Décharge barrière diélectrique - Dielectric barrier discharge
La décharge à barrière diélectrique ( DBD ) est la décharge électrique entre deux électrodes séparées par une barrière diélectrique isolante. Appelée à l'origine décharge silencieuse (inaudible) et également connue sous le nom de décharge de production d' ozone ou décharge partielle , elle a été signalée pour la première fois par Ernst Werner von Siemens en 1857.
Traiter
Le processus utilise normalement un courant alternatif à haute tension , allant des fréquences RF inférieures aux micro- ondes. Cependant, d'autres méthodes ont été développées pour étendre la gamme de fréquences jusqu'au courant continu. Une méthode consistait à utiliser une couche à haute résistivité pour recouvrir l'une des électrodes. C'est ce qu'on appelle la décharge à barrière résistive. Une autre technique utilisant une couche semi-conductrice d'arséniure de gallium ( GaAs ) pour remplacer la couche diélectrique, permet à ces dispositifs d'être pilotés par une tension continue comprise entre 580 V et 740 V.
Construction
Les dispositifs DBD peuvent être réalisés dans de nombreuses configurations, typiquement planes, en utilisant des plaques parallèles séparées par un diélectrique ou cylindrique, en utilisant des plaques coaxiales avec un tube diélectrique entre elles. Dans une configuration coaxiale commune, le diélectrique a la même forme que le tube fluorescent commun . Il est rempli à pression atmosphérique d'un gaz rare ou d'un mélange d' halogénures rares , les parois en verre faisant office de barrière diélectrique. En raison du niveau de pression atmosphérique, de tels processus nécessitent des niveaux d'énergie élevés pour se maintenir. Les matériaux diélectriques courants comprennent le verre, le quartz, la céramique et les polymères. La distance entre les électrodes varie considérablement, de moins de 0,1 mm dans les écrans plasma, de plusieurs millimètres dans les générateurs d'ozone et jusqu'à plusieurs centimètres dans les lasers CO 2 .
Selon la géométrie, DBD peut être généré dans un volume (VDBD) ou sur une surface (SDBD). Pour le VDBD, le plasma est généré entre deux électrodes, par exemple entre deux plaques parallèles avec un diélectrique entre elles. Au SDBD, les microdécharges sont générées à la surface d'un diélectrique, ce qui donne un plasma plus homogène que ce qui peut être obtenu en utilisant la configuration VDBD. Le plasma est généré au-dessus de la surface d'une plaque SDBD. Pour allumer facilement le VDBD et obtenir une décharge uniformément répartie dans l'entrefer, un DBD de pré-ionisation peut être utilisé.
Un générateur de plasma DBD particulièrement compact et économique peut être construit sur la base des principes de la décharge directe piézoélectrique . Dans cette technique, la haute tension est générée avec un piézo-transformateur, dont le circuit secondaire sert également d'électrode haute tension. Étant donné que le matériau du transformateur est un diélectrique, la décharge électrique produite ressemble aux propriétés de la décharge à barrière diélectrique.
Opération
Une multitude d'arcs aléatoires se forment en fonctionnement entre les deux électrodes, dépassant 1,5 mm lors des décharges dans les gaz à la pression atmosphérique. Au fur et à mesure que les charges s'accumulent à la surface du diélectrique, elles se déchargent en microsecondes (millionièmes de seconde), conduisant à leur reformation ailleurs sur la surface. Semblable à d'autres méthodes de décharge électrique, le plasma contenu est maintenu si la source d'énergie continue fournit le degré d' ionisation requis , surmontant le processus de recombinaison conduisant à l'extinction du plasma de décharge. De telles recombinaisons sont directement proportionnelles aux collisions entre les molécules et à leur tour à la pression du gaz, comme l'explique la loi de Paschen . Le processus de décharge provoque l'émission d'un photon énergétique dont la fréquence et l'énergie correspondent au type de gaz utilisé pour combler l'espace de décharge.
Applications
Utilisation du rayonnement généré
Les DBD peuvent être utilisés pour générer un rayonnement optique par la relaxation d'espèces excitées dans le plasma. L'application principale ici est la génération de rayonnement UV. De telles lampes à ultraviolets excimères peuvent produire de la lumière avec de courtes longueurs d'onde qui peuvent être utilisées pour produire de l' ozone à des échelles industrielles. L'ozone est encore largement utilisé dans le traitement industriel de l'air et de l'eau. Au début du 20e siècle, les tentatives de production commerciale d'acide nitrique et d'ammoniac utilisaient des DBD, car plusieurs composés azote-oxygène sont générés en tant que produits de rejet.
Utilisation du plasma généré
Depuis le 19ème siècle, les DBD étaient connus pour leur décomposition de différents composés gazeux, tels que NH 3 , H 2 S et CO 2 . D'autres applications modernes incluent la fabrication de semi-conducteurs, les procédés germicides, le traitement de surface des polymères, les lasers CO 2 haute puissance généralement utilisés pour le soudage et le coupage des métaux, le contrôle de la pollution et les panneaux d'affichage à plasma , le contrôle du débit aérodynamique ... La température relativement basse des DBD en fait un méthode intéressante de génération de plasma à pression atmosphérique.
Industrie
Le plasma lui-même est utilisé pour modifier ou nettoyer ( nettoyage au plasma ) les surfaces de matériaux (par exemple, polymères , surfaces semi - conductrices ), qui peuvent également agir comme barrière diélectrique, ou pour modifier les gaz appliqués ultérieurement au nettoyage au plasma « doux » et à l'augmentation de l' adhérence des surfaces préparées pour l'enduction ou le collage ( technologies d' affichage à écran plat ).
Une décharge à barrière diélectrique est une méthode de traitement plasma des textiles à pression atmosphérique et à température ambiante. Le traitement peut être utilisé pour modifier les propriétés de surface du textile pour améliorer la mouillabilité , améliorer l' absorption des colorants et l' adhérence , et pour la stérilisation . Le plasma DBD fournit un traitement à sec qui ne génère pas d'eaux usées et ne nécessite pas de séchage du tissu après traitement. Pour le traitement textile, un système DBD nécessite quelques kilovolts de courant alternatif, compris entre 1 et 100 kilohertz. Une tension est appliquée à des électrodes isolées avec un espace millimétrique à travers lequel passe le textile.
Une lampe à excimère peut être utilisée comme source puissante de lumière ultraviolette à courte longueur d'onde, utile dans les processus chimiques tels que le nettoyage de surface des plaquettes semi-conductrices. La lampe repose sur une décharge à barrière diélectrique dans une atmosphère de xénon et d'autres gaz pour produire les excimères.
Traitement de l'eau
Un processus supplémentaire lors de l'utilisation de chlore gazeux pour l'élimination des bactéries et des contaminants organiques dans les approvisionnements en eau potable. Le traitement des bains publics, des aquariums et des étangs piscicoles implique l'utilisation de rayonnement ultraviolet produit lorsqu'un mélange diélectrique de gaz xénon et de verre est utilisé.
Modification de surface des matériaux
Une application où les DBD peuvent être utilisés avec succès consiste à modifier les caractéristiques d'une surface de matériau. La modification peut viser un changement de son hydrophilie, l'activation de surface, l'introduction de groupes fonctionnels, etc. Les surfaces polymères sont faciles à traiter à l'aide de DBD qui, dans certains cas, offrent une zone de traitement élevée.
Médicament
Les décharges à barrière diélectrique ont été utilisées pour générer des plasmas diffus de volume relativement important à pression atmosphérique et appliquées pour inactiver les bactéries au milieu des années 1990. Cela a finalement conduit au développement d'un nouveau domaine d'applications, les applications biomédicales des plasmas. Dans le domaine des applications biomédicales, trois approches principales ont émergé : la thérapie directe, la modification de surface et le dépôt de polymère plasma. Les polymères plasmatiques peuvent contrôler et orienter les interactions biologiques-biomatériaux (c'est-à-dire l'adhésion, la prolifération et la différenciation) ou l'inhibition de l'adhésion des bactéries.
Aéronautiques
L'intérêt pour les actionneurs à plasma en tant que dispositifs de contrôle de débit actif augmente rapidement en raison de leur manque de pièces mécaniques, de leur poids léger et de leur fréquence de réponse élevée.
Propriétés
De par leur nature, ces appareils ont les propriétés suivantes :
- charge électrique capacitive : faible facteur de puissance dans une plage de 0,1 à 0,3
- haute tension d'allumage 1-10 kV
- énorme quantité d'énergie stockée dans le champ électrique - exigence de récupération d'énergie si DBD n'est pas entraîné en continu
- les tensions et les courants pendant l'événement de décharge ont une influence majeure sur le comportement de la décharge (filamentée, homogène).
Le fonctionnement avec des ondes sinusoïdales continues ou des ondes carrées est principalement utilisé dans les installations industrielles de forte puissance. Le fonctionnement pulsé des DBD peut conduire à des rendements de décharge plus élevés.
Circuits de conduite
Les pilotes pour ce type de charge électrique sont des générateurs HF de puissance qui, dans de nombreux cas, contiennent un transformateur pour la génération de haute tension. Ils ressemblent aux appareils de commande utilisés pour faire fonctionner les lampes fluorescentes compactes ou les lampes fluorescentes à cathode froide . Le mode de fonctionnement et les topologies des circuits pour faire fonctionner les lampes [DBD] avec des ondes sinusoïdales ou carrées continues sont similaires à ceux des pilotes standard. Dans ces cas, l'énergie stockée dans la capacité du DBD n'a pas à être récupérée dans l'alimentation intermédiaire après chaque allumage. Au lieu de cela, il reste dans le circuit (oscille entre la capacité du [DBD] et au moins un composant inductif du circuit) et seule la puissance réelle , qui est consommée par la lampe, doit être fournie par l'alimentation. Différemment, les pilotes pour fonctionnement pulsé souffrent d'un facteur de puissance plutôt faible et doivent dans de nombreux cas récupérer complètement l'énergie du DBD. Étant donné que le fonctionnement pulsé des lampes [DBD] peut conduire à une efficacité accrue des lampes, des recherches internationales ont conduit à des concepts de circuits adaptés. Les topologies de base sont le flyback résonant et le demi-pont résonant . Un circuit flexible, qui combine les deux topologies est donné dans deux demandes de brevet, et peut être utilisé pour piloter de manière adaptative des DBD avec une capacité variable.
Un aperçu des différents concepts de circuits pour le fonctionnement pulsé des sources de rayonnement optique DBD est donné dans "Comportement résonant des générateurs d'impulsions pour l'entraînement efficace des sources de rayonnement optique basées sur les décharges de barrière diélectrique".