PL223682B1 - Miniaturowe źródło plazmy jarzeniowej - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest miniaturowe źródło plazmy jarzeniowej, mające zastosowanie w miktoreaktorach chemicznych oraz, w urządzeniach do modyfikowania struktur i właściwości fizykochemicznych powierzchni materiałów organicznych i nieorganicznych.

Od wielu lat odnotowywany jest dynamiczny wzrost zainteresowania możliwościami wykorzystania plazmy niskotemperaturowej w zastosowaniach technologicznych i naukowych. Techniki plazmowe stosowane są między innymi do aktywowania i modyfikacji powierzchni materiałów (np. zmiana hydrofilowości lub hydrofobowości, wzrost adhezji), osadzania cienkich powłok, wytwarzania nowych materiałów, czyszczenia i obróbki powierzchni (np. trawienia struktur krzemowych w elektronice i mikromechanice, usuwanie nalotów korozyjnych i zanieczyszczeń olejowych), dezaktywacji toksycznych związków, sterylizacji narzędzi i preparatów medycznych oraz modyfikacji włókien tekstylnych (naturalnych i syntetycznych). W zakresie zastosowań badawczych źródła plazmowe wykorzystuje się min. w diagnostyce spektroskopowej do wykrywania i oznaczania stężeń toksycznych gazów.

W zastosowaniach technologicznych największym zainteresowaniem cieszy się plazma niskotemperaturowa wytwarzana przy ciśnieniu atmosferycznym tub obniżonym. Źródłami plazmy wytwarzanej przy ciśnieniu atmosferycznym są zwykle wyładowania łukowe, koronowe, barierowe lub mikrofalowe. Tak uzyskiwana plazma ma temperaturę od kilkuset do kilku tysięcy kelwinów. Zimną plazmę o temperaturze już od ok. 300 K uzyskuje się zwykle w wyładowaniach jarzeniowych. Są one wytwarzane w zbiornikach próżniowych, między elektrodami zasilanymi ze źródeł prądu stałego (DC) lub przemiennego o częstotliwości radiowej (RF) albo też z generatorów mikrofalowych i MW).

Wyładowania jarzeniowe mogą być wytwarzane w całej objętości komory próżniowej lub lokalnie. Z ekonomicznego punktu widzenia, do zastosowań technologicznych preferowane są układy proste i względnie tanie w eksploatacji. Takie właściwości mają reaktory plazmowe z wyładowaniami ślizgowymi (ang. „gliding discharges”). Charakteryzują się one małą objętością zjonizowanego gazu plazmotwórczego, co umożliwia uzyskanie względnie wysokiej sprawności elektrycznej reaktora, przy jednoczesnym zachowaniu dużej jednorodności plazmy i łatwej regulacji jej parametrów. Podlegający licznym analizom i opisom literaturowym przykład źródła plazmowego i wyładowaniem ślizgowym, wytworzonym strumieniem przepływającego gazu, przedstawiono na fig. 1.

W powyższym rozwiązaniu stosowane są rozbieżne elektrody, umieszczone między dwiema płytkami izolacyjnymi. Wyładowanie, mimo zasilania ze źródła prądu stałego, jest w rzeczywistości wyładowaniem pulsującym: inicjowanym przez przebicie przerwy międzyelektrodowej (w najwęższym odstępie elektrod) i gasnącym po przemieszczeniu się kanału plazmowego na taką odległość, przy której napięcie na wyładowaniu staje się większe od napięcia zapłonowego na początku rozbieżnych elektrod. W takim momencie cykl inicjowania wyładowania zostaje wznowiony.

Charakterystyczną cechą układów takiego typu jest możliwość pracy przy ciśnieniu atmosferycznym jednak ze stałym dopływem gazu plazmotwórczego o ciśnieniu podwyższonym. W naturalny sposób dyskwalifikuje to możliwość pracy reaktora przy obniżonych ciśnieniach roboczych. Plazma na wylocie reaktora ma temperaturę od kilkuset do 3000 K, a układ do stabilnej pracy i ochrony źródła zasilającego przed zwarciem wymaga stosowania szeregowej rezystancji o dużej wartości (20-500 kC). Przy większych prądach roboczych pogarsza to zdecydowanie sprawność energetyczną układu.

Niższą temperaturę plazmy wyładowania jarzeniowego można uzyskać przez obniżenie ciśnienia roboczego reaktora plazmowego. W tym przypadku dla uzyskania wyładowania ślizgowego wykorzystuje się elektrodynamiczne oddziaływanie pola magnetycznego, skierowanego poprzecznie do prądu przepływającego przez kanał plazmowy. Niska temperatura uzyskiwanej plazmy jest szczególnie korzystna do modyfikacji powierzchni polimerów, oraz obróbki membran i włókien tekstylnych, Opracowane technologiczne i laboratoryjne układy tego typu wykorzystują do zasilania reaktora (podobnie jak w reaktorach z podmuchem gazu), wysokonapięciowe źródła prądu stałego z rezystorami stabilizującymi i ograniczającymi prąd wyładowania.

Wyniki badań niskociśnieniowych, ślizgowych wyładowań jarzeniowych prądu stałego wskazały na potencjalne możliwości wykonania prostego mikroreaktora plazmowego, zasilanego prądem przemiennym o częstotliwości sieciowej. Prędkość przemieszczania się wyładowania na rozbieżnych elektrodach, umieszczonych w poprzecznym polu magnetycznym, jest tym większa im większy jest prąd i indukcja pola magnetycznego i maleje dla większych wartości ciśnienia. Dla prostych do wytworzenia ciśnień rzędu p=10-50 kPa, prądów I=10-100 mA i indukcji B«100 mT prędkości te wynoszą od jednego

PL 223 682 B1 do kilku m/s. Dla częstotliwości sieciowej prądu (50 Hz) czas trwania jednej półfali wynosi 10 ms, co oznacza, że w/w warunkach wyładowanie przemieści się na odległość od jednego do kilku centymetrów. Dla mikroreaktora jest to wystarczające do pracy z częstotliwością 50 Hz, a nawet 100 Hz.

Przy odpowiednio wysokiej wartości chwilowej napięcia, inicjowanie wyładowania w reaktorze ślizgowym, zasilanym ze źródła prądu przemiennego lub pulsującego (po wyprostowaniu bez obwodów filtrujących) jest identyczne jak w rozwiązaniach konwencjonalnych. Inaczej przebiega jednak jego gaśnięcie. Jest ono wynikiem naturalnego spadku napięcia źródła zasilającego (na opadającej części sinusoidy), a nie ponownego zapłonu wyładowania w miejscu zbliżenia elektrod. Z punktu widzenia konstrukcji urządzenia istotne jest jego docelowe przeznaczenie. Jeżeli ma ono pracować wyłącznie jako reaktor plazmowy, długość elektrod ma mniejsze znaczenie. W przypadku zastosowań do obróbki technologicznej materiałów (podczas której struga uzyskiwanej plazmy powinna mieć styc zność z obrabianym materiałem), dla przyjętych parametrów pracy (p, I, B), maksymalną długość elektrod należy tak dobrać, aby wyładowanie w czasie 10 ms przepływu prąciu zdołało dotrzeć do krawędzi reaktora.

Istotą wynalazku jest miniaturowe źródło plazmy jarzeniowej, charakteryzujące się tym, że stanowi je zestaw trzech płaskich, zasilanych prądem pulsującym, elektrod ukształtowanych tak, że tworzą dwie rozbieżne przestrzenie wyładowcze, usytuowanych w poprzecznym polu magnetycznym, oddzielonych od płaskich magnesów trwałych izolacyjnymi przekładkami, przy czym magnesy trwałe, obejmujące przestrzeń wyładowczą zwrócone są do siebie przeciwnymi biegunami.

Dzięki zastosowaniu rozwiązania według wynalazku uzyskano następujące efekty techniczno-użytkowe:

• tani i prosty sposób wytwarzania plazmy jarzeniowej do zastosowań badawczych i technologicznych, • wytwarzanie plazmy o niskiej temperaturze i dużej, lokalnej koncentracji, • wytwarzanie plazmy o powtarzalnych parametrach, • łatwość regulacji mocy elektrycznej źródła plazmy, • uzyskanie korzystnego technologicznie kształtu wyładowania - w formie wąskiego „paska plazmowego”, • pracę źródła (jako mikroreaktora) w różnych środowiskach plazmotwórczych, • zastosowanie prostego układu zasilającego w postaci transformatora wysokonapięciowego o dużym rozproszeniu strumienia magnetycznego, • pracę źródła plazmy przy względnie niskich napięciach zasilających, • pracę źródła plazmy przy tzw. niskiej próżni, co umożliwia wykorzystanie urządzenia nawet w ciągłych procesach technologicznych, • łatwość adaptacji do manipulatorów i ramion małych robotów, pracujących wewnątrz zbiorn ików próżniowych.

Rozwiązanie znane ze stanu techniki uwidocznione jest na fig. 1 przedstawiającej wyładowanie ślizgowe prądu stałego wymuszone strumieniem gazu. Przedmiot wynalazku w przykładowym wykonaniu uwidoczniony jest na rysunku, gdzie fig. 2 przedstawia wykrój wzdłużny miniaturowego źródła plazmy jarzeniowej, fig. 3 przedstawia widok z góry miniaturowego źródła plazmy jarzeniowej, fig. 4 przedstawia przekrój poprzeczny miniaturowego źródła plazmy jarzeniowej, a fig. 5 przedstawia przebieg napięć zasilających.

Miniaturowe źródło plazmy jarzeniowej, stanowi zestaw trzech płaskich elektrod 1,2 i 3, znajdujących się w poprzecznym polu magnetycznym, oddzielonych izolacyjnymi przekładkami 4 od płaskich magnesów trwałych 5, przy czym magnesy obejmujące przestrzenie wyładowania 6 zwrócone są do siebie przeciwnymi biegunami. Ukształtowanie elektrody 3 jest takie, że z elektrodami 1 i 2 tworzy ona dwa symetryczne, rozbieżne obszary wyładowcze 6 (lewy i prawy na fig. 7).

Wyładowanie jest inicjowane w miejscu zbliżenia elektrod 1 i 3 lub 2 i 3, gdy chwilowa wartość napięcia zasilającego (na narastającej części sinusoidy) przekroczy wytrzymałość elektryczną przerwy międzyelektrodowej. O tym, który z kanałów wyładowczych 6 (lewy czy prawy na fig. 2) zostanie uaktywniony, decyduje obecność napięcia zasilającego na elektrodach 1 i 2 lub 2 i 3. Przepływ prądu w plazmie wyładowania skierowany jest prostopadle do kierunku pola magnetycznego wytwarzanego przez magnesy trwałe 5. Elektrodynamiczne oddziaływanie prądu i pola magnetycznego powoduje w aktualnie aktywnej przestrzeni wyładowczej 6 przemieszczanie się plazmy wyładowania w kierunku zgodnym z regułą Ampere'a, czyli zgodnie z kierunkiem wzrostu rozbieżności elektrod. Przy przyjętym jak na fig. 4 kierunku pola magnetycznego, pokazane na fig. 5 dodatnie półfale napięć zasilających

PL 223 682 B1

U_DC1 i U_DC2 powodują zainicjowanie wyładowań (oraz przepływ prądu i przemieszczanie się plazmy), naprzemiennie w lewym i prawym obszarze wyładowczym 8. Powstają w ten sposób dwa naprzemiennie pracujące mikroreaktory, zasilane wyprostowanym jednopołówkowo napięciem sinusoidalnym o częstotliwości sieciowej. Taki tryb pracy jest trudny do zrealizowania w klasycznych urządzeniach z wyładowaniami ślizgowymi, zasilanymi prądem stałym. Ponadto, w urządzeniach klasycznych, dla uzyskania cykliczności pracy, plazma wyładowania musi przemieszczać się na znaczną odległość, przy której napięcie na wyładowaniu staje się większe od wytrzymałości elektrycznej przerwy w miejscu zbliżenia elektrod. Zastosowany w przedstawianej konstrukcji sposób zasilania umożliwia samoczynne gaśnięcie wyładowania, gdy wartość napięcia zmniejszy się poniżej wartości niezbędnej do jego podtrzymania. W ten sposób uzyskano możliwość zmniejszenia reaktora w stosunku do urządzeń zasilanych prądem stałym.

Wykorzystanie napięć zasilających o przebiegach pokazanych na fig. 5 pozwala, dla każdego obszaru wyładowczego 6, na cykliczne inicjowanie wyładowania (na narastającym zboczu sinusoidy) i wymuszone jego gaszenie - przy zmniejszeniu się napięcia (na opadającej części odcinka przebiegu sinusoidalnego) do wartości odpowiadającej naturalnemu stanowi gaśnięcia. Jest to powód, dla którego źródło zasilające, nieuwidocznione na rysunku, nie może zawierać filtrów elektrycznych, eliminujących sieciową harmoniczną napięcia zasilającego.

Grubość elektrod 1, 2 i 3 nie jest krytyczna lecz korzystne jest aby zawierała się w przedziale 0,5-2 mm. Rozbieżność elektrod 1, 2 i 3 (przestrzeni wyładowczych 6) nie powinna przekraczać 45° i powinna być tym mniejsza, im bardziej prostoliniowy ma być kształt wytwarzanego odcinka plazmy jarzeniowej. W przypadku zastosowania magnesów trwałych 5, wykonanych z materiałów o bardzo dużej rezystywności (praktycznie dielektrycznych), reaktor może pracować bez przekładek izolacyjnych 4. Obecnie produkowane są magnesy wytwarzające bardzo silne pola magnetyczne (np. m agnesy neodymowe). Przy wykorzystaniu takich magnesów możliwa jest również praca z pojedynczym magnesem trwałym 5, umieszczonym z dowolnej strony elektrod 1, 2 i 3, pod warunkiem zachowania właściwej biegunowości.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Miniaturowe źródło plazmy jarzeniowej, znamienne tym, że stanowi je zestaw trzech płaskich, zasilanych prądem pulsującym, elektrod (1), (2) i (3) ukształtowanych tak, że tworzą dwie rozbieżne przestrzenie wyładowcze (6), usytuowanych w poprzecznym polu magnetycznym, oddzielonych od płaskich magnesów trwałych (5) izolacyjnymi przekładkami (4), przy czym magnesy trwałe (5), obejmujące przestrzeń wyładowczą (6) zwrócone są do siebie przeciwnymi biegunami.