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。大気圧を含む広範囲の圧力の空気または他のガスで点火できます。圧電トランスの小型化と効率性により、このプラズマ生成方法は特に小型で効率的かつ安価です。産業、医療、消費者向けアプリケーションに幅広く適用できます。

冷たい非平衡大気圧プラズマは、さまざまな作動ガスの雰囲気中での高電圧放電によって生成できます。次の 3 種類の電気放電は、産業プロセスで最もよく使用されています。

• 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 DC 放電です。強力な電流により、アークの体積は 6,000 ～ 12,000 C の温度で熱平衡に達します。アーク放電は DC モードで持続できますが、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ある、高電界勾配の強い高電界領域で発生します。火花を防ぐために、このような電極は電気アースから離す必要があります。コロナ放電にはかなり高い電圧が必要ですが、放出される電流は低いため、放電電力は低くなります。コロナ放電では DC 動作が標準ですが、AC 動作では電力が増加します。
• 誘電体バリア放電は、誘電体で分離された 2 つの電極に正弦波またはパルス状の高電圧を印加すると、その電極間で発生します。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の電力より大幅に高くなりますが、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、AC 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 1 kW オーダーの高電力が必要になることがよくあります。これにより、オープン電極を備えた高電圧エンクロージャに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に基づく構造により、安全性が向上する可能性があります。同様に、高電圧ジェネレータと放電電極を 1 つのモジュールに組み込むと、ケーブルの誘電損失が低減されます。ただし、これまでのところ、低電力モジュールに基づくシステムに対するコスト効率の高いソリューションは見つかっていません。

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使用します。このトランスの高電圧側は、空気または他の作動ガス中で放電を発生させる電極として機能し、大気圧プラズマを生成します。^{[1] [2]} 圧電トランスは非常にコンパクトで、低電力低電圧AC電源のみを必要とします。これにより、プラズマ発生器全体を非常にコンパクトかつ安価にすることができ、手持ち式プラズマ発生器または費用対効果の高いプラズマ発生器アレイの構築が可能になります。

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は、変圧器のもう一方の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。圧電結晶の寸法によって共振周波数が定義され、その誘電環境によって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、変圧器が共振内で動作し続けるように周波数を継続的に調整します。共振時には、このような変圧器は 5 - 15 kV の電圧で最大 1000 の非常に高い電圧変換係数を提供します。

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持っています。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。開い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一般的な電力は 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。これは、その構成電子、イオン、および中性ガス粒子がそれぞれ異なる運動エネルギー分布を持っていることを意味します。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と分子を励起し、短寿命の化学種を大量に生成するため、このプラズマは化学的に非常に活発になります。

圧電直接放電プラズマの特性により、医療技術、微生物学、臨床研究など幅広い分野で応用が可能です。^[5]代表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などがあります。このようなプラズマ処理により表面エネルギーが増加し、表面の濡れ性と接着性が向上します。接着性により、その後の印刷や接着の品質が向上します。^[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。

• コロナ治療