Способ определения значений параметров разрядного контура с нагруженным на газоразрядный межэлектродный промежуток емкостным накопителем энергии, обеспечивающих максимальную энергоэффективность получения наночастиц в импульсном газовом разряде
Владельцы патента RU 2704566:
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" (RU)
Способ определения значений параметров разрядного контура с нагруженным на газоразрядный межэлектродный промежуток емкостным накопителем энергии, обеспечивающих максимальную энергоэффективность получения наночастиц в импульсном газовом разряде может быть использован для повышения электрического КПД устройств для получения наночастиц в импульсном газовом разряде посредством электрической эрозии электродов, в том числе из металлов, сплавов и полупроводников. Способ основан на проведении эксперимента с тестовым емкостным накопителем, в котором измеряют импульсный ток и напряжение, с помощью которых вычисляют параметры контура - эквивалентное значение активного электросопротивления, эквивалентное значение индуктивности разрядного контура и значение амплитуды межэлектродного напряжения для используемых электродов. По этим данным, используя минимальный межэлектродный промежуток, при котором исключен перенос электродного материала на противоположный электрод и шероховатость поверхности электродов не влияет на стабильность межэлектродного газового пробоя, рассчитывают оптимальное значение емкости накопителя энергии, нагруженного на газоразрядный межэлектродный промежуток. Способ реализован с помощью макета импульсного газоразрядного генератора с медными электродами и изготовленных для этой цели измерителей тока и напряжения. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к способам прямого применения электрической энергии путем оптимального контроля электрических импульсов тока через параметры разрядного контура, создаваемых в процессах разряда емкостных накопителей энергии через газоразрядные промежутки, для получения наночастиц в импульсном газовом разряде посредством электрической эрозии электродов, в том числе из металлов, сплавов и полупроводников.
В таких процессах как правило только часть энергии, запасенной в заряженном емкостном накопителе, выделяется при разряде в газоразрядном межэлектродном промежутке. Именно эта часть энергии накопителя расходуется на получение наночастиц. Другая значительная часть энергии накопителя рассеивается в соединительных токоведущих шинах и в самом емкостном накопителе в виде джоулева тепла. При этом энергия, выделяемая в газоразрядном промежутке за один разрядный импульс тока, не должна превышать определенную величину, равную примерно W=70 мДж/импульс для ряда материалов электродов (Ag, Cu и др.), превышение которой приводит к появлению в спектре получаемых частиц нежелательной фракции частиц микронных размеров. Величина этой энергии может зависеть от типа материала электродов, в частности, для тугоплавких металлов оказывается выше указанного значения, и устанавливается эмпирическим путем.
С другой стороны, выделяемая в газоразрядном межэлектродном промежутке энергия, как установлено экспериментально, приводит к получению большего массового количества наночастиц при меньшей величине межэлектродного промежутка. Однако возможность уменьшения величины межэлектродного промежутка снизу ограничена значениями порядка 0,5-2,0 мм, поскольку при меньших зазорах проявляется эффект переноса и осаждения наночастиц на противоположный электрод, а также эффект нестабильности пробоя газового промежутка из-за развития шероховатости поверхности электрода на уровне порядка 10 микрон. Учет данных физических эффектов приводит к целесообразности выбирать величину межэлектродного промежутка минимальной из указанного диапазона.
Таким образом, максимальной энергоэффективности получения наночастиц в импульсном газовом разряде в межэлектродном промежутке соответствуют значения параметров разрядного контура с емкостным накопителем энергии, при которых устанавливается минимально возможный межэлектродный промежуток и в нем за один разрядный импульс выделяется максимальная энергия W, при которой реализуется получение наночастиц без частиц микронной фракции. В настоящем способе реализуют определение значений параметров подобного разрядного контура, обеспечивающих максимальную энергоэффективность получения наночастиц в импульсном газовом разряде.
Известен ряд технических решений в виде устройств и способов, предназначенных для получения наночастиц в импульсном газовом разряде, создаваемом с использование разрядного контура с нагруженным на газоразрядный межэлектродный промежуток емкостным накопителем энергии. В Патенте Кореи № KR 100860590 В1 [1] описывается способ получения наночастиц посредством импульсного разряда емкостного накопителя энергии на межэлектродный газоразрядный промежуток с металлическими электродами. Недостатком технических решений, представленных в данном патенте, является отсутствие возможности оптимизации выделяемой в газоразрядном промежутке энергии и производительности получения наночастиц. В обзорах [2-3] описываются устройства и способ контроля процессов получения наночастиц посредством электрической эрозии электродов из металлов и сплавов в импульсном газовом разряде, создаваемом посредством разряда емкостного накопителя энергии. Контролируется используемая энергия по энергии заряда емкостного накопителя, устанавливается энергетическая целесообразность использования минимального межэлектродного промежутка размером порядка 0,5-2,0 мм.
Наиболее близким аналогом является способ и оборудование получения ультрамелких частиц, описанный в патенте US 5062936 A [4]. Данный способ предполагает создание импульса разрядного тока через газоразрядный межэлектродный промежуток посредством управляемого включения разряда емкостного накопителя энергии. Межэлектродный промежуток устанавливают регулируемым, в соответствии с электрической прочностью газовой атмосферы и напряжением заряда накопителя энергии. Предложенный способ имеет три недостатка: отсутствие возможности контроля энергии, выделяемой непосредственно в межэлектродном промежутке, отсутствие возможности выбора оптимального значения размера межэлектродного промежутка и высокое эквивалентное омическое электросопротивление разрядного контура из-за включения в контур управляемого ключа.
Прототипом изобретения является импульсный газоразрядный генератор и процесс получения наночастиц с его использованием, описанный в патенте KR 20180008166 А [5]. Для повышения массовой производительности получения наночастиц в генераторе предусматривают регулирование межэлектродного промежутка в диапазоне 0,5-3 мм, что позволяет определенным образом контролировать полную используемую энергию емкостного накопителя при самопробое газового промежутка. Недостатком данного способа и устройства, как и других известных импульсных газоразрядных генераторов аэрозолей с емкостным накопителем энергии, является отсутствие возможности контроля энергии, выделяемой непосредственно в межэлектродном промежутке. Следовательно, оказывается невозможным определять значений параметров разрядного контура с емкостным накопителем энергии, обеспечивающих максимальную энергоэффективность получения наночастиц в газоразрядном промежутке.
Технической задачей, решаемой в представленном изобретении, является разработка способа определения значений параметров разрядного контура с нагруженным на газоразрядный межэлектродный промежуток емкостным накопителем энергии, обеспечивающих максимальную энергоэффективность получения наночастиц в импульсном газовом разряде.
Решение поставленной технической задачи достигается тем, что способ определения оптимальных значений параметров разрядного контура предполагает использование разрядного контура с тестовым емкостным накопителем энергии с низкими внутренними потерями, подключенный к межэлектродному газовому промежутку шинами с минимально возможным электросопротивлением, также содержащий источник напряжения для зарядки емкостного накопителя, измеритель импульсного разрядного тока в контуре и измеритель активного напряжения на межэлектродном промежутке в процессе импульсного газового разряда, зазор между электродами устанавливают минимальным, при котором исключен перенос электродного материала на противоположный электрод и шероховатость поверхности электродов не влияет на стабильность межэлектродного газового пробоя, по величине зазора вычисляют значение напряжения пробоя газового межэлектродного промежутка, соответствующего напряжению заряда емкостного накопителя, по измеренным импульсному разрядному току, импульсному активному напряжению на межэлектродном промежутке и значениям емкости и напряжения заряда тестового емкостного накопителя определяют значение амплитуды межэлектродного напряжения в процессе импульсного газового разряда для заданного материала электродов, эквивалентные значения активного электросопротивления и индуктивности разрядного контура, по полученным значениям которых вычисляют максимальную емкость накопителя энергии для энергоэффективного получения наночастиц без микронной фракции и значение эффективности использования энергии емкостного накопителя в процессе импульсного газового разряда. Кроме того, решение задачи достигается тем, что максимальную емкость накопителя энергии для энергоэффективного получения наночастиц без микронной фракции в процессе импульсного газового разряда вычисляют согласно формуле
и значение эффективности использования энергии емкостного накопителя в процессе импульсного газового разряда вычисляют согласно формуле
где
W - максимальная энергия, выделяемая в межэлектродном промежутке в процессе импульсного газового разряда, при которой реализуется получение наночастиц без микронной фракции,
Uac - значение амплитуды межэлектродного напряжения в процессе импульсного газового разряда,
U0 - напряжение заряда емкостного накопителя,
Re - эквивалентное значение активного электросопротивления контура,
Le - эквивалентное значение индуктивности разрядного контура.
Полученные данные достаточны для определения оптимальных значений параметров разрядного контура с нагруженным на газоразрядный межэлектродный промежуток емкостным накопителем энергии, обеспечивающих максимальную энергоэффективность получения наночастиц в импульсном газовом разряде.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена общая схема разрядного контура с емкостным накопителем энергии 1 с малыми внутренними потерями, который подключен к разрядному промежутку с электродами 4 с помощью токоведущих шин 3 с низким электрическим сопротивлением. Емкостной накопитель энергии заряжается до напряжения U0 от источника постоянного напряжения 2. Разрядный контур снабжен измерителем импульсного напряжения на разрядном промежутке 5 и измерителем импульсного тока 6. Размер b обозначает величину межэлектродного промежутка.
На фиг. 2 представлены в зависимости от времени импульсное активное напряжение на разрядном промежутке U(t) и импульсный ток I(t) в разрядном контуре, которые измеряют с помощью измерителей напряжения и тока, соответственно.
Способ определения значений параметров разрядного контура с нагруженным на газоразрядный межэлектродный промежуток емкостным накопителем энергии, обеспечивающих максимальную энергоэффективность получения наночастиц в импульсном газовом разряде, а именно определение напряжения заряда емкостного накопителя и емкость накопителя энергии, реализуют с помощью схемы, представленной на фиг. 1. Емкостный накопитель 1 с малыми внутренними потерями подключен к разрядному промежутку с электродами 4 с помощью токоведущих шин 3 с низким электрическим сопротивлением. Токоведущие шины 3 сильноточного контура с представляют собой проводники большого периметра сечения и малой длины для минимизации электрического сопротивления на собственной частоте колебаний разрядного контура, составляющей 100-1000 кГц, когда ток в основном течет в поверхностном скин-слое толщиной в сотни микрон, и могут быть выполнены, например, из широкой медной ленты. Емкостный накопитель заряжается до необходимого напряжения U0 с помощью подключенного к нему источника напряжения. После пробоя разрядного промежутка в сильноточном контуре возникают затухающие колебания тока и напряжения. Для определения значений импульсных напряжения и тока к контуру подключены измеритель напряжения 5 и измеритель тока 6.
Определение значений параметров разрядного контура, обеспечивающих максимальную энергоэффективность получения наночастиц реализуют следующим образом.
Зазор между электродами b устанавливают минимальным, при котором исключен перенос электродного материала на противоположный электрод и шероховатость поверхности электродов не влияет на стабильность межэлектродного газового пробоя. Обычно это значение составляет 0,5-2,0 мм. Исходя из выбранного рабочего газа и давления рассчитывается напряженность пробоя электрического поля Eb, затем вычисляется напряжение пробоя по формуле:
Напряжение U0 источника 2 для заряда емкостного накопителя не должно превышать напряжения пробоя:
Первоначально, для определения параметров разрядного контура, производится тестовое включение с накопителем емкостью Ct. Максимальное значение энергии выделяемой в межэлектродном промежутке в процессе импульсного газового разряда, при которой реализуется получение наночастиц без микронной фракции ограничено значением W=70 мДж. Значение емкости Ct тестового накопителя выбирают из условия, чтобы W была равна половине энергии, запасенной в емкостном накопителе:
Значение емкости тестового накопителя определяют по формуле:
Выбирают накопитель емкостью близкой к Ct, являющейся хорошим приближением к оптимальной емкости, что позволяет измерить параметры контура в режимах работы близких к режимам работы с оптимальной емкостью. Затем производится серия разрядных импульсов. С помощью измерителя импульсных напряжений 5 и измерителя импульсных токов 6 измеряют зависимость импульсного активного напряжения на межэлектродном промежутке от времени U(t) и импульсного разрядного тока от времени I(t) соответственно (фиг. 2). Результаты усредняют по 10 измерениям.
Импульсное напряжение на межэлектродном промежутке представляет собой знакопеременную функцию со скачкообразно меняющимся напряжением. По зависимости импульсного напряжения от времени определяют амплитуду межэлектродного напряжения Uас, равную амплитуде скачков импульсного напряжения U(t). Величина Uac представляет собой сумму катодного и анодного падения напряжения на электродах в процессе импульсного газового разряда и зависит от материала, из которого они изготовлены.
Импульсный ток представляет собой колебательно-затухающую функцию с фазовой частотой колебаний ω, коэффициентом затухания δ, описываемую следующим уравнением:
С помощью аппроксимации измеренной зависимости I(t) с помощью функции (7) определяют фазовую частоту колебаний ω, и коэффициент затухания δ. Затем вычисляют эквивалентное значение индуктивности разрядного контура по формуле:
и эквивалентное значение активного электросопротивления контура по формуле:
Теперь, при известных параметрах контура Le, Re и величинах W, U0, Uac, оптимальное значение емкости накопителя рассчитывают из следующего соотношения:
При этом значение эффективности использования энергии емкостного накопителя в процессе импульсного газового разряда η, определяемое как отношение энергии, выделяющейся в разрядных промежутках, к энергии, запасенной в емкостном накопителе, равно:
Предложенное техническое решение обеспечивает расчет емкости накопителя энергии для получения наночастиц без микронной фракции, при которой достигается максимальная эффективность использования энергии емкостного накопителя в процессе импульсного газового разряда и расчет данной энергоэффективности.
Пример расчета
Для медных электродов диаметром 8 мм при работе в атмосфере азота при атмосферном давлении минимальное расстояние, исключающее перенос материала электрода на противоположный электрод и исключающее влияние шероховатости поверхности электродов на стабильность межэлектродного газового пробоя составило 2 мм. При атмосферном давлении напряженность пробоя электрического поля в азоте составляет Eb=30 кВ/см, тогда напряжение пробоя Ub=6 кВ. На источнике устанавливается напряжение заряда емкостного накопителя U0=6 кВ. Использовался тестовый накопитель емкостью Ct=21 нФ. Были получены следующие значения эквивалентного активного электросопротивления контура и эквивалентной индуктивности разрядного контура: Re=300 мОм, Le=730 нГн. Приэлектродное падение напряжение для данных электродов составило Uас≈20 В. Рассчитанное оптимальное значение емкости накопителя составило С=26,0 нФ, а соответствующая ему эффективность использования энергии емкостного накопителя η=15,5%.
Способ определения значений параметров разрядного контура с нагруженным на газоразрядный межэлектродный промежуток емкостным накопителем энергии, обеспечивающих максимальную энергоэффективность получения наночастиц в импульсном газовом разряде, может быть использован для оптимизации процессов получения большого спектра наночастиц для функциональных применений в высокотехнологичных отраслях. Высокопроизводительное получение наночастиц представляет интерес для применений в наноэлектронике, альтернативной энергетике и фотонике, в том числе в связи с развитием аэрозольной и струйной печати для производства различных электронных устройств - от полевых транзисторов до солнечных батарей. Наночастицы из благородных металлов имеют большой потенциал для применений в биологии и медицине. Благодаря малому размеру, они легко взаимодействуют с биологическими молекулами как на поверхности, так и внутри клеток. В частности, продемонстрировано применение наночастиц серебра, золота и платины для диагностики и лечения рака, вируса иммунодефицита HIV, туберкулеза и болезни Паркинсона. Наночастицы являются уникальной платформой для создания систем доставки лекарств к целевым клеткам.
Таким образом, способ определения значений параметров разрядного контура с нагруженным на газоразрядный межэлектродный промежуток емкостным накопителем энергии позволяет оперативно определить условия максимальной энергоэффективности для получения большого спектра функциональных наночастиц в импульсном газовом разряде.
Источники информации
1. Патент KR 100860590 В1, опубл. 2008-09-26, МПК B22F 1/00; B22F 9/00; B22F 9/14. Method for generation and fixation of metal aerosol nanoparticle.
2. Tabrizi, N.S., Ullmann, M., Vons, V.A., Lafont, U. and Schmidt-Ott, A. Generation of Nanoparticles by Spark Discharge. J. Nanopart. Res. (2009), 11: 315-332.
3. Bengt O. Meuller, Maria E. Messing, David L.J. Engberg, Anna M. Jansson, Linda I.M. Johansson, Susanne M. Norl'en, Nina Tureson, and Knut Deppert. Review of Spark Discharge Generators for Production of Nanoparticle Aerosols. Aerosol Science and Technology (2012), 46:1256-1270.
4. Патент US 5062936 A, опубл. 1991-11-05, МПК B22F 9/14. Method and apparatus for manufacturing ultrafine particles.
5. Патент KR 20180008166 А, опубл. 2018-01-24, МПК B01J 19/088; B82B 3/0004; H01T 13/40; H01T 15/00; B82Y 30/00; B82Y 40/00. Spark discharge generator and process for preparing nanoparticle structure using same.
1. Способ определения значений параметров разрядного контура с нагруженным на газоразрядный межэлектродный промежуток емкостным накопителем энергии, обеспечивающих максимальную энергоэффективность получения наночастиц в импульсном газовом разряде, характеризующийся тем, что используют разрядный контур с тестовым емкостным накопителем энергии с низкими внутренними потерями, подключенный к межэлектродному газовому промежутку шинами с минимально возможным электросопротивлением, также содержащий источник напряжения для зарядки емкостного накопителя, измеритель импульсного разрядного тока в контуре и измеритель активного напряжения на межэлектродном промежутке в процессе импульсного газового разряда, зазор между электродами устанавливают минимальным, при котором исключен перенос электродного материала на противоположный электрод и шероховатость поверхности электродов не влияет на стабильность межэлектродного газового пробоя, по величине зазора определяют значение напряжения пробоя газового межэлектродного промежутка, соответствующего напряжению заряда емкостного накопителя, по измеренным импульсному разрядному току, импульсному активному напряжению на межэлектродном промежутке и значениям емкости и напряжения заряда тестового емкостного накопителя определяют значение амплитуды межэлектродного напряжения в процессе импульсного газового разряда для заданного материала электродов, эквивалентные значения активного электросопротивления и индуктивности разрядного контура, по полученным значениям которых вычисляют максимальную емкость накопителя энергии для энергоэффективного получения наночастиц без микронной фракции.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно определяют значение эффективности использования энергии емкостного накопителя в процессе импульсного газового разряда.
3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что максимальную емкость накопителя энергии для энергоэффективного получения наночастиц без микронной фракции в процессе импульсного газового разряда вычисляют согласно формуле
и значение эффективности использования энергии емкостного накопителя в процессе импульсного газового разряда вычисляют согласно формуле
где
W - максимальная энергия, выделяемая в межэлектродном промежутке в процессе импульсного газового разряда, при которой реализуется получение наночастиц без микронной фракции,
Uас - значение амплитуды межэлектродного напряжения в процессе импульсного газового разряда,
U0 - напряжение заряда емкостного накопителя,
Re - эквивалентное значение активного электросопротивления контура,
Le - эквивалентное значение индуктивности разрядного контура.
