Study of characteristics of the low-temperature plasma source based on the piezotransformer.pdf Введение Низкотемпературная плазма, возникающая в разрядах атмосферного давления, представляет большой интерес для многих практических приложений, в том числе и медико-биологических. Исследование физико-химических процессов, развивающихся в разряде, является актуальной задачей. Когда характерный размер плазменного канала в разряде порядка дебаевского радиуса или длительность разряда не превышает десятков наносекунд, плазма не находится в состоянии полного термодинамического равновесия. В этом случае можно говорить только о локальном термодинамическом равновесии (ЛТР), при котором имеются медленные ионы, в то время как дрейф электронов приводит к разделению зарядов [1]. В такой неравновесной плазме средняя кинетическая энергия электронов больше, чем температура газа. Поддержание неравновесного плазменного состояния возможно, так как передача энергии от приложенного электрического поля к электронам значительно эффективнее, чем последующий столкновительный перенос энергии между электронами и тяжелыми частицами. Высокая частота столкновений, возникающая в плазме атмосферного давления, не только приводит к увеличению температуры газа, но также усиливает тенденцию к развитию пространственно-временных неустойчивостей [2]. Создание неравновесной плазмы со средней температурой газа около 300 К важно для большого количество прикладных задач, связанных с пищевой промышленностью, сельским хозяйством, биомедициной и косметологией. Для характеристики такой плазмы в современной литературе используется термин «холодная» плазма. Взаимодействие холодной плазмы с различными средами к настоящему времени изучено недостаточно. Несмотря на большое количество исследований [3-6], получение стабильной однородной холодной плазмы атмосферного давления для обработки сред для различных практических приложений остается важной задачей. Известные источники холодной плазмы [7] чаще всего отличаются сравнительно большими габаритными размерами, возможностью работы только с протоком инертных газов или их смесей и сложностью подбора рабочих режимов и параметров. Такие разряды обладают широким диапазоном рабочих параметров (концентрация и температура электронов и ионов, сила тока разряда и др.). В данной работе исследуются параметры компактного источника низкотемпературной плазмы атмосферного давления на основе пьезоэлектрического трансформатора (пьезотрансформатора), который позволяет достаточно просто получить «холодную» плазму как с протоком газов, так и без. Источник низкотемпературной плазмы на основе пьезотрансформатора Предложенная конструкция источника низкотемпературной плазмы [8] (рис. 1) отличается компактностью и возможностью использования трех различных режимов работы при малой потребляемой мощности. В основе конструкции лежит пьезоэлектрический трансформатор (ПТ) (рис. 1, а). В нашем случае ПТ представляет собой монолитную конструкцию прямоугольной формы, изготовленную из пьезокерамического материала. На часть внешних поверхностей методом вжигания наносятся серебряные электроды (толщина слоя 6-50 мкм). Принцип действия ПТ основан на двойном преобразовании энергии: во входной секции (секции возбуждения) электрическая энергия преобразуется в механическую, а в выходной секции механическая энергия преобразуется в электрическую [9]. Основной особенностью работы пьезотрансформатора является резонансный характер преобразования энергии в сравнительно узкой полосе частоты. Оптимальные значения коэффициента трансформации, КПД, выходной мощности ПТ достигаются при его работе на резонансной частоте или её гармониках. Существует зависимость основных параметров ПТ от нагрузки, поэтому его применение требует тщательного подбора режимов работы. Источник низкотемпературной плазмы (рис. 1, б) представляет собой закрепленную в жестком корпусе 5 диэлектрическую трубку 4, образующую ионизационную камеру 3, внутри которой установлен пьезотрансформатор 1, таким образом, чтобы не препятствовать механическим колебаниям, возникающим при работе ПТ. На входную часть ПТ подается низковольтное переменное напряжение резонансной частоты от генератора 6. На разрядном электроде 2 появляется высоковольтное напряжения, которое может быть использовано для создания плазмы. Данная конструкция генератора низкотемпературной плазмы может содержать колпачок 9 из диэлектрика, плотно облегающий выходной конец пьезотрансформатора 1, что позволяет работать в режиме диэлектрического барьерного разряда на близком расстоянии от внешнего слоя диэлектрика 10 (1-3 мм). Без диэлектрического колпачка 9 возможна работа в режиме прямого пьезоразряда. Прокачка благородного газа или смеси газов через диэлектрическую трубку позволяет получить плазменную струю с регулируемыми параметрами низкотемпературной плазмы. Существенными конструктивными отличиями предложенного источника от источника в [10] является использование диэлектрических колпачков различной конфигурации и материалов, что позволяет ему работать в различных режимах. Рис. 1. Схема пьезотрансформатора (а) и генератора низкотемпературной плазмы на его основе (б): 1 - пьезотрансформатор; 2 - разрядный электрод; 3 - ионизационная камера; 4 - диэлектрическая трубка; 5 - жесткий корпус; 6 - генератор напряжения переменной частоты; 7 - выходной конец диэлектрической трубки; 8 - устройство изменения формы выходного конца трубки; 9 - диэлектрический колпачок; 10 - слой диэлектрика Применение данного источника позволяет получить «холодную» плазму диэлектрического барьерного и прямого пьезоразряда (рис. 2, а), при этом возможны режимы как диффузного разряда, так и режим с переходом разряда в нитевидную форму в результате развития неустойчивостей различного типа. Управление энергетическими параметрами такой плазмы может осуществляться изменением амплитуды входного переменного напряжения, соответствующего резонансной частоте пьезотрансформатора. С помощью разработанного источника можно производить обработку различных поверхностей и жидкостей плазмой диффузного разряда (рис. 3) на расстоянии до объекта 0.5-1 мм или микроразрядами с расстояния 1.5-3 мм. Размеры обрабатываемой поверхности могут варьироваться от 1 до 5 см2. С использованием источника подобного типа при протоке благородных газов (Ar, He) получена низкотемпературная плазма атмосферного давления в виде плазменной струи (рис. 2, б). Рис. 2. Интегральные фотографии прямого пьезоразряда в воздухе без протока газа (а) и плазменной струи с протоком Ar (б) от источника с пьезотрансформатором при работе на жидкую среду Рис. 3. Диффузная форма диэлектрического барьерного разряда с пьезотрансформатором Управление параметрами этого плазменного образования может осуществляться аналогично вышеописанному случаю также за счёт изменения параметров протока рабочего газа. Расстояние до мишени может варьироваться от 2 до 15 мм, диаметр струи - 0.5-2 мм. Измерения спектров и оценка температуры ионов Одними из основных параметров низкотемпературной плазмы являются средняя температура воздействия на среду и температура ионов и электронов, возбуждающих физико-химические процессы на поверхности, а в случае жидкости - внутри среды. Температуру газа в разряде можно регулировать от 20 до 60 С с помощью изменения режима и параметров разряда, что связано с режимом работы пьезотрансформатора, а в случае работы с инертными газами - с параметрами их протока. Для исследования характеристик разрядов были исследованы их эмиссионные спектры (рис. 4) с помощью спектрометра AvaSpec-3648 (371-920 нм). Рис. 4. Спектры излучения разрядов от источника с пьезотрансформатором: а - прямой разряд в воздухе; б - разряд с протоком Ar; в - разряд с протоком He Спектры на рис. 4 состоят из различных систем полос N2, первой отрицательной системы N2+, триплетов атомарного кислорода O (777.4 и 844.6 нм) и полосы OH (306-309 нм) слабой интенсивности. В случае работы с протоком газов появляются соответственно линии Ar и He. Для оценки вращательной и колебательной температуры ионов N2 с помощью спектрометра AVS-HR2000 (300-393 нм) был снят спектр второй положительной системы азота от пьезоразряда в воздухе (рис. 5). Калибровка этого спектрометра производилась с помощью галогенового источника света AVALIGHT-HAL-CAL. Рис. 5. Спектр второй положительной системы азота пьезоразряда в воздухе Вращательная температура N2 рассчитывалась по неразрешенной вращательной структуре излучения 0→0-полосы, при этом полученные значения варьировалась в диапазоне 1200-1600 К. Колебательные температуры рассчитывались как по относительной интенсивности серии электронно-колебательных полос {0→1, 1→2, 2→3}, так и по серии {0→2, 1→3, 2→4, 3→5}. Для первой серии полос колебательная температура составляла 2200-2400 К, а для второй - 2900-3300 К. Для сравнения аналогичные спектры и оценки были сделаны для разряда в протоке Ar и He. Результаты оценок параметров представлены в таблице. Результаты измерений параметров разрядов по спектрам излучения № п/п ∆, A разрешение , нм Определяемый параметр Разряд в воздухе Разряд в потоке Ar Разряд в потоке He 1 N2 1.5 337 300-390 Trot, К 1200-1600 1500-1800 400-500 2 N2 1.5 357 380 300-390 Tvib, К 2200-2400 2900-3300 1400-1700 1900-2500 2800-3100 3 Hα 1.5 656 ne, см-3 - 4∙1016 - 4 N2+/N2 1.5 391/394 Te, эВ 3.3-3.5 - 2.6-2.9 5 N2+/N2 3 391/394 Te, эВ 2.5 2.2 3.3-3.5 Из таблицы видно, что была проведена оценка температуры и концентрации электронов в разряде, которая соответствует параметрам, приведенным в [1-5]. Измерения напряженности электрического поля разряда источника плазмы Для определения напряженности электрического поля вблизи прямого пьезоразряда в воздухе с различными видами нагрузок (металл и вода) был применен метод на основе электрооптического эффекта Поккельса [11]. При выполнении измерений использовался электрооптический (ЭО) датчик, который выполнен на кристалле теллурида кадмия (CdTe) размером 555 мм. Кристаллографическая группа теллурида кадмия -43m - это оптически изотропный кристалл с одним электрооптическим коэффициентом. Вырез кристалла (110), электрическое поле прикладывается в направлении (-110) [12]. Под действием электрического поля в кристалле появляется двулучепреломление с разностью показателей преломления: , (1) где n = 2.74 - невозмущенный показатель преломления; r41 = 4.5 пм/В - электрооптический коэффициент; Ein - напряженность электрического поля, действующего в кристалле. Напряженность электрического поля в кристалле отличается от напряженности поля в окружающем пространстве и зависит от диэлектрической проницаемости материала и геометрии кристалла. Для рассматриваемого кристалла теллурида кадмия 555 мм c помощью численного моделирования методом конечных элементов было получено следующее соотношение: Ein = = 0.27Eout. Для двух поляризаций света, ориентированных вдоль быстрой и медленной наведенных осей кристалла, разность фаз , (2) где L - длина пути в кристалле;  - длина волны оптического излучения. Индуцированная разность фаз в датчике преобразуется в модуляцию интенсивности оптического излучения с коэффициентом преобразования K = 2.026•10-4 см/В. Схема экспериментальной установки приведена на рис. 6. Пьезотрансформатор (ПТР) был установлен в поворотное устройство таким образом, что начальному положению 0° соответствует расположение широкой стенки параллельно ЭО-датчику. Излучение лазера проходило через кристалл на фотодектор и при воздействии переменного поля пьезотрансформатора возникало двулучепреломление. На осциллографе измерялись постоянная и переменная составляющие напряжения на фотодекторе, возникающие при протекании фототока. Рис. 6. Схема измерения напряженности электрического поля вблизи разряда пьезотрансформатора с использованием ЭО-датчика с эффектом Поккельса На рис. 7 представлены результаты зависимости составляющих напряженности электрического поля от времени при воздействии разряда на металлическую пластину (рис 7, а и б) и воду (рис. 7, в и г) для различных значений угла поворота и расстояния до разряда. Важно отметить, что при воздействии на нагрузки наблюдается серия пьезоразрядов наносекундной длительности с убывающей амплитудой поля. Разрешающая способность по времени у используемой диагностики составляет ~ 1 мкс. Значение напряженности поля на рис. 7 (около 150-200 В/см) является усредненным за серию импульсов и соответствует величине напряженности поля в наносекундном разряде ~ 10-20 кВ/см. На рис. 7, а и в видно заметное отличие в распределении поля для разных положений пьезотрансформатора относительно ЭО-датчика. Это говорит об особенностях взаимодействия поля разряда и обрабатываемой жидкости, что также видно из теневой фотографии на рис. 8. Можно видеть нелокальность взаимодействия плазмы газового разряда и жидкости, вызывающее возмущение поверхности жидкости и распространение плазмы вдоль неё. Рис. 7. Составляющие напряженности электрического поля вблизи разрядного промежутка при разряде на металлическую пластину (а, б) и воду (в, г) Рис. 8. Теневая фотография пьезоразряда Заключение В последнее время разработано большое количество генераторов низкотемпературной плазмы атмосферного давления, однако постоянно изучаются и исследуются новые подходы к созданию таких источников. Физика и химия этих специфических разрядов менее понятны и изучены, чем для разрядов низкого давления. Сильная связь между кинетикой плазмы, теплоотдачей, химией и гидродинамикой делает холодную плазму сложной междисциплинарной проблемой. Конкретные свойства и уникальные условия существования этих разрядов лежат в основе многих приложений, которые невозможны при использовании других технологий. Кроме того, самоорганизующийся характер и филаментация плазмы атмосферного давления, приводящая к значительным пространственным и временным градиентам параметров плазмы, часто вызывает затруднения в интерпретации результатов экспериментов. В данной работе были исследованы характеристики нового источника «холодной» плазмы на основе пьезотрансформатора, позволяющего создать прямой пьезоразряд, диэлектрический барьерный разряд и пьeзоразряд с протоком инертных газов. Параметры разряда и плазмы, создаваемой источником, позволяют использовать их для работы с поверхностями и средами, неустойчивыми к воздействию высоких температур. Основными областями применения «холодной» плазмы являются медицина, биология, ветеринария, сельское хозяйство и экология. Одним из важнейших применений такого генератора холодной плазмы на основе пьезотрансформатора в медико-биологических исследованиях как in vitro, так и in vivo является создание плазменно-обработанных сред и жидкостей с большим количеством активных радикалов. Для использования в этих областях важно понимать биофизические и физико-химичес¬кие процессы, происходящие при протекании разряда и его воздействия на обрабатываемые объекты, а также знать параметры разряда. В данной работе были исследованы спектры различных разрядов, создаваемых разработанным источником, оценены Te и Ti N2 и измерена температура обрабатываемой среды, измерена напряжённость электрического поля прямого пьезоразряда, продемонстрирована нелокальность взаимодействия разряда и обрабатываемой жидкости (воды). Полученные значения параметров показывают возможность использования данного источника для работы в указанных областях [3-6].

Скачать электронную версию публикации