Plasma piezoeléctrico de descarga directa
Piezoeléctrico descarga directa ( PDD ) de plasma es un tipo de no-equilibrio frío plasma , generado por una descarga de gas directa de un transformador piezoeléctrico de alta tensión. Puede encenderse en el aire u otros gases en una amplia gama de presiones, incluida la atmosférica. Debido a la compacidad y la eficiencia del transformador piezoeléctrico, este método de generación de plasma es particularmente compacto, eficiente y económico. Permite un amplio espectro de aplicaciones industriales, médicas y de consumo.
Fondo
Los plasmas fríos a presión atmosférica que no están en equilibrio pueden producirse mediante descargas de alto voltaje en las atmósferas de varios gases de trabajo. Los siguientes 3 tipos de descargas eléctricas encontraron la mayoría de aplicaciones en procesos industriales:
- Las descargas de arco eléctrico son descargas de CC autosostenidas que se caracterizan por altas corrientes eléctricas, que se extraen del cátodo mediante una intensa emisión termoiónica y de campo. Debido a las intensas corrientes, el volumen del arco alcanza el equilibrio térmico con temperaturas de 6.000 - 12.000 C. Mientras que la descarga del arco se puede sostener en el modo DC, una operación pulsada es más estable frente a las imperfecciones de una superficie del cátodo que se erosiona rápidamente.
- Las descargas de corona se producen en las regiones de campos eléctricos elevados con gradientes de campo elevados, presentes cerca de los bordes afilados de los electrodos de alto voltaje. Para evitar chispas, dichos electrodos deben estar lejos de las conexiones a tierra. Si bien las descargas en corona requieren voltajes bastante altos, las corrientes eléctricas emitidas son bajas, lo que da como resultado una potencia de descarga baja. Aunque la operación de CC es estándar para la descarga de corona, la operación de CA aumenta su potencia.
- La descarga de la barrera dieléctrica ocurre entre dos electrodos separados por un dieléctrico cuando los electrodos están polarizados por una onda sinusoidal o un alto voltaje pulsado. La corriente de descarga proviene de la superficie del dieléctrico. La potencia de la descarga de la barrera dieléctrica es significativamente mayor que la de la descarga de corona, pero menor en comparación con la descarga de arco.
Todos estos tipos de descargas eléctricas requieren electrónica de alto voltaje y cableado de alto voltaje. Son voluminosos, costosos y, en el caso de la alimentación de CA, pueden ser muy ineficientes debido a las pérdidas dieléctricas. Además, las aplicaciones industriales a menudo requieren una alta potencia del orden de 1 kW. Esto impone estrictos requisitos de seguridad en los gabinetes de alto voltaje con electrodos abiertos. Una construcción basada en múltiples módulos de alto voltaje de baja potencia podría mejorar los aspectos de seguridad. Asimismo, la incorporación del generador de alto voltaje y el electrodo de descarga en un solo módulo debería reducir las pérdidas dieléctricas en los cables. Sin embargo, hasta ahora no se encontró una solución rentable para el sistema basada en módulos de bajo consumo.
Principios de PDD
La descarga directa piezoeléctrica utiliza un transformador piezoeléctrico como generador de alto voltaje CA. El lado de alto voltaje de este transformador actúa como un electrodo que genera descargas eléctricas en el aire u otros gases de trabajo que producen plasmas de presión atmosférica. [1] [2] El transformador piezoeléctrico es muy compacto y solo requiere una fuente de CA de baja tensión y baja potencia. Esto permite que todo el generador de plasma sea excepcionalmente compacto y económico, lo que permite la construcción de generadores de plasma portátiles o matrices rentables de generadores de plasma.
Los transformadores piezoeléctricos del tipo Rosen, que pueden estar hechos de titanato de circonato de plomo , convierten la energía eléctrica en forma de CA de baja tensión en oscilaciones mecánicas. [3] [4]En consecuencia, estas oscilaciones mecánicas producen CA de alto voltaje en el otro extremo del transformador. La amplitud más alta se logra en resonancias mecánicas, que ocurren en las frecuencias típicamente entre 10 kHz y 500 kHz. Las dimensiones del cristal piezoeléctrico definen la frecuencia de resonancia, mientras que su entorno dieléctrico puede provocar pequeños cambios de resonancia. La electrónica de bajo voltaje ajusta continuamente la frecuencia para mantener el transformador funcionando dentro de la resonancia. En la resonancia, estos transformadores ofrecen factores de conversión de voltaje muy altos de hasta 1000 con voltajes de 5 a 15 kV.
Propiedades del plasma
Las descargas eléctricas producidas en el gas desde el lado de alto voltaje del transformador piezoeléctrico tienen propiedades que se encuentran también en las descargas de corona y en las descargas de barrera dieléctrica. Mientras que el primer modo ocurre cuando el lado de alto voltaje del transformador piezoeléctrico se opera lejos de las tierras eléctricas, el último modo ocurre cuando se opera cerca de las tierras eléctricas separadas por un dieléctrico. Cerca de las tierras eléctricas abiertas, el transformador piezoeléctrico produce chispas periódicas. La transición al arco eléctrico no ocurre debido a la potencia limitada del transformador. La potencia típica de dichos transformadores es del orden de 10 W. La eficiencia de la generación de plasma alcanza el 90%, mientras que el 10% restante de la potencia se pierde debido al calentamiento mecánico y dieléctrico del transformador piezoeléctrico.
Debido a las bajas corrientes eléctricas, típicas de la barrera dieléctrica y las descargas de corona, la descarga piezoeléctrica directa produce un plasma en desequilibrio. Esto significa que los electrones, iones y partículas de gas neutro que los constituyen tienen distribuciones de energía cinética diferentes. La temperatura del gas neutro dentro del volumen de plasma permanece por debajo de 50 C. Al mismo tiempo, los electrones y los iones alcanzan energías de 1 a 10 eV. Esto es de 300 a 3000 veces mayor que la energía promedio de las partículas de gas neutro. Las densidades de electrones e iones alcanzan 10 16 - 10 14 m −3. Dado que la mayor parte del volumen de plasma consiste en gas neutro frío, el plasma está frío. Sin embargo, los electrones e iones muy energéticos excitan los átomos y las moléculas produciendo grandes cantidades de especies químicas de vida corta, lo que hace que este plasma sea químicamente muy activo.
Aplicaciones
Las propiedades de los plasmas piezoeléctricos de descarga directa permiten un amplio espectro de aplicaciones en tecnología médica, microbiología e investigación clínica. [5] Las aplicaciones industriales típicas incluyen la limpieza ultrafina y la activación por plasma de superficies de metal, cerámica, vidrio y plástico. Dicho procesamiento con plasma aumenta la energía superficial mejorando la humectabilidad y adhesión de la superficie . Este último aumenta la calidad de la posterior impresión o encolado. [6]
Las dimensiones muy compactas del generador de plasma PDD amplían aún más la esfera de posibles aplicaciones a dispositivos compactos para trabajos de laboratorio, aplicaciones portátiles, generadores de ozono e incluso productos de consumo.
Ver también
Referencias
- ^ M. Teschke y J. Engemann, Contrib. Plasma Phys. 49, 614 (2009)
- ^ M. Teschke y J. Engemann, US020090122941A1, solicitud de patente de EE. UU.
- ^ CA Rosen, KA Fish, HCRothenberg, Patente de Estados Unidos No. 2.830.274 (abril de 1958)
- ^ CA Rosen, en Dispositivos dieléctricos y magnéticos de estado sólido, editado por HW Katz (John Wiley & Sons, Inc., Londres, 1959) pp. 170-197
- ^ A. Fridman, G. Friedman, "Medicina del plasma", Wiley; 1 edición (11 de febrero de 2013)
- ^ MA Lieberman, Al. J. Lichtenberg "Principios de descargas de plasma y procesamiento de materiales", Wiley-Interscience; 2a edición (14 de abril de 2005)
