圧電直接放電プラズマ

圧電直接放電（PDD）プラズマは、高電圧圧電トランスの直接ガス放電によって生成される冷非平衡プラズマの一種です。大気圧を含む幅広い圧力範囲の空気やその他のガス中で点火可能です。圧電トランスの小型化と効率性により、このプラズマ生成法は特にコンパクトで効率的かつ安価です。産業、医療、民生用途など、幅広い分野に応用可能です。

背景

低温非平衡大気圧プラズマは、様々な作動ガス雰囲気中で高電圧放電によって生成できます。以下の3種類の放電が、産業プロセスにおいて最も多く利用されています。

  • 電気アーク放電は、強力な熱電子放出と電界放出によって陰極から引き出される高電流を特徴とする自己持続型直流放電です。この高電流により、アーク体積は6,000～12,000℃の温度で熱平衡に達します。アーク放電は直流モードでも持続可能ですが、急速に侵食される陰極表面の欠陥に対しては、パルス動作の方がより安定します。
  • コロナ放電は、高電圧電極の鋭いエッジ付近に存在する、電界勾配の大きい高電界領域で発生します。火花の発生を防ぐため、このような電極は接地点から離して配置する必要があります。コロナ放電には高い電圧が必要ですが、放出される電流は小さいため、放電電力は低くなります。コロナ放電は直流（DC）動作が標準ですが、交流（AC）動作にすることで電力が増加します。
  • 誘電体バリア放電は、誘電体で隔てられた2つの電極間に、正弦波またはパルス状の高電圧を印加することで発生します。放電電流は誘電体の表面から供給されます。誘電体バリア放電の電力はコロナ放電よりもはるかに高いですが、アーク放電に比べると小さくなります。

これらすべてのタイプの放電には、高電圧電子機器と高電圧ケーブルが必要です。これらはかさばり、高価であり、交流電源の場合は誘電損失のために非常に非効率になる可能性があります。さらに、産業用途では1kW程度の高電力が求められることがよくあります。そのため、開放型電極を備えた高電圧筐体には厳しい安全要件が課せられます。複数の低電力高電圧モジュールをベースとした構成は、安全性を向上させる可能性があります。同様に、高電圧発生器と放電電極を単一のモジュールに組み込むことで、ケーブルの誘電損失を低減できます。しかしながら、これまでのところ、低電力モジュールをベースとしたシステムに対する費用対効果の高いソリューションは見つかっていません。

PDDの原則

圧電直接放電は、圧電トランスを交流高電圧発生器として用いる。このトランスの高電圧側は電極として機能し、空気中またはその他の作動ガス中で放電を発生させ、大気圧プラズマを生成する。[ 1 ] [ 2 ] 圧電トランスは非常に小型で、低電力・低電圧の交流電源のみを必要とする。これにより、プラズマ発生器全体を非常に小型かつ安価に構成することができ、携帯型プラズマ発生器や費用対効果の高いプラズマ発生器アレイの構築が可能となる。

ローゼン型圧電変圧器はチタン酸ジルコン酸鉛で作られ、低電圧交流の形の電気エネルギーを機械的振動に変換します。[ 3 ] [ 4 ]その結果、これらの機械的振動が変圧器の他端で高電圧交流を生成します。最大振幅は機械的共振で達成され、これは通常 10 kHz から 500 kHz の間の周波数で発生します。圧電結晶の寸法が共振周波数を定義しますが、その誘電環境により共振がわずかにシフトすることがあります。低電圧電子機器は周波数を継続的に調整して、変圧器が共振内で動作し続けるようにします。共振時には、このような変圧器は 5 - 15 kV の電圧で最大 1000 という非常に高い電圧変換係数を提供します。

プラズマの特性

圧電トランスの高電圧側からガス中に生成される放電は、コロナ放電や誘電体バリア放電にも見られる特性を備えています。前者のモードは、圧電トランスの高電圧側が電気接地から遠く離れた場所で動作しているときに発生しますが、後者のモードは、誘電体によって分離された電気接地の近くで動作しているときに発生します。開放された電気接地の近くでは、圧電トランスは周期的な火花を生成します。トランスの電力が限られているため、電気アークへの移行は発生しません。このようなトランスの標準的な電力は 10 W 程度です。プラズマ生成の効率は 90 % に達しますが、残りの 10 % の電力は圧電トランスの 機械的加熱と誘電加熱によって失われます。

誘電体バリアとコロナ放電に典型的な低電流のため、圧電直接放電は非平衡プラズマを生成します。つまり、プラズマを構成する電子、イオン、中性ガス粒子はそれぞれ異なる運動エネルギー分布を持ちます。プラズマ体積内の中性ガスの温度は 50 ℃ 未満に保たれます。同時に、電子とイオンは 1 ～ 10 eV のエネルギーに達します。これは、中性ガス粒子の平均エネルギーの 300 ～ 3000 倍に相当します。電子とイオンの密度は 10 16～ 10 14 m −3に達します。プラズマ体積の大部分は冷たい中性ガスで構成されているため、プラズマは冷たいです。しかし、非常にエネルギーの高い電子とイオンは原子や分子を励起して短寿命の化学種を大量に生成し、このプラズマを化学的に非常に活性なものにします。

アプリケーション

圧電直接放電プラズマの特性は、医療技術、微生物学、臨床研究など、幅広い分野で応用されています。[ 5 ]典型的な産業用途としては、金属、セラミック、ガラス、プラスチック表面の超微細洗浄やプラズマ活性化が挙げられます。このようなプラズマ処理は表面エネルギーを増加させ、表面の濡れ性と接着性を向上させます。接着性は、その後の印刷や接着の品質を向上させます。[ 6 ]

PDD プラズマ発生器は非常にコンパクトなため、実験室作業用の小型デバイス、ハンドヘルド アプリケーション、オゾン発生器、さらには消費者向け製品まで、適用範囲がさらに広がります。

参照

参考文献

  1. ^ M. TeschkeとJ. Engemann, Contrib. Plasma Phys. 49, 614 (2009)
  2. ^ M. TeschkeとJ. Engemann、US020090122941A1、米国特許出願
  3. ^ CA Rosen、KA Fish、HCRothenberg、米国特許第2,830,274号（1958年4月）
  4. ^ CA Rosen, HW Katz編『固体磁気・誘電体デバイス』（John Wiley & Sons, Inc., London, 1959）pp. 170–197
  5. ^ A. Fridman、G. Friedman、「Plasma Medicine」、Wiley、第1版（2013年2月11日）
  6. ^ MA Lieberman, Al. J. Lichtenberg「プラズマ放電と材料処理の原理」、Wiley-Interscience; 第2版（2005年4月14日）
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