Piezoelektrisches Direktentladungsplasma

Piezoelektrisches Direktentladungsplasma (engl. Piezoelectric direct discharge , PDD) ist eine Art kaltes Nichtgleichgewichtsplasma, das durch eine direkte Gasentladung eines piezoelektrischen Hochspannungstransformators erzeugt wird. Es kann in Luft oder anderen Gasen in einem weiten Druckbereich, einschließlich Atmosphärendruck, gezündet werden. Durch die Kompaktheit und den Wirkungsgrad des piezoelektrischen Transformators ist diese Methode der Plasmaerzeugung besonders kompakt, effizient und kostengünstig. Es ermöglicht ein breites Spektrum an industriellen, medizinischen und Verbraucheranwendungen.

Hintergrund

Kalte, Nichtgleichgewichts-Atmosphärendruckplasmen können durch Hochspannungsentladungen in der Atmosphäre verschiedener Arbeitsgase erzeugt werden. Die folgenden drei Arten von elektrischen Entladungen finden die meisten Anwendungen in industriellen Prozessen:

• Lichtbogenentladungen sind selbsterhaltende Gleichstromentladungen, die durch hohe elektrische Ströme gekennzeichnet sind, welche durch intensive Wärme- und Feldemission aus der Kathode gezogen werden. Durch die intensiven Ströme erreicht das Volumen des Lichtbogens mit Temperaturen von 6.000 – 12.000 C ein thermisches Gleichgewicht. Während die Bogenentladung im DC-Modus aufrechterhalten werden kann, ist ein gepulster Betrieb stabiler gegen die Materialfehler in einer schnell erodierenden Kathodenoberfläche.
• Koronaentladungen treten in den Bereichen hoher elektrischer Felder mit hohen Feldgradienten auf, die in der Nähe scharfer Kanten von Hochspannungselektroden liegen. Um Funkenbildung zu vermeiden, sollten solche Elektroden weit von der elektrischen Erdung entfernt sein. Während Koronaentladungen relativ hohe Spannungen erfordern, sind die emittierten elektrischen Ströme niedrig, was zu einer geringen Entladeleistung führt. Obwohl der DC-Betrieb für die Corona-Entladung Standard ist, erhöht der AC-Betrieb seine Leistung.
• Dielektrische Barrierenentladung tritt zwischen zwei Elektroden auf, die durch ein Dielektrikum getrennt sind, wenn die Elektroden durch eine Sinuswelle oder gepulste Hochspannung getrieben werden. Der Entladestrom wird von der Oberfläche des Dielektrikums bezogen. Die Leistung der dielektrischen Barrierenentladung ist deutlich höher als die der Koronaentladung, jedoch kleiner als die der Bogenentladung.

Alle diese Arten von elektrischen Entladungen erfordern Hochspannungselektronik und Hochspannungsverkabelung. Diese sind sperrig, teuer und im Falle von Wechselstrom kann die Leistung aufgrund von dielektrischen Verlusten sehr ineffizient sein. Darüber hinaus erfordern industrielle Anwendungen oft eine hohe Leistung von 1 kW. Dies stellt hohe Sicherheitsanforderungen an die Hochspannungsgehäuse mit offenen Elektroden. Eine Konstruktion, die auf mehreren Niederspannungs-Hochspannungsmodulen basiert, könnte die Sicherheitsaspekte verbessern. Ebenso sollte die Integration des Hochspannungsgenerators und der Entladeelektrode in ein einziges Modul dielektrische Verluste in den Kabeln reduzieren. Bisher wurde jedoch keine kostengünstige Lösung für das System auf Basis von Low-Power-Modulen gefunden.

Das Prinzip Piezoelektrisches Direktentladungsplasma

Die piezoelektrische Direktentladung verwendet einen piezoelektrischen Transformator als Generator für Wechselstrom-Hochspannung. Die Hochspannungsseite dieses Transformators fungiert als Elektrode, die elektrische Entladungen in der Luft oder anderen Arbeitsgasen hervorruft, was wiederum Atmosphärendruckplasmen erzeugt. Der piezoelektrische Transformator ist sehr kompakt und benötigt nur eine Quelle für eine Niederspannung mit geringer Leistung. Dadurch kann der gesamte Plasmagenerator besonders kompakt und kostengünstig gebaut werden, was den Bau von handgeführten und/oder kostengünstigen Plasmageneratoren ermöglicht.

Piezoelektrische Transformatoren vom Typ Rosen, die aus Bleizirkonattitanat hergestellt werden können, wandeln die elektrische Energie in Form von Niederspannungswechselstrom in mechanische Schwingungen um. Folglich erzeugen diese mechanischen Schwingungen am anderen Ende des Transformators Hochspannungswechselstrom. Die höchste Amplitude wird bei mechanischen Resonanzen erreicht, die bei den typischen Frequenzen zwischen 10 kHz und 500 kHz auftreten. Die Abmessungen des piezoelektrischen Kristalls definieren die Resonanzfrequenz, während seine dielektrische Umgebung kleine Verschiebungen der Resonanz verursachen kann. Die Niederspannungselektronik passt die Frequenz kontinuierlich an, um den Transformator innerhalb der Resonanz in Betrieb zu halten. In der Resonanz bieten solche Transformatoren sehr hohe Spannungsumrechnungsfaktoren bis zu 1000 bei Spannungen von 5 – 15 kV.

(1) Luftzufuhr, (2) Treiberelektronik, (3) Piezoelektrischer Wandler, (4) atmosphärische Volumenentladung

Eigenschaften

Elektrische Entladungen, die im Gas von der Hochspannungsseite des piezoelektrischen Transformators erzeugt werden, haben Eigenschaften, die auch in den Koronaentladungen und in den dielektrischen Barrierenentladungen zu finden sind. Während der erste Modus auftritt, wenn die Hochspannungsseite des piezoelektrischen Transformators weit von der elektrischen Masse entfernt betrieben wird, tritt der zweite Modus auf, wenn er in der Nähe der elektrischen Masse betrieben wird, die durch ein Dielektrikum getrennt ist. In der Nähe der offenen elektrischen Erdung erzeugt der piezoelektrische Transformator periodische Funken, sog. Streamer. Der Übergang zum Lichtbogen erfolgt nicht, da die Leistung des Transformators begrenzt ist. Die typische Leistung solcher Transformatoren liegt in der Größenordnung von 10 W. Der Wirkungsgrad der Plasmaerzeugung erreicht 90%, während die restlichen 10% der Leistung durch die mechanische Erwärmung des piezoelektrischen Transformators verloren gehen.

Aufgrund der geringen elektrischen Ströme, die für die dielektrische Barriere und die Koronaentladungen typisch sind, erzeugt die piezoelektrische Direktentladung ein Nichtgleichgewichtsplasma. Das bedeutet, dass seine Bestandteile Elektronen, Ionen und die neutralen Gasteilchen unterschiedliche kinetische Energieverteilungen aufweisen. Die Temperatur des neutralen Gases im Plasmavolumen bleibt unter 50 C. Gleichzeitig erreichen die Elektronen und Ionen Energien von 1 – 10 eV. Dies ist 300 – 3000 mal höher als die durchschnittliche Energie der neutralen Gaspartikel. Die Dichten der Elektronen und der Ionen erreichen 10^-16 – 10^-14 m^-3. Da der größte Teil des Plasmavolumens aus dem kalten neutralen Gas besteht, ist das Plasma kalt. Die sehr energiereichen Elektronen und Ionen regen jedoch Atome und Moleküle an, die große Mengen an kurzlebigen chemischen Spezies produzieren, was dieses Plasma chemisch sehr aktiv macht.

Anwendungen

Die Eigenschaften der piezoelektrischen Direktentladungsplasmen ermöglichen ein breites Anwendungsspektrum in der Medizintechnik, Mikrobiologie und klinischen Forschung. Typische industrielle Anwendungen sind die Feinstreinigung und Plasmaaktivierung von Metall-, Keramik-, Glas- und Kunststoffoberflächen. Diese Plasmabehandlung erhöht die Oberflächenenergie und verbessert die Benetzbarkeit und Haftung der Oberfläche. Letzteres erhöht die Qualität des nachfolgenden Drucks oder Klebens.

Die sehr kompakten Abmessungen des PDD-Plasmagenerators erweitern den Anwendungsbereich um kompakte Geräte für Laborarbeiten, handgeführte Anwendungen, Ozongeneratoren und sogar Konsumgüter.