PL223686B1

PL223686B1 - Miniature source of plasma glow

Info

Publication number: PL223686B1
Application number: PL395402A
Authority: PL
Inventors: Jerzy Janiszewski
Original assignee: Politechnika Poznańska
Priority date: 2011-06-22
Filing date: 2011-06-22
Publication date: 2016-10-31
Also published as: PL395402A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest miniaturowe źrodło plazmy jarzeniowej, mające zastosowanie w mikroreaktorach chemicznych oraz w urządzeniach do modyfikowania struktur i właściwości fizykochemicznych powierzchni materiałów organicznych i nieorganicznych.The subject of the invention is a miniature source of glow plasma, applicable in chemical microreactors and in devices for modifying the structures and physicochemical properties of the surface of organic and inorganic materials.

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 m.in. w diagnostyce spektroskopowej do wykrywania i oznaczania stężeń toksycznych gazów.For many years, there has been a dynamic growth of interest in the possibilities of using low-temperature plasma in technological and scientific applications. Plasma techniques are used, inter alia, to activate and modify the surface of materials (e.g. change the hydrophilicity or hydrophobicity, increase adhesion), deposit thin coatings, create new materials, clean and surface treatments (e.g. etch silicon structures in electronics and micromechanics, remove corrosion deposits and oil pollution), deactivation of toxic compounds, sterilization of medical tools and preparations and modification of textile fibers (natural and synthetic). In the field of research applications, plasma sources are used, among others in spectroscopic diagnostics for the detection and determination of toxic gas concentrations.

W zastosowaniach technologicznych największym zainteresowaniem cieszy się plazma niskotemperaturowa wytwarzana przy ciśnieniu atmosferycznym lub 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 (MW).In technological applications, the most popular is low-temperature plasma produced at atmospheric or reduced pressure. The sources of plasma generated at atmospheric pressure are usually arc, corona, barrier or microwave discharges. The plasma obtained in this way has a temperature of several hundred to several thousand Kelvin. Cold plasma with a temperature of about 300 K is usually obtained in glow discharges. They are produced in vacuum tanks, between electrodes supplied from direct current (DC) or radio frequency alternating (Rf) sources, or from microwave generators (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 z wyładowaniem ślizgowym, wytworzonym strumieniem przepływającego gazu, przedstawione na fig. 1.Glow discharges can be generated in the entire volume of the vacuum chamber or locally. From an economic point of view, simple and relatively cheap to operate systems are preferred for technological applications. Such properties have plasma reactors with sliding discharges ("gliding discharges"). They are characterized by a small volume of ionized plasma gas, which allows to obtain a relatively high electrical efficiency of the reactor, while maintaining high plasma homogeneity and easy regulation of its parameters. An example of a sliding discharge plasma source with a generated gas flow, which is subject to numerous analyzes and literature descriptions, is shown in 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.In the above solution, divergent electrodes are used, placed between two insulating plates. The discharge, while powered by a DC source, is actually a pulsating discharge; initiated by the breakdown of the inter-electrode gap (in the narrowest spacing of the electrodes) and fading away after the plasma channel moves to the distance at which the discharge voltage becomes greater than the ignition voltage at the beginning of the divergent electrodes. At this point, the shock initiation cycle resumes.

Charakterystyczną cecha 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 kQ). Przy większych prądach roboczych pogarsza to zdecydowanie sprawność energetyczną układu.A characteristic feature of this type of system is the ability to work at atmospheric pressure, but with a constant supply of plasma gas at increased pressure. This naturally disqualifies the reactor's ability to operate at reduced operating pressures. Plasma at the reactor outlet has a temperature of several hundred to 3000 K, and the system for stable operation and protection of the power source against short-circuit requires the use of a high-value series resistance (20-500 kQ). At higher operating currents, this significantly worsens the energy efficiency of the system.

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 i rezystorami stabilizującymi i ograniczającymi prąd wyładowania.A lower glow discharge plasma temperature can be obtained by lowering the operating pressure of the plasma reactor. In this case, to obtain the sliding discharge, the electrodynamic effect of the magnetic field directed transversely to the current flowing through the plasma channel is used. The low temperature of the resulting plasma is particularly advantageous for modifying the surface of polymers and for treating textile membranes and fibers. The developed technological and laboratory systems of this type use high-voltage direct current sources to power the reactor (as in gas-blown reactors) and resistors stabilizing and limiting the discharge current.

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 poła 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 jednegoThe results of the research on low-pressure, sliding DC glow discharges indicated the potential possibilities of making a simple plasma microreactor, powered by alternating current with mains frequency. The speed of movement of the discharge on divergent electrodes, placed in the transverse magnetic field, is greater the greater the current and the induction of the magnetic field, and it decreases for higher pressure values, For simple pressures of the order p = 10-50 kPa, currents 100 mA and induction B <100 mT these velocities are from one

PL 223 686 B1 do kilku m/s. Dla częstotliwości sieciowej prądu (50 Hz) czas trwania jednej półfali wynosi 10 ms, co oznacza, ze 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.PL 223 686 B1 to several m / s. For the mains frequency of the current (50 Hz), the duration of one half-wave is 10 ms, which means that the above-mentioned conditions the discharge will travel from one to several centimeters. For a microreactor, this is sufficient to operate at a frequency of 50 Hz and even 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 styczność z obrabianym materiałem), dla przyjętych parametrów pracy (p, I, B), maksymalną długość elektrod należy tak dobrać, aby wyładowanie w czasie 10 ms przepływu prądu zdołało dotrzeć do krawędzi reaktora.At a sufficiently high instantaneous voltage value, the initiation of the discharge in the slip reactor powered by an AC or pulsating current source (after rectification without filter circuits) is identical to the conventional solutions. However, its extinction is different. It is the result of the natural voltage drop of the supply source (on the falling part of the sine wave), and not the re-ignition of the discharge at the electrode point. From the point of view of the design of the device, its intended purpose is important. If it is to function solely as a plasma reactor, the length of the electrodes is of less importance. In the case of applications for technological processing of materials (during which the plasma stream should be in contact with the processed material), for the assumed operating parameters (p, I, B), the maximum length of the electrodes should be selected so that the discharge during 10 ms of current flow could reach to the edge of the reactor.

Istotą wynalazku, jest miniaturowe źródło plazmy jarzeniowej, charakteryzujące się tym, że stanowi je zestaw dwóch płaskich, zasilanych prądem pulsującym, rozbieżnie ukształtowanych elektrod, 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.The essence of the invention is a miniature glow plasma source, characterized by the fact that it is a set of two flat, pulsed, divergent-shaped electrodes, situated in a transverse magnetic field, separated from the flat permanent magnets by insulating spacers, the permanent magnets covering the discharge space are facing opposite poles.

Dzięki zastosowaniu rozwiązania według wynalazku uzyskano następujące efekty techniczno-użytkowe:Thanks to the solution according to the invention, the following technical and operational effects were obtained:

• 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 zbiorników próżniowych .• cheap and simple method of producing glow plasma for research and technological applications, • plasma production of low temperature and high local concentration, • plasma production with repeatable parameters, • easy regulation of the electric power of the plasma source, • obtaining a technologically advantageous discharge shape - in the form of narrow "plasma strip", • operation of the source (as a microreactor) in various plasma-generating environments, • use of a simple power supply system in the form of a high-voltage transformer with high magnetic flux dispersion, • operation of the plasma source at relatively low supply voltages, • operation of the plasma source at the so-called low vacuum, which makes it possible to use the device even in continuous technological processes, • easy adaptation to manipulators and arms of small robots working inside vacuum tanks.

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.The solution known from the prior art is shown in Fig. 1 showing a direct current sliding discharge forced by a gas stream. The subject of the invention in an exemplary embodiment is shown in the drawing, where Fig. 2 shows a longitudinal cut of a miniature glow plasma source, Fig. 3 shows a top view of a miniature glow plasma source, Fig. 4 shows a cross-section of a miniature glow plasma source, and Fig. 5 shows supply voltage waveform.

Miniaturowe źródło plazmy jarzeniowej, stanowi zestaw dwóch płaskich, rozbieżnie ukształtowanych elektrod 1, znajdujących się w poprzecznym polu magnetycznym, oddzielonych izolacyjnymi przekładkami 7 od płaskich magnesów trwałych 3, przy czym magnesy obejmujące przestrzeń wyładowczą 4 zwrócone są do siebie przeciwnymi biegunami.The miniature glow plasma source is a set of two flat, divergent-shaped electrodes 1, located in a transverse magnetic field, separated by insulating spacers 7 from permanent flat magnets 3, with the magnets surrounding the discharge space 4 facing opposite poles.

Wyładowanie jest inicjowane w miejscu zbliżenia elektrod 1, gdy chwilowa wartość napięcia zasilającego (na narastającej części sinusoidy) przekroczy wytrzymałość elektryczną przerwy międzyelektrodowej. Przepływ prądu w plazmie wyładowania skierowany jest prostopadle do kierunku pola magnetycznego wytarzanego przez magnesy trwałe 3. Elektrodynamiczne oddziaływanie prądu t pola magnetycznego powoduje w przestrzeni wyładowczej 4 przemieszczanie się plazmy wyładowania w kierunku zgodnym z regułą Ampere'a. czyli zgodnie z kierunkiem wzrostu rozbieżności elektrod 1. W klasycznych urządzeniach tego typu - zasilanych prądem stałym, dla uzyskania cykliczności pr acy, plazma wyładowania musi przemieszczać się na znaczną odległość, przy której napięcie na wyładowaniu staje się większe od wytrzymałości elektryczne) przerwy w miejscu zbliżenia elektrod 1. Zastosowany sposób zasilania umożliwia samoczynne gaśnięcie wyładowania, gdy wartość napięciaThe discharge is initiated at the point where the electrodes 1 are approached, when the instantaneous value of the supply voltage (on the growing part of the sinusoid) exceeds the electric strength of the inter-electrode gap. The current flow in the discharge plasma is directed perpendicularly to the direction of the magnetic field generated by the permanent magnets 3. The electrodynamic effect of the magnetic field current t causes in the discharge space 4 the displacement of the discharge plasma in the direction according to the Ampere's rule. i.e. according to the direction of growth of the electrode divergence 1. In classic devices of this type - powered by direct current, in order to achieve cyclical work, the discharge plasma must travel a considerable distance, at which the voltage at the discharge becomes greater than the electrical strength) interruptions at the point of approach electrodes 1. The applied method of supply enables the discharge to automatically extinguish when the voltage value

PL 223 686 B1 zmniejszy się poniżej wątłości niezbędnej do jego podtrzymania. W ten sposób uzyskano możliwość zmniejszenia reaktora w stosunku do urządzeń zasilanych prądem stałym.The PL 223 686 B1 will be less than necessary to support it. In this way, it was possible to reduce the reactor in relation to devices powered by direct current.

Wykorzystanie dowolnego z napięć zasilających o przebiegu pokazanym na fig. 5 pozwala na cykliczne inicjowanie wyładowania (na narastającym zboczu sinusoidy) i wymuszone jogo 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 podstawową i drugą harmoniczną sieciowego napięcia zasilającego.The use of any of the supply voltages with the waveform shown in Fig. 5 allows for cyclic initiation of the discharge (on the rising edge of the sinusoid) and forced jogo quenching when the voltage drops (on the falling part of the sinusoidal waveform) to a value corresponding to the natural state of extinction. This is the reason why the power source, not shown in the figure, cannot contain electric filters that eliminate the fundamental and second harmonics of the mains voltage.

Grubość elektrod 1 nie jest krytyczna lecz korzystne jest. aby zawierała się w przedziale 0,5-2 mm. Rozbieżność elektrod 1 (przestrzeni wyładowczej 4) nie powinna przekraczać 90° i powinna być tym mniejsza, im bardziej prostoliniowy ma być kształt wytwarzanego odcinka plazmy jarzeniowej. W przypadku zastosowania magnesów 3 wykonanych z materiałów o bardzo dużej rezystywności (praktycznie dielektrycznych), reaktor może pracować bez przekładek izolacyjnych 2. Obecnie produkowane są magnesy wytwarzające bardzo silne pola magnetyczne (np. magnesy neodymowe). Przy wykorzystaniu takich magnesów możliwa jest również praca urządzenia z pojedynczym magnesem trwałym 3, umieszczonym z dowolnej strony elektrod 1, pod warunkiem zachowania właściwej biegunowości.The thickness of the electrodes 1 is not critical but is preferred. to be in the range of 0.5-2 mm. The divergence of the electrodes 1 (the discharge space 4) should not exceed 90 [deg.] And it should be the smaller the more straight the shape of the section of the glow plasma produced is to be. In the case of using magnets 3 made of materials with very high resistivity (practically dielectric), the reactor can operate without insulating spacers 2. Currently, magnets generating very strong magnetic fields (eg neodymium magnets) are produced. With the use of such magnets, it is also possible to operate the device with a single permanent magnet 3 placed on either side of the electrodes 1, provided the correct polarity is maintained.

Claims

Patent claim

A miniature source of glow plasma, characterized in that it is a set of two flat, pulsed current, divergent-shaped electrodes (1), situated in a transverse magnetic field, separated from the flat permanent magnets (3) by insulating spacers (2), the permanent magnets being (3), including the discharge space (4), face each other with opposite poles.