógeno y oxígeno se generan como productos de descarga. [3]

Uso del plasma generado

Desde el siglo XIX, los DBD eran conocidos por su descomposición de diferentes compuestos gaseosos, como NH 3 , H 2 S y CO 2 . Otras aplicaciones modernas incluyen la fabricación de semiconductores, procesos germicidas, tratamiento de superficies de polímeros, láseres de CO 2 de alta potencia que se utilizan normalmente para soldar y cortar metales, paneles de control de la contaminación y pantallas de plasma , control de flujo aerodinámico ... La temperatura relativamente más baja de los DBD lo convierte en un método atractivo de generar plasma a presión atmosférica.

Industria

El plasma en sí se utiliza para modificar o limpiar ( limpieza con plasma ) superficies de materiales (por ejemplo , polímeros , superficies semiconductoras ), que también pueden actuar como barrera dieléctrica, o para modificar gases [16] aplicados además a la limpieza con plasma "suave" y aumentando la adhesión de superficies preparadas para revestir o pegar ( tecnologías de visualización de panel plano ).

Una descarga de barrera dieléctrica es un método de tratamiento con plasma de textiles a presión atmosférica y temperatura ambiente. El tratamiento se puede utilizar para modificar las propiedades superficiales del textil para mejorar la humectabilidad , mejorar la absorción de tintes y la adhesión , y para la esterilización . El plasma DBD proporciona un tratamiento en seco que no genera aguas residuales ni requiere el secado de la tela después del tratamiento. Para el tratamiento textil, un sistema DBD requiere unos pocos kilovoltios de corriente alterna, entre 1 y 100 kilohercios. Se aplica voltaje a electrodos aislados con un espacio de un milímetro a través del cual pasa el tejido. [17]

Una lámpara de excímero se puede utilizar como una potente fuente de luz ultravioleta de longitud de onda corta, útil en procesos químicos como la limpieza de superficies de obleas semiconductoras. [18] La lámpara se basa en una descarga de barrera dieléctrica en una atmósfera de xenón y otros gases para producir los excímeros.

Tratamiento de aguas

Un proceso adicional cuando se usa cloro gaseoso para eliminar bacterias y contaminantes orgánicos en los suministros de agua potable. [19] El tratamiento de baños públicos, acuarios y estanques de peces implica el uso de radiación ultravioleta producida cuando se usa una mezcla dieléctrica de gas xenón y vidrio. [20] [21]

Modificación superficial de materiales

Una aplicación en la que los DBD se pueden utilizar con éxito es la modificación de las características de la superficie de un material. La modificación puede apuntar a un cambio en su hidrofilicidad, la activación de la superficie, la introducción de grupos funcionales, etc. Las superficies poliméricas son fáciles de procesar utilizando DBD que, en algunos casos, ofrecen un área de procesamiento alta. [22] [23]

Medicamento

Las descargas de barrera dieléctrica se utilizaron para generar plasmas difusos de volumen relativamente grande a presión atmosférica y se aplicaron para inactivar bacterias a mediados de la década de 1990. [24] Esto finalmente condujo al desarrollo de un nuevo campo de aplicaciones, las aplicaciones biomédicas de los plasmas. En el campo de la aplicación biomédica, han surgido tres enfoques principales: terapia directa, modificación de la superficie y deposición de polímero en plasma. Los polímeros plasmáticos pueden controlar y dirigir interacciones biológico-biomaterial (es decir, adhesión, proliferación y diferenciación) o inhibición de la adhesión de bacterias. [25]

Aeronáutica

Ver también: Acelerador de fluido electrostático

El interés en los actuadores de plasma como dispositivos de control de flujo activo está creciendo rápidamente debido a su falta de partes mecánicas, peso ligero y alta frecuencia de respuesta. [26]

Propiedades

Por su naturaleza, estos dispositivos tienen las siguientes propiedades:

  • carga eléctrica capacitiva: factor de potencia bajo en el rango de 0,1 a 0,3
  • alto voltaje de encendido 1–10 kV
  • Gran cantidad de energía almacenada en el campo eléctrico: requisito de recuperación de energía si el DBD no se acciona continuamente.
  • Los voltajes y corrientes durante el evento de descarga tienen una gran influencia en el comportamiento de descarga (filamentoso, homogéneo).

El funcionamiento con ondas sinusoidales continuas u ondas cuadradas se utiliza principalmente en instalaciones industriales de alta potencia. La operación pulsada de DBD puede conducir a mayores eficiencias de descarga.

Circuitos de conducción

Los impulsores para este tipo de carga eléctrica son generadores de potencia HF que en muchos casos contienen un transformador para la generación de alta tensión. Se parecen a los equipos de control utilizados para operar lámparas fluorescentes compactas o lámparas fluorescentes de cátodo frío . El modo de operación y las topologías de los circuitos para operar lámparas [DBD] con ondas continuas sinusoidales o cuadradas son similares a los controladores estándar. En estos casos, la energía que se almacena en la capacitancia del DBD no tiene que recuperarse al suministro intermedio después de cada encendido. En cambio, permanece dentro del circuito (oscila entre la capacitancia del [DBD] y al menos un componente inductivo del circuito) y solo la potencia real, que es consumida por la lámpara, debe ser proporcionada por la fuente de alimentación. De manera diferente, los controladores para operación por pulsos sufren de un factor de potencia bastante bajo y en muchos casos deben recuperar completamente la energía del DBD. Dado que el funcionamiento pulsado de las lámparas [DBD] puede conducir a una mayor eficiencia de la lámpara, la investigación internacional condujo a conceptos de circuitos adecuados. Las topologías básicas son flyback resonante [27] y medio puente resonante . [28] Un circuito flexible, que combina las dos topologías, se proporciona en dos solicitudes de patente, [29] [30] y se puede utilizar para controlar DBD de forma adaptativa con capacitancia variable.

En "Comportamiento resonante de generadores de impulsos para la activación eficiente de fuentes de radiación óptica basadas en descargas de barrera dieléctrica" ​​se ofrece una descripción general de los diferentes conceptos de circuitos para el funcionamiento por pulsos de fuentes de radiación óptica DBD. [31]

Referencias

  1. ^ Matsuno, Hiromitsu, Nobuyuki Hishinuma, Kenichi Hirose, Kunio Kasagi, Fumitoshi Takemoto, Yoshinori Aiura y TatsushiIgarashi. Lámpara de descarga de barrera dieléctrica, patente de los Estados Unidos 5757132 (sitio web comercial). Freepatentsonline.com. Publicado por primera vez el 26 de mayo de 1998. Consultado el 5 de agosto de 2007.
  2. ^ Dhali, SK; Sardja, I. (1989). "Descarga de barrera dieléctrica para la eliminación de SO / Sub 2 / De los gases de combustión". Conferencia internacional IEEE sobre ciencia del plasma . pag. 150. doi : 10.1109 / PLASMA.1989.166255 . S2CID  116292525 .
  3. ↑ a b Kogelschatz, Ulrich, Baldur Eliasson y Walter Egli. De los generadores de ozono a las pantallas planas de televisión: historia y potencial futuro de las descargas de barrera dieléctrica . Química pura aplicada, vol. 71, No. 10, págs. 1819-1828, 1999. Recuperado el 2007-08-05.
  4. ^ "Distribuciones de carga de aerosol en descargas de barrera dieléctrica" (PDF) . Fecha de publicación 2009 . Conferencia europea de aerosoles 2009 Karlsruhe. Archivado desde el original (PDF) el 19 de julio de 2011 . Consultado el 10 de diciembre de 2010 .
  5. ^ M. Laroussi, I. Alexeff, JP Richardson y FF Dyer "La descarga de barrera resistiva", IEEE Trans. Plasma Sci. 30, 158 (2002)
  6. ^ "Formación de estructura en un análisis de estabilidad de descarga de" barrera "impulsada por CC y soluciones numéricas" (PDF) . Fecha de publicación del 15 al 20 de julio de 2007 . ICPIG Praga, República Checa . Consultado el 9 de diciembre de 2010 .
  7. ↑ a b Kraus, Martin, Baldur Eliasson, Ulrich Kogelschatzb y Alexander Wokauna. Reformado de metano con CO 2 mediante la combinación de descargas de barrera dieléctrica y catálisis Physical Chemistry Chemical Physics, 2001, 3, 294-300. Consultado el 5 de agosto de 2007.
  8. ^ Motrescu, I .; Ciolan, MA; Sugiyama, K .; Kawamura, N. y Nagatsu, M. (2018). "Uso de electrodos de preionización para producir descargas de barrera dieléctrica filamentosa densamente distribuidas de gran volumen para el procesamiento de superficies de materiales". Ciencia y tecnología de fuentes de plasma . 27 (11): 115005. Código Bibliográfico : 2018PSST ... 27k5005M . doi : 10.1088 / 1361-6595 / aae8fd .
  9. ^ Gibalov, VI y Pietsch, GJ (2000). "El desarrollo de descargas de barrera dieléctrica en brechas de gas y en superficies". Revista de Física D: Física Aplicada . 33 (20): 2618–2636. Código Bibliográfico : 2000JPhD ... 33.2618G . doi : 10.1088 / 0022-3727 / 33/20/315 .
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