EA045560B1 - METHOD FOR DIAGNOSTIC PLASMA DIELECTRIC BARRIER DISCHARGE - Google Patents

Description

Изобретение относится к области электрофизики, в частности к технике диагностики плазмы, и может быть использовано для оценки состояния плазмы в приборах и устройствах, предназначенных для обработки объектов, включая биообъекты и материалы с целью изменения свойств их поверхностей, а также очистки и дезинфекции.The invention relates to the field of electrophysics, in particular to plasma diagnostic technology, and can be used to assess the state of plasma in instruments and devices intended for processing objects, including biological objects and materials in order to change the properties of their surfaces, as well as cleaning and disinfection.

Известен спектроскопический способ диагностики плазмы, основанный на регистрации и анализе характеристик спектров электромагнитного излучения плазмы [1]. С помощью полученных спектров находят пространственно-временные распределения практически всех параметров плазмы в самых широких диапазонах их значений. Недостатком данного способа является сложность связи параметров плазмы с непосредственно измеряемыми интенсивностями и существенная зависимость от видов статистических распределений частиц и излучения, которые заранее не известны. Поэтому спектроскопические исследования проводятся в три этапа. Сначала устанавливают модель состояния плазмы и выбирают методы диагностики плазмы, допустимые в рамках этой модели, далее эти методы реализуют, а затем интерпретируют полученные результаты измерений и контролируют адекватность модели.There is a known spectroscopic method for plasma diagnostics, based on recording and analyzing the characteristics of the spectra of electromagnetic radiation of the plasma [1]. Using the obtained spectra, the spatiotemporal distributions of almost all plasma parameters are found in the widest ranges of their values. The disadvantage of this method is the difficulty of relating plasma parameters to directly measured intensities and a significant dependence on the types of statistical distributions of particles and radiation, which are not known in advance. Therefore, spectroscopic studies are carried out in three stages. First, a model of the plasma state is established and plasma diagnostic methods acceptable within the framework of this model are selected, then these methods are implemented, and then the obtained measurement results are interpreted and the adequacy of the model is monitored.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является зондовый способ, основанный на активном зондировании исследуемой плазмы током малой интенсивности [2]. Суть способа заключается в том, что в плазму помещают металлический проводник - зонд различной формы: плоской, цилиндрической или сферической. С помощью внешнего источника напряжения задают потенциал зонда относительно одного из инициирующих разряд электродов, чаще всего находящегося под нулевым потенциалом. Регистрируют зависимость тока зонда от подаваемого на него потенциала, т.е. снимают зондовую вольт-амперную характеристику (ВАХ), по которой судят о концентрации электронов плазмы. Недостатком данного типа устройств является то, что ток зонда регистрируется для неустановившегося режима, что приводит к погрешности в определении ВАХ, а следовательно, и в вычислениях концентрации и температуры плазмы.The closest in technical essence to the proposed invention is the probe method, based on active probing of the plasma under study with a low-intensity current [2]. The essence of the method is that a metal conductor - a probe of various shapes: flat, cylindrical or spherical - is placed in the plasma. Using an external voltage source, the probe potential is set relative to one of the electrodes initiating the discharge, which is most often located at zero potential. The dependence of the probe current on the potential applied to it is recorded, i.e. the probe current-voltage characteristic (CVC) is taken, which is used to judge the concentration of plasma electrons. The disadvantage of this type of device is that the probe current is recorded for a transient mode, which leads to an error in determining the current-voltage characteristic and, consequently, in calculations of plasma concentration and temperature.

Задачей данного изобретения является повышение точности диагностики плазмы и количественная оценка состояния плазмы в реальном масштабе времени в стационарном режиме и при взаимодействии с объектами.The objective of this invention is to improve the accuracy of plasma diagnostics and quantitative assessment of the plasma state in real time in a stationary mode and during interaction with objects.

Поставленная задача достигается за счет того, что в предложенном способе диагностики плазмы проводится регистрация зависимостей мгновенных напряжений в первичной U1(t) и/или вторичной U2(t) обмотках повышающего трансформатора, сигнал с которого подастся на первый и второй электроды разрядной системы для генерации плазмы и зависимостей мгновенных токов, протекающих соответственно через первый I1(t) и второй I2(t) электроды разрядной системы, а далее в вычислении на их основе, амплитудно-частотных K(ω) и фазочастотных φ(ω) характеристик системы плазма-объект и электрических мощностей P21=U2xI1, P11=U1xI1, P22=U2xI2, P12=U1xI2, выделяемых на плазме, включая реактивную и активную мощности, далее, согласно известным методам обработки вычисленных характеристик, определяют динамику параметров плазмы.The task is achieved due to the fact that in the proposed method of plasma diagnostics, the dependences of instantaneous voltages in the primary U1(t) and/or secondary U2(t) windings of the step-up transformer are recorded, the signal from which is supplied to the first and second electrodes of the discharge system for plasma generation and dependencies of instantaneous currents flowing respectively through the first I1(t) and second I2(t) electrodes of the discharge system, and then, based on them, calculate the amplitude-frequency K(ω) and phase-frequency φ(ω) characteristics of the plasma-object system and electrical powers P21=U2xI1, P11=U1xI1, P22=U2xI2, P12=U1xI2, released on the plasma, including reactive and active powers, then, according to known methods for processing the calculated characteristics, the dynamics of the plasma parameters are determined.

Сопоставительный анализ с известными способами показывает, что в заявленном изобретении для диагностики плазмы используются электрические сигналы, генерирующие плазму и измеренные в первичной и/или вторичной обмотках повышающего трансформатора. Отсутствие электродов-зондов обеспечивает точность измерений, обработка полученных значений классическими методами электротехники обеспечивает описание динамики состояния плазмы в реальном масштабе времени.A comparative analysis with known methods shows that the claimed invention uses electrical signals that generate plasma and are measured in the primary and/or secondary windings of a step-up transformer for plasma diagnostics. The absence of probe electrodes ensures the accuracy of measurements; processing of the obtained values using classical methods of electrical engineering provides a description of the dynamics of the plasma state in real time.

На фигуре приведена структурная схема устройства генерации и диагностики плазмы диэлектрического барьерного разряда на основе диэлектрического барьерного разряда, которое содержит генератор импульсов 1, формирователь сигнала 2, датчик напряжения в первичной обмотке 3, повышающий трансформатор 4, датчик напряжения во вторичной обмотке 5, первый 6 и второй 7 датчики тока, разрядный блок 8 с первым 9 и вторым 10 электродами, регистратор сигналов 11. Сигнал с выхода генератора импульсов 1 поступает на формирователь сигнала 2, который формирует сигнал с формой, оптимальной для зажигания атмосферной плазмы. Далее сигнал поступает через повышающий трансформатор 4 на первый 9 и второй 10 электроды разрядного блока 8, генерирующего атмосферную плазму диэлектрического барьерного разряда. При этом, значения напряжений сигнала в первичной и/или во вторичной обмотке повышающего трансформатора 4, считанные с датчиков 3 и 5, а также сигналы токов, протекающие через первый 9 и второй 10 электроды разрядного блока 8, считанные соответственно с первого 6 и второго 7 датчиков тока регистрируются в регистраторе сигналов 11. Взаимодействие плазмы с объектом может быть представлено как линейная стационарная система с одним входом (напряжение питания плазмы) и одним выходом (ток питания плазмы). В случае если на сигнал, подаваемый на электроды, накладываются ограничения по изменению частоты, амплитуды, формы, то допустимо считать исследуемую систему линейной. Тогда для диагностики состояния плазмы может быть применим метод на основе расчета передаточной функции и вычисления частотных характеристик цепи в случае допущения линейности исследуемой системы.The figure shows a block diagram of a device for generating and diagnosing a dielectric barrier discharge plasma based on a dielectric barrier discharge, which contains a pulse generator 1, a signal conditioner 2, a voltage sensor in the primary winding 3, a step-up transformer 4, a voltage sensor in the secondary winding 5, the first 6 and second 7 current sensors, discharge unit 8 with first 9 and second 10 electrodes, signal recorder 11. The signal from the output of pulse generator 1 is fed to signal shaper 2, which generates a signal with a shape optimal for igniting atmospheric plasma. Next, the signal arrives through step-up transformer 4 to the first 9 and second 10 electrodes of the discharge unit 8, which generates an atmospheric plasma of a dielectric barrier discharge. In this case, the signal voltage values in the primary and/or secondary winding of the step-up transformer 4, read from sensors 3 and 5, as well as current signals flowing through the first 9 and second 10 electrodes of the discharge unit 8, read respectively from the first 6 and second 7 current sensors are recorded in signal recorder 11. The interaction of plasma with an object can be represented as a linear stationary system with one input (plasma supply voltage) and one output (plasma supply current). If restrictions on changes in frequency, amplitude, and shape are imposed on the signal supplied to the electrodes, then it is permissible to consider the system under study linear. Then, to diagnose the state of the plasma, a method based on calculating the transfer function and calculating the frequency characteristics of the circuit can be applied if the linearity of the system under study is assumed.

Частотные характеристики линейной цепи отражают ее реакцию на гармоническое воздействие. Они определяются комплексной передаточной функций [3]:The frequency characteristics of a linear circuit reflect its response to harmonic influence. They are determined by complex transfer functions [3]:

--

Claims (3)

1. Патент SU 1805350 А1, МПК G01N21/19/ Способ определения характеристик ионизованной среды / Казанцев С.А. СССР. - №4901980/25; заявл. 11.01.1991; опубл. 30.03.1993; бюл. №12.1. Patent SU 1805350 A1, IPC G01N21/19/ Method for determining the characteristics of an ionized medium / Kazantsev S.A. THE USSR. - No. 4901980/25; application 01/11/1991; publ. 03/30/1993; Bulletin No. 12. 1. Регистрация сигналов напряжения U1(t) в первичной и/или i вторичной U2(t) обмотках повышающего трансформатора и сигналов токов, протекающих соответственно через первый I1(t) и второй I2(t) электроды разрядной системы.1. Registration of voltage signals U1(t) in the primary and/or secondary U2(t) windings of the step-up transformer and current signals flowing respectively through the first I1(t) and second I2(t) electrodes of the discharge system. (1) представляющей собой отношение комплексных амплитуд реакции (γΟ'ω) -напряжение или ток на выходе системы) и воздействия (x(jω) - напряжение или ток на входе системы). Значение передаточной функции системы эквивалентно полному представлению динамической связи, существующей между стимулом и реакцией. Комплексную передаточную функцию можно представить в виде:(1) which is the ratio of the complex amplitudes of the reaction (γΟ'ω - voltage or current at the system output) and the impact (x(jω) - voltage or current at the system input). The value of a system's transfer function is equivalent to a complete representation of the dynamic relationship that exists between stimulus and response. The complex transfer function can be represented as: Κ(]ω) = Κ^ω) + jK₂M = Κ(ω) X е^^ш\ (2) где K1( ω) и K₂( ω) - соответственно мнимая и действительная часть передаточной функции, K( ω) амплитудно-частотная и φ(ω) - фазочастотная характеристики. Соответственно K(ω) и φ( ω) определяют в соответствии с выражениями:Κ(]ω) = Κ^ω) + jK ₂ M = Κ(ω) X e^ ^w \ (2) where K1( ω) and K ₂ ( ω) are the imaginary and real parts of the transfer function, respectively, K( ω ) amplitude-frequency and φ(ω) - phase-frequency characteristics. Accordingly, K(ω) and φ(ω) are determined in accordance with the expressions: ^(ω) = Κ^ω² + Κ₂ω (3)^(ω) = Κ^ω ² + Κ ₂ ω (3) К₂ (ω) φ(ω) = actg ——— (4) /<ι(ω)К ₂ (ω) φ(ω) = actng ——— (4) /<ι(ω) Таким образом, построение амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик системы плазма-объект необходимо выполнить в соответствии со следующим алгоритмом.Thus, the construction of the amplitude-frequency and phase-frequency characteristics of the plasma-object system must be performed in accordance with the following algorithm. 2. Патент RU 2051476, МПК Н05Н 1/00, G01N 27/00. Способ диагностики плазмы и устройство для его осуществления / Колесников Н.Л., Васильев Б.А.,ЧуменковВ.П. (Российская Федерация). -№ 5039672/25; заявл. 20.04.1992; опубл. 27.12.1995.2. Patent RU 2051476, IPC N05N 1/00, G01N 27/00. A method for plasma diagnostics and a device for its implementation / Kolesnikov N.L., Vasiliev B.A., Chumenkov V.P. (Russian Federation). -No. 5039672/25; application 04/20/1992; publ. 12/27/1995. 2. Выделение значимой части зарегистрированных сигналов в первичной цепи повышающего трансформатора и во вторичной цепи трансформатора.2. Isolation of a significant part of the recorded signals in the primary circuit of the step-up transformer and in the secondary circuit of the transformer. 3. Вычисление функций в соответствии с уравнениями (1, 2).3. Calculation of functions in accordance with equations (1, 2). 4. Вычисление и построение графиков зависимостей амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик системы плазма-объекта в соответствии с уравнениями (3, 4).4. Calculation and plotting of the dependences of the amplitude-frequency and phase-frequency characteristics of the plasma-object system in accordance with equations (3, 4). 5 Анализ состояния плазмы на основе полученных зависимостей.5 Analysis of the plasma state based on the obtained dependencies. Плазма является нагрузкой источника переменного высокого напряжения в цепи с периодическим источником. Для диагностики состояния плазмы может быть применим анализ на основе определения мощности, выделяемой на нагрузке (плазме). При этом плазма как нагрузка, будет характеризоваться полной мощностью, а также и активной и реактивной составляющей. Также динамика изменения свойств плазмы может быть описана посредством изменения амлитудно-частотных и фазочастотных характеристик нагрузки генератора, которой является сама плазма.Plasma is the load of an alternating high voltage source in a circuit with a periodic source. To diagnose the state of the plasma, an analysis based on determining the power released by the load (plasma) can be used. In this case, plasma as a load will be characterized by total power, as well as active and reactive components. Also, the dynamics of changes in plasma properties can be described by changing the amplitude-frequency and phase-frequency characteristics of the generator load, which is the plasma itself. Таким образом, в изобретении для диагностики плазмы используются электрические сигналы, генерирующую плазму и измеренные в первичной и/или вторичной обмотках повышающего трансформатора. Это не требует дополнительных измерительных зондов, вносимых в плазму, и соответственно обеспечивает более высокую точность измерений. Вычисленные в соответствии с классическими методами электротехники значения мощностей (полной, активной, реактивной), выделяемых на нагрузке-плазме, а также ее амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики, описывают состояние нагрузкиплазмы, а их изменения - динамику изменения плазмы.Thus, the invention uses electrical signals generated by the plasma and measured in the primary and/or secondary windings of a step-up transformer for plasma diagnostics. This does not require additional measuring probes introduced into the plasma, and accordingly provides higher measurement accuracy. Calculated in accordance with classical methods of electrical engineering, the values of power (total, active, reactive) released on the plasma load, as well as its amplitude-frequency and phase-frequency characteristics, describe the state of the plasma load, and their changes - the dynamics of the plasma change. Источники информации.Information sources. 3. Батюков, С.В. Теория электрических цепей: учебно-метод. пособие: в 2 ч. Ч. 2 / С. В. Батюков, Н. А. Иваницкая, Л. К). Шилин. - Минск: БГУИР, 2014.-100 с.. :ил.3. Batyukov, S.V. Theory of electrical circuits: educational method. manual: in 2 hours. Part 2 / S. V. Batyukov, N. A. Ivanitskaya, L. K). Shilin. - Minsk: BSUIR, 2014.-100 p..:ill. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯCLAIM Способ диагностики плазмы, в котором выполняется регистрация зависимостей мгновенных напряжений в первичной U1(t) и/или вторичной U2(t) обмотках повышающего трансформатора, сигнал с которого подается на первый и второй электроды разрядного блока для генерации плазмы, и зависимостей мгновенных токов, протекающих соответственно через первый I1(t) и второй I2(t) электроды разрядной системы, затем вычисляют на их основе амплитудно-частотные K(ω) и фазочастотные φ( ω) характеристики системы плазма-объект, мощности P21=U2xI1, P11=U1xI1, P22=U2xI2, P12=U1xI2, выделяемые на плазме, включая реактивную и активную мощности, далее, согласно известным методам обработки вычисленных характеристик, определяют динамику параметров плазмы.A method for plasma diagnostics, in which the dependences of instantaneous voltages in the primary U1(t) and/or secondary U2(t) windings of a step-up transformer are recorded, the signal from which is supplied to the first and second electrodes of the discharge unit for plasma generation, and the dependences of instantaneous currents flowing respectively, through the first I1(t) and second I2(t) electrodes of the discharge system, then calculate on their basis the amplitude-frequency K(ω) and phase-frequency φ(ω) characteristics of the plasma-object system, powers P21=U2xI1, P11=U1xI1, P22=U2xI2, P12=U1xI2, released in the plasma, including reactive and active powers, then, according to known methods for processing the calculated characteristics, determine the dynamics of plasma parameters. --