Pˇrechod z filament´arn´ıho do dif´uzn´ıho m´odu v dielektrick´em bari´erov´em v´yboji
1
Obsah 1 Pˇ rehled 1.1 Historie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Typy dielektrick´ ych bari´erov´ ych v´ yboj˚ u a jejich aplikace 1.2.1 Elektrodov´ a konfigurace objemov´eho DBD . . . 1.2.2 Elektrodov´ a konfigurace povrchov´eho DBD . . . 1.3 Diagnostick´e metody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1 Elektrick´e metody . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2 Emisn´ı diagnostick´e metody . . . . . . . . . . . . 1.4 DBD m´ ody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.1 Filament´ arn´ı m´ od . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.2 Dif´ uzn´ı m´ od . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
3 3 4 4 5 6 6 9 9 9 10
2 Experiment 2.1 Experiment´ aln´ı uspoˇr´ ad´ an´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Rady a doporuˇcen´ı pro pr´ aci s plynov´ ymi l´ahvemi . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Rady a doporuˇcen´ı pro pr´ aci s vysok´ ym napˇet´ım . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13 13 13 14
´ 3 Ukoly
15
4 Ot´ azky
16
Literatura
16
2
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
Kapitola 1
Pˇ rehled 1.1
Historie
Dielektrick´e bari´erov´e v´ yboje (DBD) nebo jen kr´atce bari´erov´e v´ yboje, jsou zn´amy jiˇz v´ıce neˇz sto let. Prvn´ı experimenty provedl v roce 1857 Siemens, kter´ y se zab´ yval generac´ı oz´onu. V´ yboj hoˇrel v kysl´ıku nebo vzduchu mezi dvˇema sklenˇen´ ymi souos´ ymi trubiˇckami tak, ˇze plazma a generovan´ y oz´on nebyli v kontaktu s elektrodami. Um´ıstˇen´ı elektrod pr´avˇe tak, aby nebyly v kontaktu s plazmatem, bylo v t´e dobˇe neobykl´e (obr. 1.1).
Obr´azek 1.1: Sch´ema prvn´ıho DBD reaktoru sestaven´eho Siemensem v roce 1857. V pozdˇejˇs´ı dobˇe Siemens povaˇzoval toto elektrodov´e uspoˇr´ad´an´ı pro generaci oz´onu za jeden ze sv´ ych nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ıch objev˚ u. Je zaj´ımav´e, ˇze tuto konfiguraci nikdy nepatentoval. Nˇekolik let po Siemensovˇe prvn´ı publikaci na toto t´ema, Andrews a Tait v roce 1860 navrhli jm´eno pro tento v´ yboj, tzv. ”tich´ y v´ yboj”, kter´ y je st´ ale ˇcasto pouˇz´ıv´an v anglick´e, nˇemeck´e i francouzsk´e vˇedeck´e literatuˇre (stille Entladung, de´charge silentieuse). Po n´asleduj´ıc´ı desetilet´ı se stala generace oz´onu a tak´e oxidu dus´ıku v DBD pˇredmˇetem podrobn´eho v´ yzkumu. Na zaˇc´atku 20. stolet´ı bylo provedeno mnoho experiment˚ u za u ´ˇcelem zjistit podstatu tich´eho v´ yboje. Warburg (Anglie), Becker (Nˇemecko) a Otto (Francie) v´ yznamnˇe pˇrispˇeli k designu pr˚ umyslov´ ych oz´ onov´ ych gener´ ator˚ u vylepˇsen´ım DBD. D˚ uleˇzit´ y krok k charakterizaci v´ yboje udˇelal inˇzen´ yr Budd, kter´ y zjistil, ˇze elektrick´ y pr˚ uraz za atmosf´erick´eho tlaku mezi rovinn´ ymi rovnobˇeˇzn´ ymi elektrodami pokryt´ ymi dielektrikem se projev´ı v podobˇe velk´eho poˇctu tenk´ ych filament˚ us kr´atkou dobou ˇzivota. Z´ıskal prvn´ı fotografick´e stopy (Lichtenbergovi obrazy) tˇechto mikrov´ yboj˚ u a osciliskopem zaznamenal tak´e pr˚ ubˇeh napˇet´ı a proudu. V´ıce informac´ı o povaze tˇechto mikrov´ yboj˚ u pˇrinesli Klemenc, Suzuki, Honda a Naito, Gorbrecht a Bagirov. V roce 1943 Manley navrhl metodu pro urˇcen´ı ztr´ aty v´ ykonu v DBD pouˇzit´ım Lissajousov´ ych obraz˚ u a odvodil rovnici, kter´a se stala zn´ amou jako ”v´ ykonov´a rovnice pro oz´oniz´atory”a bude detailnˇeji pops´ana pozdˇeji. Tvorba oz´ onu v DBD byla d´ ale zkoum´ana v Evropˇe (Brinerem, Suszem, Luntem), v Rusku (Philippovem), v USA (Devinsem) a v Japonsku (Fujim). 3
ˇ pˇredevˇs´ım o pochopen´ı fyzik´ Slo aln´ıch, chemick´ ych, pˇr´ıpadnˇe plazmo-chemick´ ych proces˚ u v DBD, kter´e pak vedli nejen ke zlepˇsen´ı gener´ator˚ u oz´onu, ale tak´e k nalezen´ı nov´ ych uplatnˇen´ı v pr˚ umyslu. Kromˇe tradiˇcn´ıho pr˚ umyslov´eho pouˇzit´ı pˇri generaci oz´onu pro u ´pravu vody lze bari´erov´e v´ yboje vyuˇz´ıt pro u ´prava povrch˚ u, PECVD, kontrola zneˇciˇstˇen´ı, excitace CO2 laser˚ u a excimern´ıch z´ aˇrivek, a ned´ avno tak´e pouˇzit´ı DBD ve velkoploˇsn´ ych plazmov´ ych obrazovk´ach. Pˇrestoˇze existuj´ı tis´ıce ˇcl´ anku na toto t´ema, kter´e vznikly v pr˚ ubˇehu let, st´ale existuje spousta ot´azek, na kter´e dosud nebyly nalezeny odpovˇedi. Proto je studium generace oz´onu a DBD st´ ale aktu´aln´ı.
1.2
Typy dielektrick´ ych bari´ erov´ ych v´ yboj˚ u a jejich aplikace
Dielektrick´e bari´erov´e v´ yboje mohou b´ yt buzeny pouze stˇr´ıdav´ ym napˇet´ım. Konstrukˇcnˇe je ve v´ ybojov´em prostoru mezi elektrodami vloˇzena jeˇstˇe dielektrick´a vrstva, a dielektrikem jako nevodiˇcem stejnosmˇern´ y proud neproch´ az´ı. Pr˚ urazn´e napˇet´ı takov´eho uspoˇr´ad´an´ı je ˇr´adovˇe stejn´e jako by se jednalo pouze o dvˇe elektrody.V pˇr´ıpadˇe elektrod vzd´alen´ ych nˇekolik mm je pr˚ urazn´e napˇet´ı za atmosf´erick´eho tlaku asi 10kV. Aby doˇslo k pr˚ urazu proudu mezi elektrodami, je tedy tˇreba dostateˇcnˇe vysok´eho napˇet´ı. Jako dielektrikum se pouˇz´ıvaj´ı materi´aly s vysokou dielektrickou pevnost´ı - sklo, kˇremenn´e sklo, keramick´e materi´aly, tenk´a glazura nebo polymern´ı vrstvy. V nˇekter´ ych aplikac´ıch se pouˇz´ıvaj´ı dalˇs´ı ochrann´e nebo funkˇcn´ı vrstvy. Dielektrik´e bari´erov´e v´ yboje mohou b´ yt rozdˇeleny podle nˇekolika parametr˚ u. Napˇr´ıklad podle zp˚ usobu buzen´ı v´ yboje dˇel´ıme DBD na stˇr´ıdav´e, radiofrekvenˇcn´ı nebo mikrovlnn´e, podle uspoˇr´ad´ an´ı elektrod rozliˇsujeme druhy DBD na objemov´e, povrchov´e a koplan´arn´ı.
1.2.1
Elektrodov´ a konfigurace objemov´ eho DBD
Objemov´ y dielektrick´ y bari´erovy v´ yboj generuje plazma v objemu za atmosferick´eho tlaku (ve vzduchu) typicky aˇz do 10−3 m3 , coˇz je mnohem m´enˇe neˇz v pˇr´ıpadˇe n´ızkotklak´ ych reaktor˚ u, kter´e mohou generovat plazma aˇz do 0.5 m3 . V z´avislosti na aplikaci m˚ uˇze b´ yt vzd´alenost elektrod od 0.1 mm aˇz po nˇekolik centimetr˚ u. K zap´alen´ı v´ yboje v mezielektrodov´em prostoru vyplnˇen´eho plynem je tˇreba za atmosferick´eho tlaku napˇet´ı od nˇekolika stovek volt˚ u aˇz do nˇekolika kilovolt˚ u. Bylo vyvinuto nˇekolik elektrodov´ ych uspoˇr´ad´an´ı: plan´arn´ı, hrot a deska, a cylindrick´a konfigurace. Pˇr´ıklady plan´ arn´ıho uspoˇr´ ad´ an´ı jsou na obr´azku 1.2.
Obr´ azek 1.2: Z´ akladn´ı plan´arn´ı eletrodov´e uspoˇr´ad´an´ı v DBD reaktoru. Ve vˇetˇsinˇe v´ yboj˚ u v r˚ uzn´ ych plynech vznikaj´ı po zap´alen´ı v´ yboje za atmosf´erick´eho tlaku (105 Pa) mikrofilamenty. Za atmosf´ery se pracuje pˇri generaci oz´onu, v´ yrobˇe excimer˚ u stejnˇe jako pro ˇciˇstˇen´ı odpadn´ıch plyn˚ u a pro sn´ıˇzen´ı znˇeˇciˇstˇen´ı. Obr´azek 1.3 ukazuje mikrov´ yboje ve vzduchu za atmosferick´eho tlaku pro mezielektrodovou vzd´alenost 1mm (fotografov´ ano skrz pr˚ uhlednou elektrodu). Elektrick´a vodivost ve filamen´arn´ım m´odu je omezena na tyto mikrov´ yboje. Plyn mezi mikrov´ yboji nen´ı ionizov´an a slouˇz´ı jako z´asobn´ık energie, kter´a je odv´ adˇena z mikrov´ yboj˚ u a sb´ır´a a pˇren´aˇs´ı dlouho-ˇz´ıj´ıc´ı ˇc´astice, kter´e v plazmatu vznikly. 4
Obr´azek 1.3: Pohled shora na mikrov´ yboje v atmosferick´em DBD (doba expozice 20ms). V konfiguraci hrot a deska je jedna elektroda mnohem menˇs´ı neˇz druh´a. Sch´ema je na obr´azku 1.4. Toto uspoˇr´ ad´ an´ı se ˇcasto vyuˇz´ıv´ a pˇri opracov´av´an´ı pevn´ ych povrch˚ u. Praktick´ y pˇr´ıklad takov´eho syst´emu m˚ uˇzete vidˇet na obr´ azku 1.5.
Obr´ azek 1.4: Elektrodov´e uspoˇr´ad´an´ı hrot a deska.
Obr´azek 1.5: Praktick´ y pˇr´ıklad aplikace elektrodov´e konfigurace hrot a deska na opracov´an´ı f´oli´ı. U v´alcov´a konfigurace plyny, tekutiny nebo jejich smˇesi prot´ek´aj´ı reaktorem. Typick´e sch´ema v´alcov´e konfigurace je na obr´ azku 1.6. Obr´azek 1.7 ukazuje pr˚ umyslovou ˇcistiˇcku vody, ve kter´e jsou v´alcov´e DBD reaktory pro generaci oz´onu poskl´ ad´ any do matice.
1.2.2
Elektrodov´ a konfigurace povrchov´ eho DBD
Mezi objemov´ ym a povrchov´ ym DBD nen´ı ˇz´adn´ y rozd´ıl t´ ykaj´ıc´ı se fyzik´aln´ıch princip˚ u. Rozd´ıl je sp´ıˇse v konstrukci DBD reaktor˚ u. V pˇr´ıpadˇe povrchov´eho DBD jsou obˇe elektrody um´ıstˇeny v jedn´e desce. Bylo vyvinuto nˇekolik uspoˇr´ad´an´ı. Sch´emata nekter´ ych z nich m˚ uˇzeme vidˇet na 5
Obr´azek 1.6: Sch´ema cylindrick´eho uspoˇr´ad´an´ı DBD: a) dvouv´alcov´e b) v´alec se stˇredn´ı tenkou elektrodou.
Obr´azek 1.7: Pr˚ umyslov´e vyuˇzit´ı v´alcov´eho DBD pro u ´pravu vody pomoc´ı oz´onu. obr´azku 1.8. Z geometrick´eho pohledu je rovinn´a plocha opracov´av´ana mnohem l´epe povrchov´ ym DBD neˇz opbjemov´ ym, protoˇze plazmatu je vyuˇz´ıv´ano mnohem efektivnˇeji a pro stejn´ y pouˇzit´ y v´ ykon je tˇreba m´enˇe ˇcasu na opracov´ an´ı.
Obr´ azek 1.8: Pˇr´ıklady elektrodov´eho uspoˇr´ad´an´ı povrchov´eho DBD.
1.3
Diagnostick´ e metody
C´ılem tohoto pˇrehledu je poskytnout n´ahled do probl´em˚ u t´ ykaj´ıc´ıch se fyziky v dielektrick´ ych bari´erov´ ych v´ yboj´ıch. N´ asleduje pˇrehled hlavn´ıch diagnostick´ ych metod t´ ykaj´ıc´ı se tohoto typu v´ yboje.
1.3.1
Elektrick´ e metody
U diagnostiky elektrick´ ych vlastnost´ı je tˇreba vybaven´ı, kter´e je schopn´e mˇeˇrit vysok´e napˇet´ı (aˇz do 20-25kV peak-to-peak) a n´ızk´e proudy (obvykle do 0.1A peak-to-peak). Pˇrehledov´e sch´ema elektrick´ ych mˇeˇren´ı m˚ uˇzeme vidˇet na obr´azku 1.9. Vysokonapˇet’ov´ y transform´ ator nap´ aj´ı DBD reaktor. Pˇriloˇzen´e napˇet´ı m˚ uˇzeme mˇeˇrit a) pomoc´ı napˇet’ov´eho dˇeliˇce, kter´ y se skl´ ad´ a ze dvou rezistor˚ u, kdy R1 >> R2 anebo b) jej m˚ uˇzeme mˇeˇrit ’ pomoc´ı vysokonapˇet ov´e sondy pˇr´ımo mezi DBD reaktorem a uzemˇen´ım. 6
Obr´azek 1.9: Experiment´ alon´ı uspoˇr´ad´an´ı pro mˇeˇren´ı elektrick´ ych vlastnost´ı DBD. V´ ybojov´ y proud mˇeˇr´ıme koaxi´ aln´ım rezistorem (r) s relativnˇe n´ızk´ ym odporem um´ıstˇen´ ym mezi vnˇejˇs´ı elektrodu a uzemnˇen´ı, kter´ y je zapojen do s´erie s v´ ybojem. Pr˚ ubˇeh proudu a napˇet´ı sledujeme na digit´ aln´ım osciloskopu. Dod´avan´ y v´ ykon do reaktoru m˚ uˇzeme urˇcit pomoc´ı Lissajousov´ ych obrazc˚ u. Lissajousovy obrazce m˚ uˇzeme z´ıskat z osciloskopu, kde na ose X je pˇrenesen´ y n´aboj a na ose Y je pˇriloˇzen´e napˇet´ı. Pˇrenesen´ y n´aboj v testovac´ı komoˇre m˚ uˇzeme mˇeˇrit pomoc´ı kondenz´atoru C0 , kter´ y zapoj´ıme do s´erie s uzemnˇen´ım m´ısto koaxi´ aln´ıho odporu (r). Pˇrepnut´ım pˇrep´ınaˇce do pozice 1 namˇeˇr´ıme proud a pˇrepnut´ım do pozice 2 pak tak´e napˇet´ı(obr´azek 1.9). Elektrick´a energie disipovanou za jednu periodu m˚ uˇzeme vyj´ adˇrit jako: Z
t0 +T /2
W =
v(t)i(t)dt
(1.1)
t0 −T /2
kde T je perioda, i(t) je proud ve v´ ybojov´e komoˇre a v(t) je pˇriloˇzen´e napˇet´ı. Proud prot´ekaj´ıc´ı kondenz´atorem m˚ uˇzeme vyj´ adˇrit dq dvc = C0 (1.2) dt dt kde vc je napˇet´ı na kondenz´ atoru a q je pˇrenesen´ y n´aboj v testovac´ı komoˇre. Potom m˚ uˇzeme spoˇc´ıtat elektrickou energii disipovanou za jednu periodu pomoc´ı n´asleduj´ıc´ı rovnice: i(t) =
Z
t0 +T /2
W =
Z
t0 +T /2
v(t)C0 dvc = t0 −T /2
v(t)dq(t)
(1.3)
t0 −T /2
Z rovnice [3] m˚ uˇzeme vidˇet, ˇze energie spotˇrebov´ana behˇem jedn0 periodz je rovna ploˇse v Lissajousov´em obrazci. V´ ykon dod´ avan´ y do v´ yboje m˚ uˇzeme spoˇc´ıtat vyn´asoben´ım t´eto plochy frekvenc´ı pˇriloˇzen´eho napˇet´ı P = fW
(1.4)
Lissajousovy obrazce jsou pouˇz´ıv´ any pro v´ ypoˇcet nebo optimalizaci dod´avan´eho v´ ykonu. Pˇr´ıklad Lissajousov´eho obrazce m˚ uˇzeme vidˇet na obr´azku 1.10. Pr˚ ubˇeh proudu charakterizuje m´ ody v DBD a je zaznamen´av´am i s pr˚ ubˇehem pˇriloˇzen´eho napˇet´ı, viz. obr´ azek 1.11.
7
Obr´azek 1.10: Lissajousovy obrazce DBD pro dvˇe r˚ uzn´e mezielektrodov´e vzd´alenosti.
Obr´ azek 1.11: Charakteristick´ y pr˚ ubˇeh napˇet´ı a proudu v DBD.
8
1.3.2
Emisn´ı diagnostick´ e metody
Opticko-emisn´ı diagnostika se stala z´ akladn´ım n´astrojem pro popis komplexn´ıch proces˚ u v plazmatu. Excitace tˇeˇzk´ ych ˇc´ astic (atom˚ u, molekul, iont˚ u a radik´al˚ u) prob´ıh´a v kaˇzd´em plazmatu. Existuje nˇekolik moˇznost´ı pˇrenosu excitaˇcn´ı energie: i) sr´aˇzkami nebo ii) vyz´aˇren´ım fotonu. Energie fotonu excitovan´e ˇc´astice spad´ a do oblasti viditeln´eho nebo bl´ızk´eho ultrafialov´eho/infraˇcerven´eho z´aˇren´ı. Pˇri opticko-emisn´ı diagnostice je tˇreba um´ıstit vstupn´ı ˇstˇerbinou co nejbl´ıˇze k plazmatu. Z namˇeˇren´ ych emisn´ıch spekter m˚ uˇzeme zjistit informace o hustotˇe ˇc´astic, o jejich teplotˇe ( vibraˇcn´ı, rotaˇcn´ı, elektronov´e), rozdˇelovac´ı fuknci a sloˇzen´ı plazmatu. Pr´avˇe monitorov´an´ı a identifikace jednotliv´ ych ˇc´ astic v plazmatu za r˚ uzn´ ych podm´ınek m˚ uˇze hr´at d˚ uleˇzitou roli pro pochopen´ı proces˚ u v plazmatu a n´ aslednˇe jejich vliv na opracov´avan´ y povrch materi´al˚ u, kter´ y je v kontaktu s plazmatem. Optick´ a emisn´ı spektroskopie je d˚ uleˇzit´ ym n´astrojem pro charakterizaci DBD nejen za atmosferick´eho tlaku. Tato metoda je neinvazivn´ı a tud´ıˇz n´am neovlivˇ nuje plazma. V urˇcit´ ych pˇr´ıpadech je vhodnˇejˇs´ı zvolit absorpˇcn´ı diagnostiku, kter´a n´am m˚ uˇze zajistit mnohem lepˇs´ı n´ahled na parametry plazmatu neˇz emisn´ı diagnostika, pˇrestoˇze plazma ovlivˇ nuje.
1.4
DBD m´ ody
Existuj´ı dva typy m´ od˚ u v atmosferick´em DBD plazmatu - filament´arn´ı a dif´ uzn´ı. Dif´ uzn´ıho DBD m˚ uˇzeme dos´ahnout ve dvou r˚ uzn´ ych v´ yboj´ıch: atmosferick´em Townsendovsk´em v´ yboji (APTD) a atmosferick´em doutnav´em v´ yboji (APGD). Vlastnosti a rozd´ıly mezi tˇemito m´ody jsou pops´any n´ıˇze.
1.4.1
Filament´ arn´ı m´ od
V roce 1932 si inˇzen´ yr Buss vˇsiml, ˇze se pˇri elektrick´em pr˚ urazu mezi dvˇema rovinn´ ymi elektrodami pokryt´ ymi dielektrikem objevuje velk´e mnoˇzstv´ı jasn´ ych proudov´ ych filament˚ u. Asi o deset let pozdˇeji byl prezentov´ an mechanismus zap´alen´ı v´ yboje za vyˇsˇs´ıho tlaku (pr˚ uraz streameru - Kanaldurchbruch), kter´ y je odliˇsn´ y od Townsendovsk´eho mechanismu zap´alen´ı v´ yboje pro n´ızkotlak´ y doutnav´ y v´ yboj. Za atmosferick´eho tlaku (d´ıky vˇetˇs´ı pravdˇepodobnosti sr´aˇzek) m˚ uˇze doj´ıt na ˇspiˇcce rostouc´ı elektronov´e laviny k v´ yrazn´emu n´ arustu koncentrace n´aboje. Rychlost streamer˚ u je v cm/s a d´elka hlavy streameru vˇcetnˇe v´ ysledn´eho ionizovan´eho kan´alu je v jednotk´ach centimetr˚ u. Redukovan´e pole E/n dosahuje v hlavˇe streameru podle numerick´eho modelu 500 aˇz 800Td, coˇz je hodnota nˇekolikr´at vˇetˇs´ı neˇz pˇri pr˚ urazu - od 100 do 200Td. Rostouc´ı elektronov´a lavina smˇeˇruje k anodˇe, vytvoˇr´ı streamer, pot´e iniciuje streamer m´ıˇr´ıc´ı ke katodˇe a nakonec zformuje vodiv´ y mikrokan´ al (viz. obr´azek 1.12).
Obr´ azek 1.12: Mikrokan´alky v objemov´em DBD. Poˇc´atek pr˚ urazu v bari´erov´em v´ yboji jsou podobn´e tˇem bez dielektrika. Zp˚ usob ˇs´ıˇren´ı streamr˚ u v dan´e elektrodov´e konfiguraci m˚ uˇzeme simulovat ˇreˇsen´ım 2-D hydrodynamick´ ych rovnic pro neutr´aln´ı a nabit´e ˇc´ astice sv´ azan´e s Poissonovou rovnic´ı urˇcuj´ıc´ı elektrick´e pole. Zda DBD pracuje ve filament´ arn´ım m´odu m˚ uˇzeme zjistit vlastn´ım okem. Nicm´enˇe lidsk´e oko nen´ı vhodn´ ym n´ astrojem pro diagnostiku v´ yboje, proto se prov´adˇej´ı elektrick´a mˇeˇren´ı, kter´ a pom´ahaj´ı pochopit podstatu vzniku v´ yboje. Na obr´azku 1.13 vid´ıme typickou z´avislost proudu na 9
ˇcase ve filament´ arn´ıho m´ odu. Vˇsimnˇeme si mal´ ych p´ık˚ u v pr˚ ubˇehu proudu pˇri zvyˇsov´an´ı napˇet´ı. Pˇr´ıtomnost tˇechto p´ık˚ u je experiment´ aln´ım d˚ ukazem, ˇze v´ yboj pracuje ve filament´arn´ım m´odu.
Obr´ azek 1.13: Z´ avislost proudu na ˇcase pro filament´arn´ı m´od.
1.4.2
Dif´ uzn´ı m´ od
Dif´ uzn´ı m´od dielektrick´eho bari´erov´eho v´ yboje byl ve srovn´an´ı s filament´arn´ım m´odem pozorov´ an relativnˇe ned´ avno. V tomto m´ odu plazma hoˇr´ı v cel´em mezielektrodov´em prostoru. V typick´e z´avislosti proudu na ˇcase nevid´ıme mal´e p´ıky v pr˚ ubˇehu proudu pˇri zvyˇsov´an´ı napˇet´ı, jak se m˚ uˇzeme pˇresvˇedˇcit na obr´ azku 1.14.
Obr´ azek 1.14: Z´ avislost proudu na ˇcase pro dif´ uzn´ı m´od. V z´avislosti na pracovn´ım plynu nebo geometrick´em uspoˇr´ad´an´ı reaktoru pozorujeme dva typy dif´ uzn´ıho DBD za atmosferick´eho tlaku: atmosferick´ y Townsend˚ uv v´ yboj (APTD) a atmosferick´ y doutnav´ y v´ yboj (APGD). Nejjednuˇseji m˚ uˇzeme tyto dva v´ yboje porovnat, kdyˇz pouˇzijeme jako pracovn´ı plyn dus´ık a helium. Obr´ azek 1.15 ukazuje, jak se mˇen´ı proud v z´avislosti na ˇcase pro tyto pracovn´ı plyny. Rozd´ıl mezi filament´ arn´ım a dif´ uzn´ım m´odem je patrnˇe ve vyˇsˇs´ı energii elektron˚ u, coˇz umoˇzn ˇuje tvorbu a excitaci v´ıce ˇc´ astic a emitov´ an´ı svˇetla v objemu plazmatu. Srovn´an´ı emisn´ıch spekter z FDBD a GDBD reaktor˚ u je na obr´ azku 1.16, na kter´em vid´ıme vyˇsˇs´ı intenzitu a vˇetˇs´ı mnoˇzstv´ı identifikovateln´ ych ˇc´ astic pro stejn´e podm´ınky. Pˇri poˇr´ızen´ı fotografi´ı tohoto v´ yboje pomoc´ı rychl´e kamery byly pozorov´any r˚ uzn´e svˇeteln´e vzory. V pˇr´ıpadˇe APGD byla pozorov´ ana struktura typick´a pro n´ızkotlak´ y doutnav´ y v´ yboj s oblastmi o vyˇsˇs´ım a niˇzˇzˇs´ım jasu (obr. 1.17a). V pˇr´ıpadˇe APTD vid´ıme Townsendovsk´ y ionizaˇcn´ı mechanismus v objemu plazmatu, coˇz vede k jasn´emu svˇetlu na anodˇe (obr. 1.17b). Rozd´ıl v mechanismu ionizace ma tak´e vliv na parametry plazmatu. Byla vˇenov´ano velk´ a pozornost nejen studiu plazmov´ ych parametr˚ u v z´avislosti na typu dif´ uzn´ıho DBD ale tak´e para10
Obr´ azek 1.15: V´ yvoj proudu pro dif´ uzn´ı DBD v He a N2 .
Obr´ azek 1.16: Z´ avislost proudu na ˇcase pro dif´ uzn´ı m´od.
Obr´ azek 1.17: Fotografie emise z´aˇren´ı p˚ ulperiody napˇet´ı pro a) He a b) N2
11
metr˚ um reaktoru. Napˇr´ıklad ˇr´ızen´ım pomˇeru mezi dus´ıkem a heliem m˚ uˇzeme dos´ahnout r˚ uzn´ ych m´od˚ u DBD, viz obr. 1.18.
Obr´ azek 1.18: Vliv pracovn´ıho plynu na DBD m´od.
12
Kapitola 2
Experiment 2.1
Experiment´ aln´ı uspoˇ r´ ad´ an´ı
Bˇehem tohoto experimentu sestav´ıte DBD reaktor, ve kter´em budete mˇeˇrit nˇekter´e jeho vlastnosti v z´avislosti na zvolen´e geometrii, v´ ykonu a pracovn´ım plynu. Sch´ema experiment´aln´ıho uspoˇr´ad´ an´ı naleznete na obr´ azku 2.1.
Obr´azek 2.1: Experiment´ aln´ı uspoˇr´ ad´ an´ı. 1 - gener´ator funkc´ı, 2 - zesilovaˇc proudu a transform´ator, 3 - plazmov´ y reaktor.
2.2
Rady a doporuˇ cen´ı pro pr´ aci s plynov´ ymi l´ ahvemi
1. Informujte vedouc´ıho praktika neˇz budete pracovat s pˇr´ıvodem plynu. 2. Bˇehem pr´ ace pouˇz´ıvejte jen dus´ık anebo argon. Pˇr´ıvodu plynu otev´ırejte jen po zapojen´ı pˇr´ıvodu a odtahu plynu z komory. 3. Pouˇz´ıvejte plyn rozumnˇe. Pˇr´ıvod plynu zavˇrete po ukonˇcen´ı mˇeˇren´ı. 4. Nepouˇz´ıvejte s´ılu k uzavˇren´ı pˇr´ıvodu plynu. M˚ uˇzete jej zniˇcit.
13
2.3
Rady a doporuˇ cen´ı pro pr´ aci s vysok´ ym napˇ et´ım
1. Nezap´ınejte vysok´e napˇet´ı bez pˇredeˇsl´e konzultace s vedouc´ım praktika. 2. Po ukonˇcen´ı kaˇzd´eho mˇeˇren´ı nejdˇr´ıve vypnˇete gener´ator. 3. Otev´ırejte nebo prov´ adˇejte jak´ekoliv zmˇeny pouze, kdyˇz je vysok´e napˇet´ı vypnut´e.
14
Kapitola 3
´ Ukoly 1. Zapojte elektrick´e komponenty a pˇripojte pˇr´ıvod plynu. Pot´e konzultujte s vedouc´ım praktika. 2. Nastavte DBD syst´em. 3. Promˇeˇrte z´ avislosti a) proudu na ˇcase a b) Lissajousov´ ych obrazc˚ u podle zad´an´ı vedouc´ıho praktika. (a) v z´ avislosti na pracovn´ım plynu (b) v z´ avislosti na frekvenci sign´ alu (c) v z´ avislosti na mezielektrodov´em prostoru 4. Po ukonˇcen´ı mˇeˇren´ı vypnˇete nejdˇr´ıve vysok´e napˇet´ı a pot´e pˇr´ıvod plynu. 5. V protokolu shrˇ nte teoretick´ y pˇrehled, pouˇzit´e diagnostick´e metody, experiment´aln´ı v´ ysledky (vˇcetnˇe v´ ypoˇctu dod´ avan´eho v´ ykonu do v´ yboje), kter´e diskutujte.
15
Kapitola 4
Ot´ azky 1. Co je dielektrick´ y bari´erov´ y v´ yboj? 2. Popiˇste mˇeˇr´ıc´ı metody vhodn´e pro diagnostiku atmosferick´eho dielektrick´eho bari´erov´eho v´ yboje. 3. Co si mysl´ıte o pouˇzit´ı emisn´ı diagnostiky pˇri anal´ yze v´ yboje za sn´ıˇzen´eho a atmosferick´eho tlaku? Jak´e pot´ıˇze mohou nastat? 4. Popiˇste filament´ arn´ı m´ od v DBD? 5. Kter´ y typ dif´ uzn´ıho DBD (APTD nebo APGD) se pouˇz´ıv´a v pr˚ umyslu a proˇc? 6. Proˇc je objemov´ y DBD pouˇz´ıv´ a ve v´ yzkumn´ ych laboratoˇr´ıch? 7. Jmenujte rovnice pouˇz´ıvan´e pro modelov´an´ı DBD plazmatu. 8. Proˇc je vhodn´e pouˇz´ıt Rogovsk´eho c´ıvku pro mˇeˇren´ı proudu? 9. Na z´akladˇe v´ ysledk˚ u diskutujte moˇzn´e aplikace DBD.
16
Literatura [1] U. Kogelschatz. Dielectric-barrier Discharges: Their History, Discharge Physics, and Industrial Applications. Plasma Chemistry and Plasma Processing, 23 (2003), 1–45. [2] Z. Fang, Y. Qiu, Y. Sun, H. Wang, K. Edmund. Experimental study on discharge characteristics and ozone generation of dielectric barrier discharge in a cylinder–cylinder reactor and a wire–cylinder reactor. Journal of Electrostatics, 66 (2008) 421–426. [3] K.G. Kostov, R. Y. Honda, L.M.S. Alves, and M.E. Kayama. Characteristics of Dielectric Barrier Discharge Reactor for Material Treatment. Brazilian Journal of Physics, 39, 2, 2009. [4] N. Gherardi, G. Gouda, E. Gat, A. Ricard, F. Massines. Transition from glow silent discharge to micro-discharges in nitrogen gas. Plasma Sources Sci. Technol., 9 (2000) 340–346. [5] B. Eliasson, U. Kogelschatz. Modeling and Applications of Silent Discharge Plasmas. IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 19, no. 2, 1991. [6] U. Kogelschatz. Filamentary, Patterned, and Diffuse Barrier Discharges. IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 30, no. 4, 2002. [7] L. Xue-Chen, L. Zhi-Hui, J. Peng-Ying, L. Li-Chun, Y. Zeng-Qian, D. Li-Fang. Study on the transition from filamentary discharge to diffuse discharge by using a dielectric barrier surface discharge device. Chinese Physics, vol. 16, no. 10, 2007. [8] F. Massines, P. Segur, N. Gherardi, C. Khamphan, A. Ricard. Physics and chemistry in a glow dielectric barrier discharge at atmospheric pressure: diagnostics and modelling. Surface and Coatings Technology, 174 –175 (2003) 8–14. [9] R. Brandenburg, Z. Navratil, J. Jansky, P. Stahel, D. Trunec, H. E. Wagner. The transition between different modes of barrier discharges at atmospheric pressure. J. Phys. D: Appl. Phys., 42 (2009) 085208 (10pp). [10] U. Kogelschatz. Collective phenomena in volume and surface barrier discharges. Journal of Physics: Conference Series, 257 (2010) 012015. [11] H.-E. Wagner, R. Brandenburg, K.V. Kozlov, A. Sonnenfeld, P. Michel, J.F. Behnke. The barrier discharge: basic properties and applications to surface treatment. Vacuum, 71 (2003) 417–436. [12] A. Chirokov, A. Gutsol, A. Fridman. Atmospheric pressure plasma of dielectric barrier discharges. Pure Appl. Chem.,vol. 77, no. 2, (2005), pp. 487–495. [13] R. Valdivia-Barrientos, J. Pacheco-Sotelo, M. Pacheco-Pacheco, J. S. BenitezRead, R. Lopez-Callejas. Analysis and electrical modelling of a cylindrical DBD configuration at different operating frequencies. Plasma Sources Sci. Technol., 15 (2006) 237–245. 17
[14] P. Rajasekaran, P. Mertmann, N. Bibinov, D. Wandke, W. Viol, P. Awakowicz. DBD plasma source operated in single-filamentary mode for therapeutic use in dermatology. J. Phys. D: Appl. Phys., 42 (2009) 225201 (8pp). [15] J. Rahel, D. M. Sherman. The transition from a filamentary dielectric barrier discharge to a diffuse barrier discharge in air at atmospheric pressure. J. Phys. D: Appl. Phys., 38 (2005) 547–554.
18
