WO2023078872A1 - Method and device for generating plasma with increased pulse energy by means of dielectrically impeded electric discharges - Google Patents

Method and device for generating plasma with increased pulse energy by means of dielectrically impeded electric discharges Download PDF

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WO2023078872A1
WO2023078872A1 PCT/EP2022/080455 EP2022080455W WO2023078872A1 WO 2023078872 A1 WO2023078872 A1 WO 2023078872A1 EP 2022080455 W EP2022080455 W EP 2022080455W WO 2023078872 A1 WO2023078872 A1 WO 2023078872A1
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electrode
collecting element
edge length
collecting
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PCT/EP2022/080455
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Jannik Schulz
Mario Hesse
Wolfgang Viöl
Original Assignee
Hochschule Für Angewandte Wissenschaft Und Kunst Hildesheim/Holzminden/Göttingen
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    • H05H2245/40—Surface treatments

Definitions

  • the invention relates to a method for generating plasmas by means of dielectric barrier electrical discharges and also to a device for carrying out such a method.
  • Dielectrically impeded electrical discharges are electrical gas discharges in which a resulting discharge current is limited by a dielectric shielding of at least one electrode to which a voltage causing the discharges is applied. Therefore, dielectric barrier electrical discharges are only maintained with a changing voltage, but not with a DC voltage applied to the electrode.
  • DE 10 2011 050 631 A1 discloses a device for generating dielectrically impeded electrical discharges with an AC high-voltage source and with a plurality of stretched metal electrode bodies coupled to the same output of the AC high-voltage source.
  • the plurality of electrode bodies are individually capacitively coupled to the output of the AC high voltage source by facing a high voltage bus connected to the output with the interposition of a dielectric solid.
  • the several elongated electrode bodies form the tines of a comb that can be used to combat hair lice. The hair lice are killed when they get in the area of the electric discharge filaments emanating from the tips of the stretched electrode bodies.
  • DE 10 2015 108 884 A1 discloses a device for plasma treatment of an object, in particular a strip-shaped object, with an electrode and a counter-electrode made of electrically conductive material and with an alternating high-voltage generator.
  • the purpose of the alternating high voltage generator is to use an alternating high voltage to induce electrical gas discharges between the electrode and the counter-electrode.
  • a dielectric barrier is connected in series with the gas discharge in order to impede the gas discharge dielectrically.
  • the electrode and the counter-electrode are arranged next to one another in a contact casing of a roller which is rotatably mounted for contacting the object to be treated.
  • the contact jacket has a cover layer made of dielectric material that covers the electrode and the counter-electrode.
  • a linear ignition electrode Arranged above the electrode and above the counter-electrode is a linear ignition electrode made of electrically conductive material, which is separated from the electrode and the counter-electrode by the cover layer and is exposed on the outer circumference of the contact jacket.
  • the ignition electrodes couple capacitively to the electrode or counter-electrode below them, and field peaks of the electrical field form towards them over the contact jacket. These field peaks ensure reliable ignition of the gas discharges between the areas of the contact jacket defined by the ignition electrodes. Due to the current flowing through the gas discharges, the field peaks on the ignition electrodes balance out so that their presence does not prevent the gas discharges from being evenly distributed over the contact jacket.
  • DE 10 2006 011 312 A1 discloses a device for plasma treatment with an electrode, in front of which a dielectric shield is arranged, and an alternating high voltage source in order to apply an alternating high voltage to the electrode.
  • the AC high voltage induces dielectric barrier gas discharges to generate a plasma in a gas at atmospheric pressure located in front of the dielectric shield.
  • the electrode has a two-dimensional extended surface over which the AC high voltage applied to the electrode from the AC high voltage source sustains the plasma across the surface of the electrode.
  • the surface of the electrode and/or a surface of the dielectric shield has tips facing the gas in front of the dielectric shield. The peaks are provided in an areal distribution.
  • the AC high voltage applied to the electrode from the AC high voltage source has a steep voltage rise of at least 5,000 V/ps.
  • the tips of the electrode can be realized by forming the electrode from an electrically conductive powder, for example a bronze powder.
  • DE 10 2013 112 316 A1 discloses a piezoelectric transformer with a surface structure that has protruding surface structure segments. The width of each surface structure segment is smaller than the width of the piezoelectric transformer.
  • the surface structure is designed in such a way that a gas discharge caused by the transformer in conjunction with a counter-electrode starts at a large number of discharge initiation points on the surface structure.
  • a device for generating a gas discharge with a piezoelectric transformer and a discharge structure is known from DE 10 2019 122 930 A1.
  • the discharge structure influences the resulting electric field, and in this way the shape of a generated gas discharge or plasma discharge is determined.
  • the known device can be designed to ignite plasma by a dielectric barrier discharge or by a corona discharge.
  • the discharge structure can have an outer metallization and an element made of metal that is, for example, needle-shaped, blade-shaped, wire-shaped or brush-shaped. The above element affects the field distribution of the electric field. If the protruding element is pointed, there will be a strong field increase at the tip of the protruding element. Gas is discharged in a point form at this point.
  • some of the bristles may be conductive and some of the bristles may be non-conductive.
  • the conductive bristles also cause a field increase at their tips.
  • Non-conductive bristles can be used to mechanically work a surface.
  • DE 21 2018 000 015 U1 discloses a device for generating a non-thermal atmospheric pressure plasma with a housing in which a piezoelectric transformer is arranged.
  • the housing has a coating to destroy an irritant gas.
  • An opening of the housing is closed by a coupling plate comprising a non-conductive material.
  • the interface plate forms a dielectric barrier whereby plasma can be ignited on the outside of the interface plate.
  • Metallization is arranged on the side of the coupling plate which points away from the piezoelectric transformer. The metallization affects the field generated by the piezoelectric transformer. In this way, the plasma ignited on the outside of the coupling plate can form to be influenced.
  • the plasma can be bundled or fanned out by appropriate shaping or metallization.
  • the invention is based on the object of demonstrating a method and a device for generating plasmas by means of dielectrically impeded electrical discharges in which pulse energies of the plasma, i. H. Duration and/or current intensities of the discharge currents flowing in individual spatial areas with each rapid increase in the voltage are increased compared to known methods and devices.
  • the object of the invention is achieved by a method having the features of independent patent claim 1 and by a device having the features of independent patent claim 10 .
  • Preferred embodiments of the method according to the invention and the device according to the invention are defined in the dependent patent claims.
  • At least one charge-collecting element made of an electrically conductive material is arranged in and/or on a flat outer surface of a dielectric shielding of an electrode.
  • the charge collecting element has an electrically conductive collecting area of at least 1 mm 2 along the outer surface.
  • a virtual rectangle of the smallest area, which encloses the charge accumulation element along the outer edge has an edge length ratio of its larger edge length to its smaller edge length of no more than 2.5:1.
  • the larger edge length of the virtual rectangle with the smallest area is not greater than 10 mm; the area of the minimum area virtual rectangle is not more than 20% of an electrode area of the electrode extending along the outer surface; and the charge collecting element projects normal to the outer surface by no more than the minor edge length of the outer surface of the electrode dielectric shield.
  • the outer surface of the dielectric shield is placed parallel to an object surface to be treated. is one minimum free distance between the surface or the charge-collecting element and the object surface at least 0.5 mm and at most 20 mm.
  • a discharge filament emanates from the charge-collecting element with significantly increased pulse energy compared to a charge-collecting element that is not present.
  • the electrical conductivity of the charge-collecting element on its collecting surface facing the working gas means that the current flowing through the discharge filament is stronger and/or flows longer than without the charge-collecting element. This effect is visually observable when the dielectric barrier electrical discharges are induced against a transparent counter electrode through which the outer surface of the dielectric shield can be viewed.
  • a significantly brighter discharge filament then goes from the charging element, i. H. a discharge filament with significantly higher pulse energy, the standard of comparison being those discharge filaments which emanate from the dielectric barrier shielding next to the charge-collecting element.
  • the increase in pulse energy of the discharge filament by the method of the invention is at least 100%, often at least 300% and often at least 700%.
  • a plurality of discharge filaments running parallel to one another can also emanate from the charge-collecting element at the same time.
  • each of these discharge filaments typically has an increased pulse energy.
  • the number of discharge filaments per unit area emanating from the charge collecting element is significantly smaller than that of such discharge filaments which emanate from the outer surface of the dielectric shielding of the electrode without or also next to the charge collecting element. The sum of the discharge currents flowing over the entirety of the discharge filaments is therefore at most only slightly influenced by the charge collecting element.
  • the geometric references made to the charge accumulating element mean that the charge accumulating element has a localized shape with low aspect ratio on the outer surface of the dielectric shield, which is essentially spot-shaped. In this case, however, it is not crucial that the charge-collecting element has a specific shape, for example a circular shape.
  • the charge collecting element can also be triangular, square, square, polygonal, star-shaped, #-shaped, or generally grid-shaped. Accordingly, it is also not crucial that the charge collecting element has an uninterrupted electrically conductive collecting surface.
  • the charge-collecting element is significantly smaller than the electrode area of the electrode arranged on the rear side facing away from the charge-collecting element in the dielectric shielding. These compact dimensions are of approximately the same order of magnitude as the minimum free distance between the outer surface of the dielectric shield or the charge collecting element and the object surface to be treated.
  • the varying voltage to be applied to create the dielectric barrier electrical discharges in the working gas between the outer surface and the object surface corresponds to what is usual for generating plasmas from dielectric barrier electrical discharges. There should be a steep rise in voltage with each change in voltage, and the voltage changes should follow each other quickly enough to ignite and sustain the plasma as desired.
  • the electrically conductive collecting surface of the charge collecting element determines the area along the outer surface of the dielectric shielding via which charge carriers can be collected with the aid of the electrical conductivity of the charge collecting element and fed into the discharge filament to increase its pulse energy. From an electrically conductive collecting area of 1 mm 2 , a considerable increase in the pulse energy of the discharge filament emanating from the charge collecting element occurs in this way.
  • the charge collecting element has a closed electrically conductive collection area of at least 3 mm 2 and more preferably at least 6 mm 2 along the outer surface of the dielectric shield. The possible pulse energy of the discharge filament increases with increasing collection area. At the same time, however, the probability that more than one discharge filament emanates from the charge-collecting element also increases.
  • a maximum increase in pulse energy is achieved when the collecting surface is not only closed, ie without gaps, but is also particularly compact, ie has a small edge length ratio of preferably no more than 2:1 and even more preferably no more than 1.5:1 . Aspect ratios at 1:1, such as circles and squares, are most preferred.
  • the larger edge length of the virtual triangle with the smallest area, which encloses the charge-collecting element along the outer surface is preferably no greater than 8 mm and even more preferably no greater than 6 mm. If this upper limit is observed, the entire charge collected with the charge-collecting element can flow into the discharge filament, so that its pulse energy is increased to the maximum.
  • larger charge-collecting elements on the other hand, as already explained, there is a tendency for a plurality of discharge filaments to emanate from the charge-collecting element, which then also have higher pulse energies than without the charge-collecting element.
  • the charge collecting element does not protrude by more than 50% of the smaller edge length of the virtual rectangle normal to the outer surface of the dielectric shielding.
  • the charge collecting element is flush with the outer surface of the dielectric shield. This reduces the tendency for charge filaments to form at the outer edge of the charge collecting element, which can be at the expense of a central discharge filament with maximum pulse energy.
  • the minimum free distance between the outer surface of the dielectric shield or the charge collecting element and the object surface is preferably at least 1 mm and at most 10 mm, more preferably at least 2 mm and at most 5 mm.
  • the working gas can have atmospheric pressure.
  • the working gas can be an inert gas, air or pure nitrogen.
  • a distance of the charge collecting element to an edge of the planar outer surface of the dielectric shielding of the electrode is preferably at least 50% of the minimum free distance between the outer surface or the charge collecting element and the object surface. Even more preferably, the distance from the charge collecting element to the edge of the planar outer surface of the dielectric shield is at least as great as this minimum free distance.
  • the charge collecting element is located in a central area of the outer surface of the dielectric shield of the electrode. In this case, the charge collecting element regularly overlaps completely with the electrode surface of the electrode in a projection normal to the outer surface. In other words, the charge-collecting element is entirely present and not also partially adjacent to the electrode.
  • An electrical conductivity of the electrically conductive material of the charge collecting element is at least 3 ⁇ 10 2 A/Vm along the outer surface. An electrical conductivity of this level is also achieved, for example, by semiconductors or semi-metals. An electrical conductivity of the electrically conductive material along the outer surface of at least 1 ⁇ 10 6 A/Vm is preferred, as is achieved by most metals and is clearly exceeded by noble metals such as copper or silver. The electrical conductivity of the electrically conductive material determines the effectiveness of the collection of charge carriers by the charge collecting element and thus also the maximum area from which charge carriers can be introduced into a discharge filament with the aid of the charge collecting element.
  • the electrically conductive material is to be selected in such a way that it sufficiently withstands the effects of the increased pulse energy from the discharge filaments emanating from it. For this reason too, the use of a noble metal such as copper or silver or a copper- or silver-based alloy may be preferred.
  • not only a single but also a plurality of charge collecting elements made of the electrically conductive material can be arranged in and/or on the planar outer surface of the dielectric shielding of the electrode.
  • the distances between the multiple charge collecting elements are at least 75% and preferably at least 150% of the minimum free distance between the outer surface of the dielectric shielding or the charge collecting element and the object surface.
  • the electrically conductive collecting surfaces of the plurality of charge collecting elements together cover no more than 50% of the electrode area of the electrode extending along the outer surface. In other words, no charge collecting elements are arranged over at least 50% of the electrode area.
  • a voltage source of the inventive apparatus provides a varying voltage for application to the electrode to cause dielectric barrier electrical discharges in a working gas between the outer surface and an object surface to be treated.
  • Alignment elements of the device can be designed to align the outer surface parallel to the object surface, with a minimum free distance between the outer surface or the charge-collecting element and the object surface of at least 0.5 mm and a maximum of 20 mm, preferably at least 1 mm and a maximum of 10 mm and more more preferably at least 2 mm and at most 5 mm.
  • charge collecting elements made of the electrically conductive material can also be arranged in and/or on the flat outer surface of the dielectric shielding of the electrode, with the distances between the charge collecting elements being at least as large as the smaller edge length of the virtual rectangles and with the charge collecting elements preferably being of the same design and /or are distributed uniformly along the outer surface in one or both main directions of extension of the outer surface.
  • the charge-collecting elements can be distributed over the object surface in a two-dimensional array and thus fulfill their function of increasing the pulse energy of discharge filaments distributed over the entire object surface.
  • the distances between the charge-collecting elements relative to the free distance between the outer surface and the dielectric shielding or the charge-collecting elements and the object surface are at least 0.7 times and preferably at least 1.5 times as large as this free distance.
  • charge-collecting elements can also be arranged closer together if the distance from the object surface is smaller, without an undesired creeping discharge occurring between adjacent charge-collecting elements.
  • Each charge collecting element preferably has a maximum thickness normal to the outer surface of the dielectric shield of no more than the minor edge length of the virtual rectangle, preferably no more than 50% the minor edge length, and even more preferably no more than 25% the minor edge length.
  • the charge collecting elements can be comparatively thin and the formation of the electric field between the dielectric shield and a surface to be treated essentially by their electrical conductivity rather than by a reduction the minimum distance to the object surface or a reduction of the dielectric shielding in front of the electrode.
  • FIG. 1 schematically shows a device according to the invention in a side view when treating an object surface.
  • FIG. 2 shows a detail of an embodiment of the device that is modified compared to FIG.
  • FIG. 3 shows the detail according to FIG. 2 of a further embodiment of the device that is modified compared to FIG.
  • FIG. 4 is a view of an outer surface of a dielectric shield of an electrode of the device of FIG. 1 having a circular charge collecting element.
  • FIG. 5 shows a distribution of discharge filaments over the surface of the charge collecting element according to FIG. 4.
  • Figure 6 shows the outer surface with dielectric shielding of another embodiment of the device with a triangular charge collecting element.
  • FIG. 7 shows the distribution of discharge filaments over the surface of the charge collecting element according to FIG. 6.
  • Figure 8 shows the outer surface of the dielectric shield of another embodiment of the device with a square charge collecting element.
  • FIG. 9 shows a distribution of discharge filaments over the surface of the charge collecting element according to FIG. 8.
  • Figure 10 shows the outer surface of the dielectric shield of another embodiment of the device having multiple circular charge collecting elements.
  • Fig. 11 shows the outer surface of the dielectric shield of another embodiment of the device with multiple triangular charge collecting elements
  • Figure 12 shows the outer surface of the dielectric shield of another embodiment of the device with multiple square charge collecting elements.
  • the device 1 shown in FIG. 1 serves to generate plasmas by means of dielectrically impeded electrical discharges.
  • the device 1 has an electrode 2 which is provided with a dielectric shield 3 made of a dielectric 4 .
  • An outer surface 5 of the dielectric shielding 3 is arranged at a free distance 6 parallel to an object surface 7 of an object 8 to be treated.
  • aligning elements 21 of the device 1 that are shown only schematically in FIG. 1 are provided.
  • a voltage source 9 is provided in order to apply a changing voltage, for example an AC voltage or a pulsed DC voltage, to the electrode 2 .
  • this changing voltage can be provided by the voltage source 9 relative to earth or ground, with the object 8 serving as a capacitive counter-electrode to the electrode 2 .
  • the object 8 is connected to the voltage source 9 as a counter-electrode 10 to the electrode 2 .
  • the changing voltage applied between the electrode 2 and the counter-electrode 10 causes the desired dielectric barrier electric discharges in a working gas 11 located between the outer surface 5 and the object surface 7, for example an inert gas, nitrogen or air.
  • Cold physical plasmas are generated by the gas discharges, in which reactive species form, with which the object surface 7 is treated.
  • the dielectric barrier electric discharges 12 appear in the form of discharge filaments 13 extending between the outer surface 5 and the object surface 7.
  • charge collecting elements 14 are embedded in the outer surface 5 in such a way that they end with the outer surface 5 .
  • the charge collecting elements 14 consist of electrically conductive material 15 and collect charge carriers via an electrically conductive collecting surface 20 extending along the outer surface 5 , which amplify the discharge filament 13 emanating from the respective charge collecting element 14 .
  • the collection area 20 of each charge collection element 14 is 1 mm 2 ; the collecting surface 20 can but does not have to be closed, ie without gaps.
  • the area spanned by a non-closed electrically conductive collecting surface 20 of the charge collecting element 14 is also comparatively small and amounts to a maximum of 20% of an electrode surface 19 of the electrode 2 extending along the outer surface 5.
  • FIG. 2 shows that this can partially protrude beyond the outer surface 5.
  • FIG. The line collecting element 14 shown in FIG. 3 is arranged on the outer surface 5 . However, the projection of the charge collecting element 14 above the outer surface 5 is small.
  • the rectangle 16 is the virtual rectangle of the smallest area that encloses the charge collecting element 14 along the outer surface 5 .
  • an edge ratio of edge lengths 17 and 18 of the virtual rectangle 16 is 1:1.
  • the two edge lengths 17 and 18 are the same here.
  • the edge length ratio is a maximum of 2.5:1.
  • the larger edge length is not greater than 10 mm.
  • an area of the virtual rectangle 16 is not larger than 20% of an electrode area 19 of the electrode 2 extending along the outer surface 5, see also FIG Charge-collecting element 14 protrudes normal to outer surface 5 by no more than the smaller edge length.
  • FIG. 5 shows, in a top view of the circular charge-collecting element 14 according to FIG.
  • Whether only one discharge filament 13 or several discharge filaments form is not only a question of the dimensions of the charge collecting element 14, in particular its electrically conductive collecting surface 20 along the outer surface 5, but also the free distance 16 to the surface 7 to be treated.
  • multiple discharge filaments 13 are distributed relatively evenly across the collection surface 20 of the charge collection member 14.
  • the edge lengths 17 and 18 of the virtual rectangle 16 can be the same or different. In the case of an equilateral triangle, the edge length 18 according to FIG. 6 would be smaller than the edge length 17.
  • FIG. 7 shows a possible distribution of several discharge filaments 13 over the collecting surface 20 of the charge collecting element 14 according to FIG. 6.
  • FIG. 9 shows a possible distribution of discharge filaments 13 over the collecting surface 20 of the square charge collecting element 14 according to FIG. 8.
  • Fig. 10 shows several regularly arranged circular charge-collecting elements 14. If the size of the collecting surfaces 20 and the distances between the landing-collecting elements 14 are matched to the free distance 6 according to Fig. 1, each of the charge-collecting elements 14 can have a single discharge filament with maximum pulse energy per rise the voltage from the voltage source 9 emanate.
  • 11 shows a plurality of triangular charge-collecting elements distributed over the outer surface 5, the outer surface 5 here, unlike in FIGS. 4, 6, 8 and 10, not being circular but having rounded square dimensions.
  • the outer surface 5 according to FIG. 12 also has such rounded square dimensions, over which a plurality of square charge collecting elements 14 are distributed here.
  • the individual charge-collecting elements can be formed from copper foil which is bonded to the dielectric 4 made from alumina ceramics, and it can be embedded in the outer surface 5 .

Abstract

In a method for generating plasma by means of dielectrically impeded electric discharges (12), a charge collecting element made of an electrically conductive material (15) is arranged on a flat outer surface (5) of a dielectric shielding (3) of an electrode (2). The charge collecting element (14) has an electrically conductive collecting surface (20) of at least 1 mm2 along the outer surface (5), a small extension ratio, and a maximum diameter of 10 mm. The collecting surface (20) is much smaller than an electrode surface (19) of the electrode (2) lying behind the collecting surface. The charge collecting element (14) projects slightly beyond the outer surface (5) at most. The outer surface (5) is arranged at a minimum free distance (6) ranging between 0.5 mm and 20 mm to an object surface (7) to be treated. A changing voltage is applied to the electrode (2) in order to produce dielectrically impeded electric discharges (12) in a working gas between the outer surface (5) and the object surface (7), wherein a discharge filament (13) with increased pulse energy emanates from the charge collecting element (14).

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR ERZEUGUNG VON PLASMEN MIT ERHÖHTER PULSENERGIE DURCH DIELEKTRISCH BEHINDERTE ELEKTRISCHE ENTLADUNGEN METHOD AND DEVICE FOR GENERATION OF PLASMA WITH INCREASED PULSE ENERGY DUE TO DIELECTRICALLY RESTRICTED ELECTRICAL DISCHARGES
TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung von Plasmen durch dielektrisch behinderte elektrische Entladungen und auch eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens. The invention relates to a method for generating plasmas by means of dielectric barrier electrical discharges and also to a device for carrying out such a method.
Dielektrisch behinderte elektrische Entladungen sind elektrische Gasentladungen, bei der ein resultierender Entladungsstrom durch eine dielektrische Abschirmung mindestens einer Elektrode, an der eine die Entladungen hervorrufende Spannung anliegt, begrenzt wird. Daher werden dielektrisch behinderte elektrische Entladungen nur bei einer sich ändernden Spannung aufrechterhalten, nicht aber bei einer an der Elektrode anliegenden Gleichspannung. Dielectrically impeded electrical discharges are electrical gas discharges in which a resulting discharge current is limited by a dielectric shielding of at least one electrode to which a voltage causing the discharges is applied. Therefore, dielectric barrier electrical discharges are only maintained with a changing voltage, but not with a DC voltage applied to the electrode.
STAND DER TECHNIK STATE OF THE ART
Aus der DE 10 2011 050 631 A1 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung dielektrisch behinderter elektrischer Entladungen mit einer Wechselhochspannungsquelle und mit mehreren an denselben Ausgang der Wechselhochspannungsquelle angekoppelten gestreckten Elektrodenkörpern aus Metall bekannt. Die mehreren Elektrodenkörper sind einzeln kapazitiv an den Ausgang der Wechselhochspannungsquelle angekoppelt, indem sie einem an den Ausgang angeschlossenen Hochspannungsbus unter Zwischenordnung eines dielektrischen Festkörpers gegenüberliegen. Die mehreren gestreckten Elektrodenkörper bilden die Zinken eines Kamms aus, mit dem Haarläuse bekämpft werden können. Die Haarläuse werden abgetötet, wenn sie in den Bereich der elektrischen Entladungsfilamente gelangen, die von den Spitzen der gestreckten Elektrodenkörper ausgehen. Aus der DE 10 2015 108 884 A1 ist eine Vorrichtung zur Plasmabehandlung eines insbesondere bandförmigen Objekts mit einer Elektrode und einer Gegenelektrode aus elektrisch leitfähigem Material und mit einem Wechselhochspannungsgenerator bekannt. Der Wechselhochspannungsgenerator dient dazu, mit einer Wechselhochspannung elektrische Gasentladungen zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode hervorzurufen. Dabei ist eine dielektrische Barriere mit der Gasentladung in Reihe geschaltet, um die Gasentladungen dielektrisch zu behindern. Die Elektrode und die Gegenelektrode sind nebeneinander in einem Kontaktmantel einer zum Kontaktieren des zu behandelnden Objekts drehbar gelagerten Walze angeordnet. Konkret weist der Kontaktmantel eine die Elektrode und die Gegenelektrode bedeckende Deckschicht aus dielektrischen Material auf. Oberhalb der Elektrode und oberhalb der Gegenelektrode ist jeweils eine durch die Deckschicht von der Elektrode und der Gegenelektrode getrennte und am Außenumfang des Kontaktmantels frei liegende linienförmige Zündelektrode aus elektrisch leitfähigen Material angeordnet. Die Zündelektroden koppeln kapazitiv an die unter ihr liegende Elektrode bzw. Gegenelektrode an, und zu ihnen hin bilden sich Feldspitzen des elektrischen Felds über dem Kontaktmantel aus. Diese Feldspitzen sorgen für ein sicheres Zünden der Gasentladungen zwischen den durch die Zündelektroden vorgegebenen Bereichen des Kontaktmantels. Durch den über die Gasentladungen fließenden Strom gleichen sich die Feldspitzen an den Zündelektroden aus, so dass ihr Vorhandensein einer gleichmäßigen Verteilung der Gasentladungen über dem Kontaktmantel nicht entgegensteht. DE 10 2011 050 631 A1 discloses a device for generating dielectrically impeded electrical discharges with an AC high-voltage source and with a plurality of stretched metal electrode bodies coupled to the same output of the AC high-voltage source. The plurality of electrode bodies are individually capacitively coupled to the output of the AC high voltage source by facing a high voltage bus connected to the output with the interposition of a dielectric solid. The several elongated electrode bodies form the tines of a comb that can be used to combat hair lice. The hair lice are killed when they get in the area of the electric discharge filaments emanating from the tips of the stretched electrode bodies. DE 10 2015 108 884 A1 discloses a device for plasma treatment of an object, in particular a strip-shaped object, with an electrode and a counter-electrode made of electrically conductive material and with an alternating high-voltage generator. The purpose of the alternating high voltage generator is to use an alternating high voltage to induce electrical gas discharges between the electrode and the counter-electrode. A dielectric barrier is connected in series with the gas discharge in order to impede the gas discharge dielectrically. The electrode and the counter-electrode are arranged next to one another in a contact casing of a roller which is rotatably mounted for contacting the object to be treated. Specifically, the contact jacket has a cover layer made of dielectric material that covers the electrode and the counter-electrode. Arranged above the electrode and above the counter-electrode is a linear ignition electrode made of electrically conductive material, which is separated from the electrode and the counter-electrode by the cover layer and is exposed on the outer circumference of the contact jacket. The ignition electrodes couple capacitively to the electrode or counter-electrode below them, and field peaks of the electrical field form towards them over the contact jacket. These field peaks ensure reliable ignition of the gas discharges between the areas of the contact jacket defined by the ignition electrodes. Due to the current flowing through the gas discharges, the field peaks on the ignition electrodes balance out so that their presence does not prevent the gas discharges from being evenly distributed over the contact jacket.
Aus der DE 10 2006 011 312 A1 ist eine Vorrichtung zur Plasmabehandlung mit einer Elektrode, vor der eine dielektrische Abschirmung angeordnet ist, und einer Wechselhochspannungsquelle bekannt, um eine Wechselhochspannung an der Elektrode anzulegen. Die Wechselhochspannung ruft dielektrisch behinderte Gasentladungen zur Erzeugung eines Plasmas in einem vor der dielektrischen Abschirmung angeordneten, auf Atmosphärendruck befindlichen Gas hervor. Die Elektrode weist eine zweidimensionale ausgedehnte Oberfläche auf, über die die von der Wechselhochspannungsquelle an die Elektrode angelegte Wechselhochspannung das Plasma über die Oberfläche der Elektrode hinweg aufrechterhält. Dazu weist die Oberfläche der Elektrode und/oder eine Oberfläche der dielektrischen Abschirmung dem Gas vor der dielektrischen Abschirmung zugewandte Spitzen auf. Die Spitzen sind in einer flächigen Verteilung vorgesehen. Die von der Wechselhochspannungsquelle an die Elektrode angelegte Wechselhochspannung weist einen steilen Spannungsanstieg von mindestens 5.000 V/ps auf. Die Spitzen der Elektrode können durch Ausbildung der Elektrode aus einem elektrisch leitfähigen Pulver, beispielsweise einem Bronzepulver, realisiert sein. Aus der DE 10 2013 112 316 A1 ist ein piezoelektrischer Transformator mit einer Oberflächenstruktur bekannt, die hervorstehende Oberflächenstruktursegmente aufweist. Die Breite jedes Oberflächenstruktursegments ist kleiner als die Breite des piezoelektrischen Transformators. Die Oberflächenstruktur ist so ausgebildet, dass eine mit dem Transformator im Zusammenwirken mit einer Gegenelektrode hervorgerufene Gasentladung an einer Vielzahl von Entladungsinitiationspunkten auf der Oberflächenstruktur einsetzt. DE 10 2006 011 312 A1 discloses a device for plasma treatment with an electrode, in front of which a dielectric shield is arranged, and an alternating high voltage source in order to apply an alternating high voltage to the electrode. The AC high voltage induces dielectric barrier gas discharges to generate a plasma in a gas at atmospheric pressure located in front of the dielectric shield. The electrode has a two-dimensional extended surface over which the AC high voltage applied to the electrode from the AC high voltage source sustains the plasma across the surface of the electrode. To this end, the surface of the electrode and/or a surface of the dielectric shield has tips facing the gas in front of the dielectric shield. The peaks are provided in an areal distribution. The AC high voltage applied to the electrode from the AC high voltage source has a steep voltage rise of at least 5,000 V/ps. The tips of the electrode can be realized by forming the electrode from an electrically conductive powder, for example a bronze powder. DE 10 2013 112 316 A1 discloses a piezoelectric transformer with a surface structure that has protruding surface structure segments. The width of each surface structure segment is smaller than the width of the piezoelectric transformer. The surface structure is designed in such a way that a gas discharge caused by the transformer in conjunction with a counter-electrode starts at a large number of discharge initiation points on the surface structure.
Aus der DE 10 2019 122 930 A1 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Gasentladung mit einem piezoelektrischen Transformator und einer Entladungsstruktur bekannt. Die Entladungsstruktur beeinflusst das entstehende elektrische Feld, und auf diese Weise wird die Form einer erzeugten Gasentladung bzw. Plasmaentladung festgelegt. Je nach verwendeter Entladungsstruktur kann die bekannte Vorrichtung dazu ausgebildet sein, Plasma durch eine dielektrische Barriereentladung oder durch eine Koronaentladung zu zünden. Die Entladungsstruktur kann eine äußere Metallisierung und ein beispielsweise nadelförmiges, klingenförmiges, drahtförmiges oder bürstenförmiges Element aus Metall aufweisen. Das vorstehende Element beeinflusst die Feldverteilung des elektrischen Felds. Ist das vorstehende Element spitz zulaufendend, kommt es an der Spitze des vorstehenden Elements zu einer starken Feldüberhöhung. Gas wird punktförmig an dieser Stelle entladen. Ist das vorstehende Element länglich, wird Gas entlang der gesamten Länge des vorstehenden Elements entladen Bei einem bürstenförmigen vorstehenden Element können einige der Borsten leitfähig sein und einige der Borsten nicht leitfähig. Die leitfähigen Borsten führen an ihrer Spitze ebenfalls eine Feldüberhöhung herbei. Nicht leitfähige Borsten können verwendet werden, eine Oberfläche mechanisch zu bearbeiten. A device for generating a gas discharge with a piezoelectric transformer and a discharge structure is known from DE 10 2019 122 930 A1. The discharge structure influences the resulting electric field, and in this way the shape of a generated gas discharge or plasma discharge is determined. Depending on the discharge structure used, the known device can be designed to ignite plasma by a dielectric barrier discharge or by a corona discharge. The discharge structure can have an outer metallization and an element made of metal that is, for example, needle-shaped, blade-shaped, wire-shaped or brush-shaped. The above element affects the field distribution of the electric field. If the protruding element is pointed, there will be a strong field increase at the tip of the protruding element. Gas is discharged in a point form at this point. If the protrusion is elongated, gas will be discharged along the entire length of the protrusion. In a brush-shaped protrusion, some of the bristles may be conductive and some of the bristles may be non-conductive. The conductive bristles also cause a field increase at their tips. Non-conductive bristles can be used to mechanically work a surface.
Aus der DE 21 2018 000 015 U1 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung eines nicht thermischen Atmosphärendruck-Plasmas mit einem Gehäuse bekannt, in dem ein piezoelektrischer Transformator angeordnet ist. Das Gehäuse weist zur Vernichtung eines Reizgases eine Beschichtung auf. Eine Öffnung des Gehäuses ist durch eine Koppelplatte verschlossen, die ein nicht-leitendes Material aufweist. Die Koppelplatte bildet eine dielektrische Barriere, wobei Plasma auf der Außenseite der Koppelplatte gezündet werden kann. Auf der Seite der Koppelplatte, die vom piezoelektrischen Transformator weg weist, ist eine Metallisierung angeordnet. Die Metallisierung beeinflusst das vom piezoelektrischen Transformator erzeugte Feld. Auf diese Weise kann die Form auf der Außenseite der Koppelplatte gezündeten Plasmas beeinflusst werden. Durch entsprechende Formgebung oder Metallisierung kann das Plasma gebündelt oder aufgefächert werden. DE 21 2018 000 015 U1 discloses a device for generating a non-thermal atmospheric pressure plasma with a housing in which a piezoelectric transformer is arranged. The housing has a coating to destroy an irritant gas. An opening of the housing is closed by a coupling plate comprising a non-conductive material. The interface plate forms a dielectric barrier whereby plasma can be ignited on the outside of the interface plate. Metallization is arranged on the side of the coupling plate which points away from the piezoelectric transformer. The metallization affects the field generated by the piezoelectric transformer. In this way, the plasma ignited on the outside of the coupling plate can form to be influenced. The plasma can be bundled or fanned out by appropriate shaping or metallization.
AUFGABE DER ERFINDUNG OBJECT OF THE INVENTION
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Plasmen durch dielektrisch behinderte elektrische Entladungen aufzuzeigen, bei denen Pulsenergien des Plasmas, d. h. Dauern und/oder Stromstärken der in einzelnen räumlichen Bereichen mit jedem schnellen Anstieg der Spannung fließenden Entladungsströme, gegenüber bekannten Verfahren und Vorrichtungen erhöht sind. The invention is based on the object of demonstrating a method and a device for generating plasmas by means of dielectrically impeded electrical discharges in which pulse energies of the plasma, i. H. Duration and/or current intensities of the discharge currents flowing in individual spatial areas with each rapid increase in the voltage are increased compared to known methods and devices.
LÖSUNG SOLUTION
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 10 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert. The object of the invention is achieved by a method having the features of independent patent claim 1 and by a device having the features of independent patent claim 10 . Preferred embodiments of the method according to the invention and the device according to the invention are defined in the dependent patent claims.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG DESCRIPTION OF THE INVENTION
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erzeugung von Plasmen durch dielektrisch behinderte elektrische Entladungen wird mindestens ein Ladungssammelelement aus einem elektrisch leitfähigen Material in und/oder auf einer ebenen Außenoberfläche einer dielektrischen Abschirmung einer Elektrode angeordnet. Dabei weist das Ladungssammelelement längs der Außenoberfläche eine elektrisch leitfähige Sammelfläche von mindestens 1 mm2 auf. Zugleich weist ein virtuelles Rechteck kleinster Fläche, dass das Ladungssammelelement längs der Außenkante umschließt, ein Kantenlängenverhältnis seiner größeren Kantenlänge zu seiner kleineren Kantenlänge von nicht mehr als 2,5:1 auf. Weiterhin ist die größere Kantenlänge des virtuellen Rechtecks kleinster Fläche nicht größer als 10 mm; die Fläche des virtuellen Rechtecks kleinster Fläche ist nicht größer als 20 % einer sich längs der Außenoberfläche erstreckenden Elektrodenfläche der Elektrode; und das Ladungssammelelement steht normal zu der Außenoberfläche um nicht mehr als die kleinere Kantenlänge der Außenoberfläche der dielektrischen Abschirmung der Elektrode über. Die Außenoberfläche der dielektrischen Abschirmung wird parallel zu einer zu behandelnden Objektoberfläche angeordnet. Dabei beträgt ein minimaler freier Abstand zwischen der Oberfläche oder dem Ladungssammelelement und der Objektoberfläche mindestens 0,5 mm und maximal 20 mm. Wenn dann eine sich ändernde Spannung an die Elektrode angelegt wird, die ausreichend ist, um dielektrisch behinderte elektrische Entladungen in einem Arbeitsgas zwischen der Außenoberfläche und der Objektoberfläche hervorzurufen, geht von dem Ladungssammelelement ein Entladungsfilament mit gegenüber nicht vorhandenem Ladungssammelelement deutlich erhöhter Pulsenergie aus. In a method according to the invention for generating plasmas by means of dielectrically impeded electrical discharges, at least one charge-collecting element made of an electrically conductive material is arranged in and/or on a flat outer surface of a dielectric shielding of an electrode. In this case, the charge collecting element has an electrically conductive collecting area of at least 1 mm 2 along the outer surface. At the same time, a virtual rectangle of the smallest area, which encloses the charge accumulation element along the outer edge, has an edge length ratio of its larger edge length to its smaller edge length of no more than 2.5:1. Furthermore, the larger edge length of the virtual rectangle with the smallest area is not greater than 10 mm; the area of the minimum area virtual rectangle is not more than 20% of an electrode area of the electrode extending along the outer surface; and the charge collecting element projects normal to the outer surface by no more than the minor edge length of the outer surface of the electrode dielectric shield. The outer surface of the dielectric shield is placed parallel to an object surface to be treated. is one minimum free distance between the surface or the charge-collecting element and the object surface at least 0.5 mm and at most 20 mm. If a changing voltage is then applied to the electrode, which is sufficient to cause dielectrically impeded electrical discharges in a working gas between the outer surface and the object surface, a discharge filament emanates from the charge-collecting element with significantly increased pulse energy compared to a charge-collecting element that is not present.
Die elektrische Leitfähigkeit des Ladungssammelelements an seiner dem Arbeitsgas zugewandten Sammelfläche führt dazu, dass der über das Entladungsfilament fließende Strom stärker ist und/oder länger fließt als ohne das Ladungssammelelement. Dieser Effekt ist visuell beobachtbar, wenn die dielektrisch behinderten elektrischen Entladungen gegenüber einer transparenten Gegenelektrode hervorgerufen werden, durch die die Außenoberfläche der dielektrischen Abschirmung betrachtet werden kann. Von dem Ladungselement geht dann ein deutlich helleres Entladungsfilament, d. h. ein Entladungsfilament mit deutlich höherer Pulsenergie aus, wobei der Vergleichsmaßstab solche Entladungsfilamente sind, die von der dielektrisch behinderten Abschirmung neben dem Ladungssammelelement ausgehen. Bei diesem Vergleichsmaßstab beträgt die Steigerung der Pulsenergie des Entladungsfilaments durch das erfindungsgemäße Verfahren mindestens 100 %, häufig mindestens 300 % und oft mindestens 700 %. The electrical conductivity of the charge-collecting element on its collecting surface facing the working gas means that the current flowing through the discharge filament is stronger and/or flows longer than without the charge-collecting element. This effect is visually observable when the dielectric barrier electrical discharges are induced against a transparent counter electrode through which the outer surface of the dielectric shield can be viewed. A significantly brighter discharge filament then goes from the charging element, i. H. a discharge filament with significantly higher pulse energy, the standard of comparison being those discharge filaments which emanate from the dielectric barrier shielding next to the charge-collecting element. By this standard of comparison, the increase in pulse energy of the discharge filament by the method of the invention is at least 100%, often at least 300% and often at least 700%.
Dabei können von dem Ladungssammelelement auch mehrere parallel zueinander verlaufende Entladungsfilamente gleichzeitig ausgehen. Dann weist typischerweise jedes dieser Entladungsfilamente eine erhöhte Pulsenergie auf. Zugleich ist die Anzahl der pro Flächeneinheit von dem Ladungssammelelement ausgehenden Entladungsfilamente deutlich kleiner als diejenige solcher Entladungsfilamente, die ohne oder auch neben dem Ladungssammelelement von der Außenoberfläche der der dielektrischen Abschirmung der Elektrode ausgehen. Die Summe der über die Gesamtheit der Entladungsfilamente fließenden Entladungsströme wird durch das Ladungssammelelement daher allenfalls wenig beeinflusst. In this case, a plurality of discharge filaments running parallel to one another can also emanate from the charge-collecting element at the same time. Then each of these discharge filaments typically has an increased pulse energy. At the same time, the number of discharge filaments per unit area emanating from the charge collecting element is significantly smaller than that of such discharge filaments which emanate from the outer surface of the dielectric shielding of the electrode without or also next to the charge collecting element. The sum of the discharge currents flowing over the entirety of the discharge filaments is therefore at most only slightly influenced by the charge collecting element.
Die zu dem Ladungssammelelement gemachten geometrischen Angaben bedeuten, dass das Ladungssammelelement auf der Außenoberfläche der dielektrischen Abschirmung eine lokalisierte Form mit geringem Streckungsfaktor aufweist, die im Wesentlichen punktfleckförmig ist. Dabei ist es jedoch nicht entscheidend, dass das Ladungssammelelement eine bestimmte Form, beispielsweise eine Kreisform aufweist. Das Ladungssammelelement kann auch dreieckig, viereckig, quadratisch, vieleckig, sternförmig, #-förmig oder allgemein gitterförmig sein. Es ist demnach auch nicht entscheidend, dass das Ladungssammelelement eine lückenlose elektrisch leitfähige Sammelfläche aufweist. Das Ladungssammelelement ist jedoch deutlich kleiner als die Elektrodenfläche der auf der dem Ladungssammelelement abgekehrten Rückseite in der dielektrischen Abschirmung angeordneten Elektrode. Diese kompakten Abmessungen sind dabei etwa von derselben Größenordnung wie der minimale freie Abstand zwischen der Außenoberfläche der dielektrischen Abschirmung oder dem Ladungssammelelement und der zu behandelnden Objektoberfläche. The geometric references made to the charge accumulating element mean that the charge accumulating element has a localized shape with low aspect ratio on the outer surface of the dielectric shield, which is essentially spot-shaped. In this case, however, it is not crucial that the charge-collecting element has a specific shape, for example a circular shape. The charge collecting element can also be triangular, square, square, polygonal, star-shaped, #-shaped, or generally grid-shaped. Accordingly, it is also not crucial that the charge collecting element has an uninterrupted electrically conductive collecting surface. However, the charge-collecting element is significantly smaller than the electrode area of the electrode arranged on the rear side facing away from the charge-collecting element in the dielectric shielding. These compact dimensions are of approximately the same order of magnitude as the minimum free distance between the outer surface of the dielectric shield or the charge collecting element and the object surface to be treated.
Die zum Hervorrufen der dielektrisch behinderten elektrischen Entladungen in dem Arbeitsgas zwischen der Außenoberfläche und der Objektoberfläche anzulegende sich ändernde Spannung entspricht dem, was zum Erzeugen von Plasmen durch dielektrisch behinderte elektrische Entladungen üblich ist. Bei jeder Änderung der Spannung sollte ein steiler Anstieg der Spannung gegeben sein, und die Änderungen der Spannung sollten schnell genug aufeinander folgen, um das Plasma wie gewünscht zu zünden und aufrechtzuerhalten. The varying voltage to be applied to create the dielectric barrier electrical discharges in the working gas between the outer surface and the object surface corresponds to what is usual for generating plasmas from dielectric barrier electrical discharges. There should be a steep rise in voltage with each change in voltage, and the voltage changes should follow each other quickly enough to ignite and sustain the plasma as desired.
Die elektrisch leitfähige Sammelfläche des Ladungssammelelements bestimmt die Fläche längs der Außenoberfläche der dielektrischen Abschirmung, über die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Ladungsträger mit Hilfe der elektrischen Leitfähigkeit des Ladungssammelelements eingesammelt und zur Erhöhung dessen Pulsenergie in das Entladungsfilament eingespeist werden können. Ab einer elektrisch leitfähigen Sammelfläche von 1 mm2 tritt auf diese Weise eine erhebliche Steigerung der Pulsenergie des von dem Ladungssammelelement ausgehenden Entladungsfilaments auf. Vorzugsweise weist das Ladungssammelelement längs der Außenoberfläche der dielektrischen Abschirmung eine geschlossene elektrisch leitfähige Sammelfläche von mindestens 3 mm2 und noch mehr bevorzugt von mindestens 6 mm2 auf. Mit größer werdender Sammelfläche steigt die mögliche Pulsenergie des Entladungsfilaments an. Zugleich steigt aber auch die Wahrscheinlichkeit an, dass von dem Ladungssammelelement mehr als ein Entladungsfilament ausgeht. Eine maximale Steigerung der Pulsenergie wird dann erreicht, wenn die Sammelfläche nicht nur geschlossen, d. h. lückenlos ist, sondern auch besonders kompakt ist, d. h. ein kleines Kantenlängenverhältnis von vorzugsweise nicht mehr 2:1 und noch mehr bevorzugt nicht mehr als 1 ,5:1 aufweist. Kantenlängenverhältnisse bei 1 :1 , wie sie Kreise und Quadrate aufweisen, sind am meisten bevorzugt. Die größere Kantenlänge des virtuellen Dreiecks kleinster Fläche, dass das Ladungssammelelement längs der Außenoberfläche umschließt, ist vorzugsweise nicht größer als 8 mm und noch mehr bevorzugt nicht größer als 6 mm. Beim Einhalten dieser Obergrenze kann die gesamte mit dem Ladungssammelelement gesammelte Ladung in das Entladungsfilament fließen, so dass dessen Pulsenergie maximal gesteigert wird. Bei größeren Ladungssammelelementen besteht hingegen, wie bereits ausgeführt, die Neigung, dass mehrere Entladungsfilamente von dem Ladungssammelelement ausgehen, die dann aber ebenfalls höhere Pulsenergien als ohne das Ladungssammelelement aufweisen. The electrically conductive collecting surface of the charge collecting element determines the area along the outer surface of the dielectric shielding via which charge carriers can be collected with the aid of the electrical conductivity of the charge collecting element and fed into the discharge filament to increase its pulse energy. From an electrically conductive collecting area of 1 mm 2 , a considerable increase in the pulse energy of the discharge filament emanating from the charge collecting element occurs in this way. Preferably, the charge collecting element has a closed electrically conductive collection area of at least 3 mm 2 and more preferably at least 6 mm 2 along the outer surface of the dielectric shield. The possible pulse energy of the discharge filament increases with increasing collection area. At the same time, however, the probability that more than one discharge filament emanates from the charge-collecting element also increases. A maximum increase in pulse energy is achieved when the collecting surface is not only closed, ie without gaps, but is also particularly compact, ie has a small edge length ratio of preferably no more than 2:1 and even more preferably no more than 1.5:1 . Aspect ratios at 1:1, such as circles and squares, are most preferred. The larger edge length of the virtual triangle with the smallest area, which encloses the charge-collecting element along the outer surface, is preferably no greater than 8 mm and even more preferably no greater than 6 mm. If this upper limit is observed, the entire charge collected with the charge-collecting element can flow into the discharge filament, so that its pulse energy is increased to the maximum. In the case of larger charge-collecting elements, on the other hand, as already explained, there is a tendency for a plurality of discharge filaments to emanate from the charge-collecting element, which then also have higher pulse energies than without the charge-collecting element.
In aller Regel steht das Ladungssammelelement normal zu der Außenoberfläche der dielektrischen Abschirmung um nicht mehr als 50 % der kleineren Kantenlänge des virtuellen Rechtecks über. Vorzugsweise schließt das Ladungssammelelement plan mit der Außenoberfläche der dielektrischen Abschirmung ab. Dadurch wird die Neigung reduziert, dass sich Ladungsfilamente an der Außenkante des Ladungssammelelements ausbilden, was zu Lasten eines zentralen Entladungsfilaments mit maximaler Pulsenergie gehen kann. As a rule, the charge collecting element does not protrude by more than 50% of the smaller edge length of the virtual rectangle normal to the outer surface of the dielectric shielding. Preferably, the charge collecting element is flush with the outer surface of the dielectric shield. This reduces the tendency for charge filaments to form at the outer edge of the charge collecting element, which can be at the expense of a central discharge filament with maximum pulse energy.
Der minimale freie Abstand zwischen der Außenoberfläche der dielektrischen Abschirmung oder dem Ladungssammelelement und der Objektoberfläche beträgt vorzugsweise mindestens 1 mm und maximal 10 mm, noch mehr bevorzugt mindestens 2 mm und höchstens 5 mm. Dabei kann das Arbeitsgas Atmosphärendruck aufweisen. Konkret kann das Arbeitsgas ein Edelgas, Luft oder auch reiner Stickstoff sein. The minimum free distance between the outer surface of the dielectric shield or the charge collecting element and the object surface is preferably at least 1 mm and at most 10 mm, more preferably at least 2 mm and at most 5 mm. The working gas can have atmospheric pressure. Specifically, the working gas can be an inert gas, air or pure nitrogen.
Ein Abstand des Ladungssammelelements zu einem Rand der ebenen Außenoberfläche der dielektrischen Abschirmung der Elektrode beträgt vorzugsweise mindestens 50 % des minimalen freien Abstands zwischen der Außenoberfläche oder dem Ladungssammelelement und der Objektoberfläche. Noch mehr bevorzugt ist der Abstand des Ladungssammelelements zu dem Rand der ebenen Außenoberfläche der dielektrischen Abschirmung mindestens genauso groß wie dieser minimale freie Abstand. Anders gesagt befindet sich das Ladungssammelelement in einem Zentralbereich der Außenoberfläche der dielektrischen Abschirmung der Elektrode. Regelmäßig überlappt das Ladungssammelelement dabei in einer Projektion normal zu der Außenoberfläche vollständig mit der Elektrodenoberfläche der Elektrode. Anders gesagt liegt das Ladungssammelelement vollständig vor und nicht teilweise auch neben der Elektrode. Eine elektrische Leitfähigkeit des elektrisch leitfähigen Materials des Ladungssammelelements beträgt längs der Außenoberfläche mindestens 3x102A/Vm. Eine elektrische Leitfähigkeit in dieser Höhe wird beispielsweise auch von Halbleitern oder Halbmetallen erreicht. Bevorzugt ist eine elektrische Leitfähigkeit des elektrisch leitfähigen Materials längs der Außenoberfläche von mindestens 1x106A/Vm, wie sie von den meisten Metallen erreicht und von Edelmetallen wie Kupfer oder Silber deutlich überschritten wird. Die elektrische Leitfähigkeit des elektrisch leitfähigen Materials bestimmt die Effektivität des Sammelns von Ladungsträgern durch das Ladungssammelelement und damit auch die maximale Fläche, aus der mit Hilfe des Ladungssammelelements Ladungsträger in ein Entladungsfilament eingeleitet werden können. Das elektrisch leitfähige Material ist darüber hinaus so auszuwählen, dass es den Einwirkungen der von ihm ausgehenden Entladungsfilamente erhöhter Pulsenergie in ausreichendem Maße standhält. Auch aus diesem Grund kann die Verwendung eines Edelmetalls wie Kupfer oder Silber oder einer kupfer- oder silberbasierten Legierung bevorzugt sein. A distance of the charge collecting element to an edge of the planar outer surface of the dielectric shielding of the electrode is preferably at least 50% of the minimum free distance between the outer surface or the charge collecting element and the object surface. Even more preferably, the distance from the charge collecting element to the edge of the planar outer surface of the dielectric shield is at least as great as this minimum free distance. Stated another way, the charge collecting element is located in a central area of the outer surface of the dielectric shield of the electrode. In this case, the charge collecting element regularly overlaps completely with the electrode surface of the electrode in a projection normal to the outer surface. In other words, the charge-collecting element is entirely present and not also partially adjacent to the electrode. An electrical conductivity of the electrically conductive material of the charge collecting element is at least 3×10 2 A/Vm along the outer surface. An electrical conductivity of this level is also achieved, for example, by semiconductors or semi-metals. An electrical conductivity of the electrically conductive material along the outer surface of at least 1×10 6 A/Vm is preferred, as is achieved by most metals and is clearly exceeded by noble metals such as copper or silver. The electrical conductivity of the electrically conductive material determines the effectiveness of the collection of charge carriers by the charge collecting element and thus also the maximum area from which charge carriers can be introduced into a discharge filament with the aid of the charge collecting element. In addition, the electrically conductive material is to be selected in such a way that it sufficiently withstands the effects of the increased pulse energy from the discharge filaments emanating from it. For this reason too, the use of a noble metal such as copper or silver or a copper- or silver-based alloy may be preferred.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann nicht nur ein einziges, sondern können auch mehrere Ladungssammelelemente aus dem elektrisch leitfähigen Material in und/oder auf der ebenen Außenoberfläche der dielektrischen Abschirmung der Elektrode angeordnet werden. Dabei betragen Abstände der mehreren Ladungssammelelemente untereinander mindestens 75 % und vorzugsweise mindestens 150 % des minimalen freien Abstands zwischen der Außenoberfläche der dielektrischen Abschirmung oder dem Ladungssammelelement und der Objektoberfläche. Weiterhin überdecken die elektrisch leitfähigen Sammelflächen der mehreren Ladungssammelelemente zusammen nicht mehr als 50 % der sich längs der Außenoberfläche erstreckenden Elektrodenfläche der Elektrode. Anders gesagt sind über mindestens 50 % der Elektrodenfläche keine Ladungssammelelemente angeordnet. In the method according to the invention, not only a single but also a plurality of charge collecting elements made of the electrically conductive material can be arranged in and/or on the planar outer surface of the dielectric shielding of the electrode. The distances between the multiple charge collecting elements are at least 75% and preferably at least 150% of the minimum free distance between the outer surface of the dielectric shielding or the charge collecting element and the object surface. Furthermore, the electrically conductive collecting surfaces of the plurality of charge collecting elements together cover no more than 50% of the electrode area of the electrode extending along the outer surface. In other words, no charge collecting elements are arranged over at least 50% of the electrode area.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist eine Elektrode auf, die mit einer dielektrischen Abschirmung versehen ist. Mindestens ein Ladungssammelelement aus einem elektrisch leitfähigen Material ist in und/oder auf einer ebenen Außenoberfläche der dielektrischen Abschirmung angeordnet. Dabei gelten für das Ladungssammelelement dieselben geometrischen Anforderungen wie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren. Eine Spannungsquelle der erfindungsgemäßen Vorrichtung stellt eine sich ändernde Spannung zum Anlegen an die Elektrode bereit, um dielektrisch behinderte elektrische Entladungen in einem Arbeitsgas zwischen der Außenoberfläche und einer zu behandelnden Objektoberfläche hervorzurufen. Ausrichtelemente der Vorrichtung können dazu ausgebildet sein, die Außenoberfläche parallel zu der Objektoberfläche auszurichten, wobei ein minimaler freier Abstand zwischen der Außenoberfläche oder dem Ladungssammelelement und der Objektoberfläche mindestens 0,5 mm und maximal 20 mm, vorzugsweise mindestens 1 mm und maximal 10 mm und noch mehr bevorzugt mindestens 2 mm und maximal 5 mm beträgt. A device according to the invention for carrying out the method according to the invention has an electrode which is provided with a dielectric shield. At least one charge collecting element made of an electrically conductive material is arranged in and/or on an outer planar surface of the dielectric shield. In this case, the same geometric requirements apply to the charge-collecting element as to the method according to the invention. A voltage source of the inventive apparatus provides a varying voltage for application to the electrode to cause dielectric barrier electrical discharges in a working gas between the outer surface and an object surface to be treated. Alignment elements of the device can be designed to align the outer surface parallel to the object surface, with a minimum free distance between the outer surface or the charge-collecting element and the object surface of at least 0.5 mm and a maximum of 20 mm, preferably at least 1 mm and a maximum of 10 mm and more more preferably at least 2 mm and at most 5 mm.
In und/oder auf der ebenen Außenoberfläche der dielektrischen Abschirmung der Elektrode können auch mehrere Ladungssammelelemente aus dem elektrisch leitfähigen Material angeordnet sein, wobei Abstände der Ladungssammelelemente untereinander mindestens so groß sind wie die kleinere Kantenlänge der virtuellen Rechtecke und wobei die Ladungssammelelemente vorzugsweise jeweils gleich ausgebildet und/oder längs der Außenoberfläche in einer oder beiden Haupterstreckungsrichtungen der Außenoberfläche gleichmäßig verteilt sind. Several charge collecting elements made of the electrically conductive material can also be arranged in and/or on the flat outer surface of the dielectric shielding of the electrode, with the distances between the charge collecting elements being at least as large as the smaller edge length of the virtual rectangles and with the charge collecting elements preferably being of the same design and /or are distributed uniformly along the outer surface in one or both main directions of extension of the outer surface.
Konkret können die Ladungssammelelemente in einem zweidimensionalen Array über die Objektoberfläche verteilt sein und so ihre Funktion der Steigerung der Pulsenergie von Entladungsfilamenten über die gesamte Objektoberfläche verteilt erfüllen. In der Regel sind die Abstände der Ladungssammelelemente untereinander bezogen auf den freien Abstand zwischen der Außenoberfläche und der dielektrischen Abschirmung oder den Ladungssammelelementen und der Objektoberfläche mindestens 0,7 mal so groß und vorzugsweise mindestens 1 ,5 mal so groß wie dieser freie Abstand. Je geringer der Abstand der Vorrichtung zu der zu behandelnden Objektoberfläche ist, desto dichter liegen die Entladungsfilamente nebeneinander, ganz unabhängig davon, ob Ladungssammelelemente vorhanden sind oder nicht. Entsprechend können Ladungssammelelemente bei geringerem Abstand zu der Objektoberfläche auch dichter beieinander angeordnet sein, ohne dass es zu einer unerwünschten Gleitentladung zwischen benachbarten Ladungssammelelementen kommt. In concrete terms, the charge-collecting elements can be distributed over the object surface in a two-dimensional array and thus fulfill their function of increasing the pulse energy of discharge filaments distributed over the entire object surface. As a rule, the distances between the charge-collecting elements relative to the free distance between the outer surface and the dielectric shielding or the charge-collecting elements and the object surface are at least 0.7 times and preferably at least 1.5 times as large as this free distance. The smaller the distance between the device and the surface of the object to be treated, the closer together the discharge filaments lie, regardless of whether charge-collecting elements are present or not. Accordingly, charge-collecting elements can also be arranged closer together if the distance from the object surface is smaller, without an undesired creeping discharge occurring between adjacent charge-collecting elements.
Jedes Ladungssammelelement weist vorzugsweise eine maximale Dicke normal zu der Außenoberfläche der dielektrischen Abschirmung von nicht mehr als der kleineren Kantenlänge des virtuellen Rechtecks, vorzugsweise von nicht mehr als 50 % der kleineren Kantenlänge und noch mehr bevorzugt von nicht mehr als 25 % der kleineren Kantenlänge auf. Anders gesagt können die Ladungssammelelemente vergleichsweise dünn sein und die Ausbildung des elektrischen Felds zwischen der dielektrischen Abschirmung und einer zu behandelnden Oberfläche im Wesentlichen durch ihre elektrische Leitfähigkeit und weniger durch eine Reduzierung des minimalen Abstands zu der Objektoberfläche oder einer Reduzierung der dielektrischen Abschirmung vor der Elektrode beeinflussen. Each charge collecting element preferably has a maximum thickness normal to the outer surface of the dielectric shield of no more than the minor edge length of the virtual rectangle, preferably no more than 50% the minor edge length, and even more preferably no more than 25% the minor edge length. In other words, the charge collecting elements can be comparatively thin and the formation of the electric field between the dielectric shield and a surface to be treated essentially by their electrical conductivity rather than by a reduction the minimum distance to the object surface or a reduction of the dielectric shielding in front of the electrode.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Advantageous developments of the invention result from the patent claims, the description and the drawings.
Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. The advantages of features and combinations of several features mentioned in the description are merely exemplary and can have an effect alternatively or cumulatively without the advantages necessarily having to be achieved by embodiments according to the invention.
Hinsichtlich des Offenbarungsgehalts - nicht des Schutzbereichs - der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents gilt Folgendes: Weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung - zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen, was aber nicht für die unabhängigen Patentansprüche des erteilten Patents gilt. The following applies to the disclosure content - not the scope of protection - of the original application documents and the patent: Further features can be found in the drawings - in particular the illustrated geometries and the relative dimensions of several components to one another as well as their relative arrangement and operative connection. The combination of features of different embodiments of the invention or of features of different patent claims is also possible, deviating from the selected dependencies of the patent claims and is hereby suggested. This also applies to those features that are shown in separate drawings or are mentioned in their description. These features can also be combined with features of different patent claims. Likewise, features listed in the patent claims can be omitted for further embodiments of the invention, but this does not apply to the independent patent claims of the granted patent.
Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs "mindestens" bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Entladungsfilament die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Entladungsfilament, zwei Entladungsfilamente oder mehr Entladungsfilamente auftreten vorhanden sind. Die in den Patentansprüchen angeführten Merkmale können durch weitere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, die der Gegenstand des jeweiligen Patentanspruchs aufweist. Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen. The features mentioned in the patent claims and the description are to be understood with regard to their number in such a way that exactly this number or a larger number than the number mentioned is present without the need for an explicit use of the adverb "at least". So if, for example, a discharge filament is mentioned, this is to be understood in such a way that exactly one discharge filament, two discharge filaments or more discharge filaments occur. The features listed in the patent claims can be supplemented by further features or can be the only features that the subject matter of the respective patent claim has. The reference signs contained in the claims do not limit the scope of the subject-matter protected by the claims. They only serve the purpose of making the claims easier to understand.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben. The invention is further explained and described below with reference to preferred exemplary embodiments illustrated in the figures.
Fig. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Seitenansicht beim Behandeln einer Objektoberfläche. 1 schematically shows a device according to the invention in a side view when treating an object surface.
Fig. 2 zeigt ein Detail einer gegenüber Fig. 1 abgewandelten Ausführungsform der Vorrichtung. FIG. 2 shows a detail of an embodiment of the device that is modified compared to FIG.
Fig. 3 zeigt das Detail gemäß Fig. 2 einer weiteren gegenüber Fig. 1 abgewandelten Ausführungsform der Vorrichtung. FIG. 3 shows the detail according to FIG. 2 of a further embodiment of the device that is modified compared to FIG.
Fig. 4 ist eine Ansicht einer Außenoberfläche einer dielektrischen Abschirmung einer Elektrode der Vorrichtung gemäß Fig. 1 mit einem kreisrunden Ladungssammelelement. 4 is a view of an outer surface of a dielectric shield of an electrode of the device of FIG. 1 having a circular charge collecting element.
Fig. 5 zeigt eine Verteilung von Entladungsfilamenten über die Fläche des Ladungssammelelements gemäß Fig. 4. FIG. 5 shows a distribution of discharge filaments over the surface of the charge collecting element according to FIG. 4.
Fig. 6 zeigt die Außenoberfläche mit dielektrischer Abschirmung einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung mit einem dreieckigen Ladungssammelelement. Figure 6 shows the outer surface with dielectric shielding of another embodiment of the device with a triangular charge collecting element.
Fig. 7 zeigt die Verteilung von Entladungsfilamenten über die Fläche des Ladungssammelelements gemäß Fig. 6. FIG. 7 shows the distribution of discharge filaments over the surface of the charge collecting element according to FIG. 6.
Fig. 8 zeigt die Außenoberfläche der dielektrischen Abschirmung einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung mit einem quadratischen Ladungssammelelement. Fig. 9 zeigt eine Verteilung von Entladungsfilamenten über die Fläche des Ladungssammelelements gemäß Fig. 8. Figure 8 shows the outer surface of the dielectric shield of another embodiment of the device with a square charge collecting element. FIG. 9 shows a distribution of discharge filaments over the surface of the charge collecting element according to FIG. 8.
Fig. 10 zeigt die Außenoberfläche der dielektrischen Abschirmung einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung mit mehreren kreisförmigen Ladungssammelelementen. Figure 10 shows the outer surface of the dielectric shield of another embodiment of the device having multiple circular charge collecting elements.
Fig. 11 zeigt die Außenoberfläche der dielektrischen Abschirmung einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung mit mehreren dreieckigen Ladungssammelelementen; und Fig. 11 shows the outer surface of the dielectric shield of another embodiment of the device with multiple triangular charge collecting elements; and
Fig. 12 zeigt die Außenoberfläche der dielektrischen Abschirmung einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung mit mehreren quadratischen Ladungssammelelementen. Figure 12 shows the outer surface of the dielectric shield of another embodiment of the device with multiple square charge collecting elements.
FIGURENBESCHREIBUNG FIGURE DESCRIPTION
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung 1 dient zum Erzeugen von Plasmen durch dielektrisch behinderte elektrische Entladungen. Die Vorrichtung 1 weist eine Elektrode 2 auf, die mit einer dielektrischen Abschirmung 3 aus einem Dielektrikum 4 versehen ist. Eine Außenoberfläche 5 der dielektrischen Abschirmung 3 ist in einem freien Abstand 6 parallel zu einer zu behandelnden Objektoberfläche 7 eines Objekts 8 angeordnet. Dazu sind in Fig. 1 nur schematisch dargestellte Ausrichtelemente 21 der Vorrichtung 1 vorgesehen. Eine Spannungsquelle 9 ist vorgesehen, um eine sich ändernde Spannung, beispielsweise eine Wechselspannung oder eine gepulste Gleichspannung, an die Elektrode 2 anzulegen. Dabei kann diese sich ändernde Spannung von der Spannungsquelle 9 gegenüber Erde oder Masse bereitgestellt werden, wobei das Objekt 8 als kapazitive Gegenelektrode zu der Elektrode 2 dient. Dargestellt ist, dass das Objekt 8 als Gegenelektrode 10 zu der Elektrode 2 an die Spannungsquelle 9 angeschlossen ist. Durch die zwischen der Elektrode 2 und der Gegenelektrode 10 angelegte sich ändernde Spannung werden die gewünschten dielektrisch behinderten elektrische Entladungen in einem zwischen der Außenoberfläche 5 und der Objektoberfläche 7 befindlichen Arbeitsgas 11 , beispielsweise einem Edelgas, Stickstoff oder Luft hervorgerufen. Durch die Gasentladungen werden kalte physikalische Plasmen erzeugt, in denen sich reaktive Spezies ausbilden, mit denen die Objektoberfläche 7 behandelt wird. Die dielektrisch behinderten elektrische Entladungen 12 treten in Form von Entladungsfilamenten 13 auf, die sich zwischen der Außenoberfläche 5 und der Objektoberfläche 7 erstrecken. Zur Steigerung einer Pulsenergie einzelner dieser Entladungsfilamente 13 sind in die Außenoberfläche 5 Ladungssammelelemente 14 so eingebettet, dass sie mit der Außenoberfläche 5 abschließen. Die Ladungssammelelemente 14 bestehen aus elektrisch leitfähigen Material 15 und sammeln über eine sich längs der Außenoberfläche 5 erstreckende elektrisch leitfähige Sammelfläche 20 Ladungsträger ein, die das von dem jeweiligen Ladungssammelelement 14 ausgehende Entladungsfilament 13 verstärken. Anders gesagt wird mit Hilfe jedes der Ladungssammelelemente 15 der mit jedem Anstieg der Spannung über das jeweilige Entladungsfilament 13 fließende Entladungsstrom verstärkt oder länger aufrechterhalten, so dass die Pulsenergie des Entladungsfilaments 13 anwächst. Mindestens beträgt die Sammelfläche 20 jedes Ladungssammelelements 14 1 mm2; die Sammelfläche 20 kann aber muss nicht geschlossen, d. h. lückenlos sein. Auch die von einer nicht geschlossenen elektrisch leitfähigen Sammelfläche 20 des Ladungssammelelements 14 überspannte Fläche ist vergleichsweise klein und beträgt maximal 20 % einer sich längs der Außenoberfläche 5 ersteckenden Elektrodenfläche 19 der Elektrode 2. The device 1 shown in FIG. 1 serves to generate plasmas by means of dielectrically impeded electrical discharges. The device 1 has an electrode 2 which is provided with a dielectric shield 3 made of a dielectric 4 . An outer surface 5 of the dielectric shielding 3 is arranged at a free distance 6 parallel to an object surface 7 of an object 8 to be treated. For this purpose, aligning elements 21 of the device 1 that are shown only schematically in FIG. 1 are provided. A voltage source 9 is provided in order to apply a changing voltage, for example an AC voltage or a pulsed DC voltage, to the electrode 2 . In this case, this changing voltage can be provided by the voltage source 9 relative to earth or ground, with the object 8 serving as a capacitive counter-electrode to the electrode 2 . It is shown that the object 8 is connected to the voltage source 9 as a counter-electrode 10 to the electrode 2 . The changing voltage applied between the electrode 2 and the counter-electrode 10 causes the desired dielectric barrier electric discharges in a working gas 11 located between the outer surface 5 and the object surface 7, for example an inert gas, nitrogen or air. Cold physical plasmas are generated by the gas discharges, in which reactive species form, with which the object surface 7 is treated. The dielectric barrier electric discharges 12 appear in the form of discharge filaments 13 extending between the outer surface 5 and the object surface 7. In order to increase a pulse energy of individual of these discharge filaments 13 , charge collecting elements 14 are embedded in the outer surface 5 in such a way that they end with the outer surface 5 . The charge collecting elements 14 consist of electrically conductive material 15 and collect charge carriers via an electrically conductive collecting surface 20 extending along the outer surface 5 , which amplify the discharge filament 13 emanating from the respective charge collecting element 14 . In other words, by means of each of the charge collecting elements 15, the discharge current flowing across the respective discharge filament 13 is increased or maintained longer with each increase in the voltage, so that the pulse energy of the discharge filament 13 increases. At a minimum, the collection area 20 of each charge collection element 14 is 1 mm 2 ; the collecting surface 20 can but does not have to be closed, ie without gaps. The area spanned by a non-closed electrically conductive collecting surface 20 of the charge collecting element 14 is also comparatively small and amounts to a maximum of 20% of an electrode surface 19 of the electrode 2 extending along the outer surface 5.
Fig. 2 zeigt in einem Schnitt durch die dielektrische Abschirmung 3 im Bereich eines Ladungssammelelements 14, dass dieses teilweise über die Außenoberfläche 5 überstehen kann. Das in Fig. 3 dargestellte Leitungssammelelement 14 ist auf der Außenoberfläche 5 angeordnet. Der Überstand des Ladungssammelelements 14 über der Außenoberfläche 5 ist aber klein. In a section through the dielectric shielding 3 in the area of a charge collecting element 14, FIG. 2 shows that this can partially protrude beyond the outer surface 5. FIG. The line collecting element 14 shown in FIG. 3 is arranged on the outer surface 5 . However, the projection of the charge collecting element 14 above the outer surface 5 is small.
Als Bezugsmaßstab u. a. für eine Obergrenze des Überstands des jeweiligen Ladungssammelelements über der Außenoberfläche 5 dient ein virtuelles Rechteck kleinster Fläche 16, wie es in Fig. 4 für den Fall eines kreisrunden Ladungssammelelements 14 in oder auf der Außenoberfläche 5 eingezeichnet ist. Das Rechteck 16 ist das virtuelle Rechteck kleinster Fläche, dass das Ladungssammelelement 14 längs der Außenoberfläche 5 umschließt. Bei dem kreisförmigen Ladungssammelelement 14 gemäß Fig. 4 beträgt ein Kantenverhältnis von Kantenlängen 17 und 18 des virtuellen Rechtecks 16 1 :1. Anders gesagt sind die beiden Kantenlängen 17 und 18 hier gleich groß. Je nach Form des Ladungssammelelements 14 kann es jedoch auch eine größere Kantenlänge 17 und eine kleinere Kantenlänge 18 geben. Dann beträgt das Kantenlängenverhältnis maximal 2,5:1. In jedem Fall ist auch die größere Kantenlänge nicht größer als 10 mm. Weiterhin ist eine Fläche des virtuellen Rechtecks 16 nicht größer als 20 % einer sich längs der Außenoberfläche 5 erstreckenden Elektrodenfläche 19 der Elektrode 2, siehe auch Fig. 1. Das Ladungssammelelement 14 steht normal zu der Außenoberfläche 5 um nicht mehr als die kleinere Kantenlänge über. A virtual rectangle with the smallest area 16, as shown in FIG. The rectangle 16 is the virtual rectangle of the smallest area that encloses the charge collecting element 14 along the outer surface 5 . In the case of the circular charge-collecting element 14 according to FIG. 4, an edge ratio of edge lengths 17 and 18 of the virtual rectangle 16 is 1:1. In other words, the two edge lengths 17 and 18 are the same here. Depending on the shape of the charge collecting element 14, however, there can also be a larger edge length 17 and a smaller edge length 18. Then the edge length ratio is a maximum of 2.5:1. In any case, the larger edge length is not greater than 10 mm. Furthermore, an area of the virtual rectangle 16 is not larger than 20% of an electrode area 19 of the electrode 2 extending along the outer surface 5, see also FIG Charge-collecting element 14 protrudes normal to outer surface 5 by no more than the smaller edge length.
Fig. 5 zeigt in einer Draufsicht auf das kreisförmige Ladungssammelelement 14 gemäß Fig. 4, dass hiervon mehrere Entladungsfilamente 13 zu der Objektoberfläche 7 hin ausgehen können. Ob sich nur ein Entladungsfilament 13 oder mehrere Entladungsfilamente ausbilden, ist nicht nur eine Frage der Abmessungen des Ladungssammelelements 14, insbesondere seiner elektrisch leitfähigen Sammelfläche 20 längs der Außenoberfläche 5, sondern auch des freien Abstands 16 zu der zu behandelnden Oberfläche 7. Je größer die Sammelfläche 20 des Ladungssammelelements 14 und je kleiner der freie Abstand 6 ist, desto größer ist die Neigung, dass sich mehrere Entladungsfilamente 13 parallel zueinander von dem Ladungssammelelement 14 zu der zu behandelnden Oberfläche 7 hin ausgeht. Typischerweise verteilen sich mehrere Entladungsfilamente 13 relativ gleichmäßig über die Sammelfläche 20 des Ladungssammelelements 14. FIG. 5 shows, in a top view of the circular charge-collecting element 14 according to FIG. Whether only one discharge filament 13 or several discharge filaments form is not only a question of the dimensions of the charge collecting element 14, in particular its electrically conductive collecting surface 20 along the outer surface 5, but also the free distance 16 to the surface 7 to be treated. The larger the collecting surface 20 of the charge-collecting element 14 and the smaller the free distance 6, the greater the tendency for a plurality of discharge filaments 13 to extend parallel to one another from the charge-collecting element 14 to the surface 7 to be treated. Typically, multiple discharge filaments 13 are distributed relatively evenly across the collection surface 20 of the charge collection member 14.
Bei der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit dem dreieckigen Ladungssammelelement 14 gemäß Fig. 6 können die Kantenlängen 17 und 18 des virtuellen Rechtecks 16 gleich oder unterschiedlich sein. Bei einem gleichseitigen Dreieck wäre die Kantenlänge 18 gemäß Fig. 6 kleiner als die Kantenlänge 17. In the embodiment of the device according to the invention with the triangular charge collecting element 14 according to FIG. 6, the edge lengths 17 and 18 of the virtual rectangle 16 can be the same or different. In the case of an equilateral triangle, the edge length 18 according to FIG. 6 would be smaller than the edge length 17.
Fig. 7 zeigt eine mögliche Verteilung mehrerer Entladungsfilamente 13 über die Sammelfläche 20 des Ladungssammelelements 14 gemäß Fig. 6. FIG. 7 shows a possible distribution of several discharge filaments 13 over the collecting surface 20 of the charge collecting element 14 according to FIG. 6.
Fig. 8 zeigt ein quadratisches Ladungssammelelement 14, das damit deckungsgleich mit dem virtuellen Rechteck 16 kleinster Fläche ist, wobei die Kantenlängen 17 und 18 gleich sind. 8 shows a square charge-collecting element 14, which is therefore congruent with the virtual rectangle 16 of the smallest area, with the edge lengths 17 and 18 being the same.
Fig. 9 zeigt eine mögliche Verteilung von Entladungsfilamenten 13 über die Sammelfläche 20 des quadratischen Ladungssammelelements 14 gemäß Fig. 8. FIG. 9 shows a possible distribution of discharge filaments 13 over the collecting surface 20 of the square charge collecting element 14 according to FIG. 8.
Fig. 10 zeigt mehrere regelmäßig angeordnete kreisrunde Ladungssammelelemente 14. Wenn die Größe der Sammelflächen 20 und die Abstände der Landungssammelelemente 14 untereinander auf den freien Abstand 6 gemäß Fig. 1 abgestimmt sind, kann von jedem der Ladungssammelelemente 14 ein einzelnes Entladungsfilament mit maximaler Pulsenergie je Anstieg der Spannung von der Spannungsquelle 9 ausgehen. Fig. 11 zeigt mehrere dreieckige Ladungssammelelemente verteilt über die Außenoberfläche 5, wobei die Außenoberfläche 5 hier anders als in den Fig. 4, 6, 8 und 10 keine kreisrunden, sondern abgerundete quadratische Abmessungen aufweist. Fig. 10 shows several regularly arranged circular charge-collecting elements 14. If the size of the collecting surfaces 20 and the distances between the landing-collecting elements 14 are matched to the free distance 6 according to Fig. 1, each of the charge-collecting elements 14 can have a single discharge filament with maximum pulse energy per rise the voltage from the voltage source 9 emanate. 11 shows a plurality of triangular charge-collecting elements distributed over the outer surface 5, the outer surface 5 here, unlike in FIGS. 4, 6, 8 and 10, not being circular but having rounded square dimensions.
Solche abgerundeten quadratischen Abmessungen weist auch die Außenoberfläche 5 gemäß Fig. 12 auf, über die hier mehrere quadratische Ladungssammelelemente 14 verteilt sind. The outer surface 5 according to FIG. 12 also has such rounded square dimensions, over which a plurality of square charge collecting elements 14 are distributed here.
Konkret können die einzelnen Ladungssammelelemente aus Kupferfolie ausgebildet sein, die auf das Dielektrikum 4 aus Aluminiumdioxydkeramik aufgeklebt ist, wobei sie in die Außenoberfläche 5 eingebettet sein kann. In concrete terms, the individual charge-collecting elements can be formed from copper foil which is bonded to the dielectric 4 made from alumina ceramics, and it can be embedded in the outer surface 5 .
BEZUGSZEICHENLISTE REFERENCE LIST
Vorrichtung contraption
Elektrode dielektrische Abschirmung Electrode dielectric shield
Dielektrikum dielectric
Außenoberfläche der dielektrischen Abschirmung 3 freier Abstand zu behandelnde Objektoberfläche Outer surface of the dielectric shield 3 free space object surface to be treated
Objekt object
Spannungsquelle voltage source
Gegenelektrode counter electrode
Arbeitsgas dielektrische Entladung Working gas dielectric discharge
Entladungsfilament discharge filament
Ladungssammelelement elektrisch leitfähiges Material virtuelles Rechteck Charge collecting element electrically conductive material virtual rectangle
Kantenlänge edge length
Kantenlänge edge length
Elektrodenoberfläche electrode surface
Sammelfläche quilt
Ausrichtelement alignment element

Claims

PATENTANSPRÜCHE PATENT CLAIMS
1. Verfahren zur Erzeugung von Plasmen durch dielektrisch behinderte elektrische Entladungen (12) mit 1. A method for generating plasmas by dielectric barrier electrical discharges (12) with
Anordnen mindestens eines Ladungssammelelements aus einem elektrisch leitfähigen Material (15) in und/oder auf einer ebenen Außenoberfläche (5) einer dielektrischen Abschirmung (3) einer Elektrode (2), wobei das Ladungssammelelement (14) längs der Außenoberfläche (5) eine elektrisch leitfähige Sammelfläche (20) von mindestens 1 mm2 aufweist, wobei ein virtuelles Rechteck (16) kleinster Fläche, das das Ladungssammelelement (14) längs der Außenoberfläche (5) umschließt, ein Kantenlängenverhältnis seiner größeren Kantenlänge (17) zu seiner kleineren Kantenlänge (18) von nicht mehr als 2,5 : 1 aufweist, wobei die größere Kantenlänge (17) nicht größer als 10 mm ist, wobei die Fläche des virtuellen Rechtecks (16) kleinster Fläche nicht größer ist als 20 % einer sich längs der Außenoberfläche (5) ersteckenden Elektrodenfläche (19) der Elektrode (2) und wobei das Ladungssammelelement (14) normal zu der Außenoberfläche (5) um nicht mehr als die kleinere Kantenlänge (18) übersteht, Arranging at least one charge collecting element made of an electrically conductive material (15) in and/or on a flat outer surface (5) of a dielectric shielding (3) of an electrode (2), the charge collecting element (14) along the outer surface (5) having an electrically conductive Collection area (20) of at least 1 mm 2 , wherein a virtual rectangle (16) of the smallest area, which encloses the charge collection element (14) along the outer surface (5), has an edge length ratio of its larger edge length (17) to its smaller edge length (18) of no more than 2.5 : 1, the larger edge length (17) being no greater than 10 mm, the area of the virtual rectangle (16), the smallest area, being no greater than 20% of a length along the outer surface (5) extending electrode surface (19) of the electrode (2) and wherein the charge collecting element (14) protrudes normal to the outer surface (5) by no more than the smaller edge length (18),
Ausrichten der Außenoberfläche (5) parallel zu einer zu behandelnden Objektoberfläche (7), wobei ein minimaler freier Abstand (6) zwischen der Außenoberfläche (5) der dielektrischen Abschirmung (3) oder dem Ladungssammelelement (14) und der Objektoberfläche (7) mindestens 0,5 mm und maximal 20 mm beträgt, und Aligning the outer surface (5) parallel to an object surface (7) to be treated, with a minimum free distance (6) between the outer surface (5) of the dielectric shield (3) or the charge collecting element (14) and the object surface (7) being at least 0 .5 mm and a maximum of 20 mm, and
Anlegen einer sich ändernden Spannung an die Elektrode (2), um dielektrisch behinderte elektrische Entladungen (12) in einem Arbeitsgas zwischen der Außenoberfläche (5) und der Objektoberfläche (7) hervorzurufen, wobei von dem Ladungssammelelement (14) ein Entladungsfilament (13) mit erhöhter Pulsenergie ausgeht. Applying a changing voltage to the electrode (2) to cause dielectric barrier electrical discharges (12) in a working gas between the outer surface (5) and the object surface (7), wherein the charge collecting element (14) has a discharge filament (13) with increased pulse energy.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Ladungssammelelement (14) längs der Außenoberfläche (5) eine geschlossene elektrisch leitfähige Sammelfläche (20) von mindestens 3 mm2 und vorzugsweise von mindestens 6 mm2 aufweist. 2. The method as claimed in claim 1, characterized in that the charge collecting element (14) has a closed electrically conductive collecting surface (20) of at least 3 mm 2 and preferably of at least 6 mm 2 along the outer surface (5).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kantenlängenverhältnis nicht mehr als 2 : 1 und vorzugsweise nicht mehr als 1 ,5 : 1 beträgt. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the edge length ratio is not more than 2:1 and preferably not more than 1.5:1.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die größere Kantenlänge (17) nicht größer als 8 mm und vorzugsweise nicht größer als 6 mm ist. 4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the larger edge length (17) is not greater than 8 mm and preferably not greater than 6 mm.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ladungssammelelement (14) normal zu der Außenoberfläche (5) um nicht mehr als 50 % der kleineren Kantenlänge (18) übersteht und vorzugsweise plan mit der Außenoberfläche (5) abschließt. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the charge collecting element (14) normal to the outer surface (5) by no more than 50% of the smaller edge length (18) and preferably flush with the outer surface (5) terminates.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der minimale freie Abstand (6) zwischen der Außenoberfläche (5) oder dem Ladungssammelelement (14) und der Objektoberfläche (7) mindestens 1 mm und maximal 10 mm, vorzugsweise mindestens 2 mm und maximal 5 mm beträgt, wobei das Arbeitsgas Atmosphärendruck aufweist. 6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the minimum free distance (6) between the outer surface (5) or the charge collecting element (14) and the object surface (7) is at least 1 mm and at most 10 mm, preferably at least 2 mm and a maximum of 5 mm, the working gas being at atmospheric pressure.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand des Ladungssammelelements (14) zu einem Rand der ebenen Außenoberfläche (5) der dielektrischen Abschirmung (3) der Elektrode (2) mindestens 50 % und vorzugsweise mindestens 100 % des minimalen freien Abstands (6) zwischen der Außenoberfläche (5) oder dem Ladungssammelelement (14) und der Objektoberfläche (7) beträgt, wobei das Ladungssammelelement (14) in einer Projektion normal zu der Außenoberfläche (5) vollständig mit der Elektrodenfläche (19) der Elektrode (2) überlappt. 7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a distance from the charge collecting element (14) to an edge of the flat outer surface (5) of the dielectric shielding (3) of the electrode (2) is at least 50% and preferably at least 100% of the minimum free distance (6) between the outer surface (5) or the charge-collecting element (14) and the object surface (7), the charge-collecting element (14) in a projection normal to the outer surface (5) completely with the electrode surface (19) of the electrode (2) overlapped.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Leitfähigkeit des elektrisch leitfähigen Materials (15) längs der Außenoberfläche (5) mindestens 3 x 102 A/Vm, vorzugsweise mindestens 1 x 106 A/Vm beträgt. 8. Method according to one of the preceding claims, characterized in that an electrical conductivity of the electrically conductive material (15) along the outer surface (5) is at least 3×10 2 A/Vm, preferably at least 1×10 6 A/Vm.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Ladungssammelelemente (14) aus dem elektrisch leitfähigen Material (15) in und/oder auf der ebenen Außenoberfläche (5) der dielektrischen Abschirmung (3) der Elektrode (2) angeordnet werden, deren Abstände untereinander mindestens 75 % und vorzugsweise mindestens 150 % des minimalen freien Abstands (6) zwischen der Außenoberfläche (5) oder - 19 - dem Ladungssammelelement (14) und der Objektoberfläche (7) betragen und deren elektrisch leitfähige Sammelflächen (20) zusammen nicht mehr als 50 % der sich längs der Außenoberfläche (5) ersteckenden Elektrodenfläche (19) der Elektrode (2) überdecken. 9. The method as claimed in one of the preceding claims, characterized in that a plurality of charge-collecting elements (14) made of the electrically conductive material (15) are arranged in and/or on the flat outer surface (5) of the dielectric shielding (3) of the electrode (2). , the distances between which are at least 75% and preferably at least 150% of the minimum free distance (6) between the outer surface (5) or - 19 - between the charge collecting element (14) and the object surface (7) and their electrically conductive collecting surfaces (20) together do not cover more than 50% of the electrode surface (19) of the electrode (2) extending along the outer surface (5).
10. Vorrichtung (1) zur Durchführung des Verfahrens zur Erzeugung von Plasmen durch dielektrisch behinderte elektrische Entladungen (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Elektrode (2), die mit einer dielektrischen Abschirmung (3) versehen ist, mindestens einem Ladungssammelelement (14) aus einem elektrisch leitfähigen Material (15), das in und/oder auf einer ebenen Außenoberfläche (5) der dielektrischen Abschirmung (3) angeordnet ist, wobei das Ladungssammelelement (14) längs der Außenoberfläche (5) eine elektrisch leitfähige Sammelfläche (20) von mindestens 1 mm2 aufweist, wobei ein virtuelles Rechteck (16) kleinster Fläche, das das Ladungssammelelement (14) längs der Außenoberfläche (5) umschließt, ein Kantenlängenverhältnis seiner größeren Kantenlänge (17) zu seiner kleineren Kantenlänge (18) von nicht mehr als 2,5 : 1 aufweist, wobei die größere Kantenlänge (17) nicht größer als 10 mm ist, wobei die Fläche des virtuellen Rechtecks (16) kleinster Fläche nicht größer ist als 20 % einer sich längs der Außenoberfläche (5) ersteckenden Elektrodenfläche (19) der Elektrode (2) und wobei das Ladungssammelelement (14) normal zu der Außenoberfläche (5) um nicht mehr als die kleinere Kantenlänge (18) übersteht, und einer Spannungsquelle (9), die eine sich ändernde Spannung zum Anlegen an die Elektrode (2) bereitstellt, um dielektrisch behinderte elektrische Entladungen (12) in einem Arbeitsgas zwischen der Außenoberfläche (5) und einer zu behandelnden Objektoberfläche (7) hervorzurufen. 10. Device (1) for carrying out the method for generating plasmas by means of dielectrically impeded electrical discharges (12) according to one of the preceding claims, having an electrode (2) which is provided with a dielectric shielding (3), at least one charge collecting element (14 ) of an electrically conductive material (15) arranged in and/or on a planar outer surface (5) of the dielectric shield (3), the charge collecting element (14) having an electrically conductive collecting surface (20) along the outer surface (5) of at least 1 mm 2 , wherein a virtual rectangle (16) of the smallest area, which encloses the charge-collecting element (14) along the outer surface (5), has an edge length ratio of its larger edge length (17) to its smaller edge length (18) of no more than 2.5 : 1, the larger edge length (17) being no greater than 10 mm, the area of the virtual rectangle (16) with the smallest area being no greater than 20% of an electrode area (19 ) of the electrode (2) and wherein the charge-collecting element (14) protrudes normal to the outer surface (5) by no more than the smaller edge length (18), and a voltage source (9) which has a changing voltage for application to the electrode ( 2) providing to cause dielectric barrier electrical discharges (12) in a working gas between the outer surface (5) and an object surface (7) to be treated.
11. Vorrichtung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Ausrichtelemente (21) der Vorrichtung (1) dazu ausgebildet sind, die Außenoberfläche (5) parallel zu der Objektoberfläche (7) auszurichten, wobei ein minimaler freier Abstand (6) zwischen der Außenoberfläche (5) oder dem Ladungssammelelement (14) und der Objektoberfläche (7) mindestens 0,5 mm und maximal 20 mm, vorzugsweise mindestens 1 mm und maximal 10 mm und mehr bevorzugt mindestens 2 mm und maximal 5 mm beträgt. - 20 - 11. Device (1) according to claim 10, characterized in that alignment elements (21) of the device (1) are designed to align the outer surface (5) parallel to the object surface (7), with a minimum free distance (6) between of the outer surface (5) or the charge collecting element (14) and the object surface (7) is at least 0.5 mm and at most 20 mm, preferably at least 1 mm and at most 10 mm and more preferably at least 2 mm and at most 5 mm. - 20 -
12. Vorrichtung (1) nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Ladungssammelelemente aus dem elektrisch leitfähigen Material (15) in und/oder auf der ebenen Außenoberfläche (5) der dielektrischen Abschirmung (3) der Elektrode (2) angeordnet sind, wobei Abstände der Ladungssammelelemente (14) untereinander mindestens so groß sind wie die kleinere Kantenlänge (18) und wobei die Ladungssammelelemente (14) vorzugsweise gleich und/oder längs der Außenoberfläche (5) gleichmäßig verteilt sind. 12. Device (1) according to claim 10 or 11, characterized in that several charge collecting elements made of the electrically conductive material (15) are arranged in and/or on the flat outer surface (5) of the dielectric shielding (3) of the electrode (2). , wherein the distances between the charge-collecting elements (14) are at least as large as the smaller edge length (18) and the charge-collecting elements (14) are preferably distributed equally and/or uniformly along the outer surface (5).
13. Vorrichtung (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladungssammelelemente (14) in einem zweidimensionalen Array über die Objektoberfläche (7) verteilt sind. 13. Device (1) according to claim 12, characterized in that the charge collecting elements (14) are distributed in a two-dimensional array over the object surface (7).
14. Vorrichtung (1) nach Anspruch 12 oder 13, soweit rückbezogen auf Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände der Ladungssammelelemente (14) untereinander mindestens 75 % und vorzugsweise mindestens 150 % des minimalen freien Abstands (6) zwischen der Außenoberfläche (5) oder den Ladungssammelelementen (14) und der Objektoberfläche (7) betragen. 14. Device (1) according to claim 12 or 13, insofar as dependent on claim 11, characterized in that the distances between the charge-collecting elements (14) are at least 75% and preferably at least 150% of the minimum free distance (6) between the outer surface (5th ) or the charge collecting elements (14) and the object surface (7).
15. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Ladungssammelelement (14) eine maximale Dicke normal zu der Außenoberfläche (5) von nicht mehr als der kleineren Kantenlänge (18), vorzugsweise von nicht mehr als 50 % der kleineren Kantenlänge (18) und mehr bevorzugt von nicht mehr als 25 % der kleineren Kantenlänge (18) aufweist. 15. Device (1) according to one of Claims 10 to 14, characterized in that each charge-collecting element (14) has a maximum thickness normal to the outer surface (5) of no more than the smaller edge length (18), preferably no more than 50 % of the minor edge length (18) and more preferably no more than 25% of the minor edge length (18).
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