本发明涉及一种用于生成大气压等离子体的装置。在此，涉及非热等离子体。
背景技术：
该装置尤其是具有压电变换器，其生成输出电压，所述输出电压可以被用于使得过程气体离子化。该装置应当避免压电变换器相对于该装置的支架尤其是在纵向上的运动。同时，该支架却不应当影响压电变换器，使得变换器的振荡被衰减，因为由此会减小等离子体生成的效率。
技术实现要素：
因此本发明的任务在于说明一种装置，该装置尽可能好地满足这些目前相互矛盾的要求。
该任务通过按照当前权利要求1的装置来解决。
提出了一种用于生成大气压等离子体的装置，其具有压电变换器和第一支撑元件。压电变换器位于支撑元件上，其中该压电变换器在以下位置处安置于第一支撑元件上，当该压电变换器以小于其并联谐振频率的运行频率运行并且当压电变换器用于生成非热大气压等离子体时，在该位置上形成振荡节点。
通过生成等离子体，构成输出侧的负载。由此，出现振荡节点的推移。在均匀的相同形状的、长度为L无压电效应的标杆情况下，其中该标杆以其谐振频率激励至振荡，可期望的是，振荡节点处于距离输入侧端面的（1/4）L的距离处以及处于距离输入侧端面（3/4）L的距离处。然而，已经表明，在用于等离子体生成的压电变换器中，振荡节点的位置相对于上述值（1/4）L和（3/4）L被推移。在此，后面阐述的不同效应是重要的。本发明能够实现，考虑振荡节点的位置的推移并且相应地定位第一支撑元件。由此，可以保证：第一支撑元件仅仅最小地衰减压电变换器。
针对在压电变换器中振荡节点的位置相对于均匀标杆的推移，尤其是下面的效应是重要的：由于在压电变换器的输出侧上生成等离子体而形成了负载，所述负载与压电变换器交互作用。通过与该负载的交互作用，压电变换器表现出谐振特性的频率从其并联谐振频率推移到较小的频率，其中压电变换器在所述并联谐振频率处无负载地具有在其阻抗方面的最大值并且因而表现出谐振特性。该较小的频率可以是运行频率，压电变换器以该运行频率来激励。通过压电变换器以小于并联谐振频率的运行频率来激励的方式，出现了振荡节点的位置的变化。该位置朝输出侧推移。
此外，压电变换器具有弹性模量，该弹性模量的分布与均匀标杆的弹性模量不同。在输入区域中的弹性模量与在输出区域中的弹性模量不同，因为在输入区域中的压电层与在输出区域中的压电材料垂直地被极化。此外，输入区域具有内电极，而输出区域具有单片压电层，使得输入区域的密度与输出区域的密度不同。输入区域和输出区域的不同的弹性模量引起振荡节点朝向输入侧端面的推移。
振荡节点由于输入区域和输出区域的不同弹性模量而朝向输入侧端面的推移效应可以比振荡节点由于以比并联谐振频率小的运行频率来激励而朝向输出侧端面的推移效应更强烈。
运行频率和并联谐振频率的差可以处于10kH和0.1kH之间。优选地，该差可以处于8kH和0.1kH之间，尤其是在5kH和0.1kH之间。运行频率被选择得比并联谐振频率小，以便考虑：取决于频率的阻抗谱在输出侧施加由于等离子体生成而产生的负载的情况下朝向较小的频率推移。压电变换器表现出谐振特性的频率的推移可以典型地处于这里说明的范围中。
并联谐振频率可以被定义为在以下情况下压电变换器的阻抗具有最大值的那个频率：在压电变换器上施加具有频率的交变电压并且压电变换器不产生等离子体。相应地，并联谐振频率的特征在于在以下情况下阻抗的最大值：压电变换器无负载地运行。
在一个替代的实施例中，用来运行压电变换器的运行频率可以小于串联谐振频率。尤其是，运行频率和串联谐振频率之差在此可以处于10kH和0.1kH之间。串联谐振频率可以定义为在以下情况下压电变换器的阻抗具有最小值的那个频率：压电变换器上施加具有频率的交变电压并且压电变换器不产生等离子体。相应地，串联谐振频率的特征在于以下情况下阻抗的最小值：压电变换器无负载地运行。
压电变换器可以具有输入区域和输出区域，其中输入区域具有压电变换器的输入侧端面，其远离输出区域地指向，并且其中输出区域具有输出侧端面，其远离输入区域地指向。长度L可以说明输入侧端面至输出侧端面的距离。压电变换器安置在第一支撑元件上的位置至输入侧端面的距离可以位于在（1/4）L-5mm和（1/4）L-0.05mm之间的区域中。在此，分别沿着纵向考虑支撑元件的中间点。在此可以将垂直于输入侧端面和垂直于输出侧端面的方向称为纵向。优选地，该距离可以位于在（1/4）L-3mm和（1/4）L-0.05mm之间、尤其是（1/4）L-1.5mm和（1/4）L-0.05mm之间的区域中。
长度L例如可以处于50mm和100mm之间，L优选为72mm。已经表明，第一振荡节点相对于针对理论上均匀标杆所期望的（1/4）L的位置朝向输入侧端面推移了几个mm。通过选择第一支撑元件在上述区域中的位置，能够实现将支撑元件布置在实际的振荡节点上，所述振荡节点在压电变换器运行时形成。由此可以保证：第一支撑元件仅仅最小化地衰减该压电变换器，并且因此不使得在等离子体生成时的效率变差。
压电变换器的输入区域可以被构造用于将施加的交变电压变换成机械振荡，其中输出区域被构造用于将机械振荡变换成电压。输出区域可以在纵向上直接连接到输入区域上。
该装置还可以具有第二支撑元件，压电变换器安置在该第二支撑元件上，其中压电变换器在以下位置处安置于第二支撑元件上，如果该压电变换器以运行频率运行并且该压电变换器被用于生成非热大气压等离子体，则在该位置上形成振荡节点。
第一和第二支撑元件可以布置在压电变换器的不同位置上。压电变换器的输出区域可以安置在第二支撑元件上。压电变换器的输入区域可以安置在第一支撑元件上。
尤其是，该装置可以具有多个第一支撑元件和多个第二支撑元件，其中第一支撑元件分别以至输入侧端面相等的距离来布置，第二支撑元件分别以至输入侧端面相等的距离来布置。
压电变换器安置在第二支撑元件上的位置至输入侧端面的距离可以处于在（3/4）L-0.5mm和（3/4）L-0.05mm之间的范围中。优选地，该距离可以处于在（3/4）L-3mm和（3/4）L-0.05mm之间、尤其是在（3/4）L-1.5mm和（3/4）L-0.05mm之间的范围中。在压电变换器的输出区域中形成的振荡节点的位置也可以基于上面讨论的效应而朝向压电变换器的输入侧推移。
压电变换器安置在第一支撑元件上的位置至输入侧端面的距离可以为（1/4）L-A。压电变换器安置在第二支撑元件上的位置至输入侧端面的距离可以为（3/4）L-B。B可以大于A。已经表明：在压电变换器的输出区域中，振荡节点朝向输入侧端面的推移大于在输入区域中的。通过选择B>A，可以在定位支撑元件时考虑该效应。
第一支撑元件可以被构造为，使得在压电变换器扭转和拉伸时，该第一支撑元件弹性形变。这也可以适于第二支撑元件。通过该弹性形变，第一支撑元件可以弹性地作用。第一和第二支撑元件可以尤其是与压电变换器一同构成振荡系统。因为第一支撑元件和必要时还有第二支撑元件因此与压电变换器一同振荡，所以这些支撑元件不衰减变换器的振荡。由此可以保证，没有能量通过支撑元件损失。
第一支撑元件可以具有选自聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚四氟乙烯、聚酰胺或者具有聚酰胺的玻璃纤维成分的材料。第二支撑元件也可以具有这些材料之一。这些材料的特点在于特别大的硬度和相应地高品质因数。相应地，这些材料几乎不经受塑性形变。由此可以保证：由这些材料制成的支撑元件不衰减压电变换器的振荡。
第一支撑元件可以在朝向压电变换器的方向上具有楔形变尖锐的形状并且相应地近似线状地贴靠在压电变换器上。第二支撑元件也可以具有朝向压电变换器楔形变尖锐的形状。通过楔形变尖锐的形状能够实现，压电变换器安置在支撑元件上的面被构造得尽可能小。由此也可以保证：这些支撑元件不导致压电变换器的振荡的衰减。
压电变换器可以被构造用于，在输出侧的端面上生成非热大气压等离子体。压电变换器例如可以是Rosen型变换器。
本发明的另一方面涉及一种等离子体发生器，其具有上面描述的装置以及壳体，该装置布置在该壳体中。
在该壳体中还可以布置有用于控制压电变换器的控制电路。该控制电路尤其是能够实现：在压电变换器的输入区域上施加带有运行频率的交变电压。
该控制电路可以经由接触元件与压电变换器电接触。等离子体发生器还可以具有用于向压电变换器输送过程气体的机构。该壳体还可以具有出口，由压电变换器生成的等离子体可以从该出口出去。通过设计该出口能够实现，将等离子束以期望的方式来成形。
附图说明
在下面，借助附图描述本发明的优选实施例。
图1示出了压电变换器的透视图，
图2示出了用于生成大气压等离子体的装置，
图3至14示出了模拟结果，这些模拟结果示出在压电变换器中振荡节点的推移，以及
图15至17示出了测量结果，这些测量结果示出在压电变换器中振荡节点的位置。
具体实施方式
图1示出了压电变换器的透视图。压电变换器1尤其是可以被使用在用于生成非热大气压等离子体的装置11中。
压电变换器1是谐振变换器的结构形式，所述谐振变换器基于压电性并且与传统的磁性变换器不同是机电系统。压电变换器1例如是Rosen型变换器。
压电变换器1具有输入区域2和输出区域3，其中输出区域3在纵向方向z上连接到输入区域2上。在输入区域2中，压电变换器1具有电极4，在所述电极上可以施加交变电压。这些电极4在压电变换器1的纵向方向z上延伸。这些电极4在垂直于纵向方向z的堆叠方向x上与压电材料5交替地堆叠。压电材料5在此沿堆叠方向x极化。
这些电极4布置在压电变换器1的内部中并且也被称作内电极。压电变换器1具有第一侧面6和与第一侧面相对的第二侧面7。在第一侧面6上布置有第一外电极8。在第二侧面7上布置有第二外电极（未示出）。内置的电极4在堆叠方向x上交替地或者与第一外电极8或者与第二外电极电接触。
此外，压电变换器1具有第三侧面20和第四侧面21，它们彼此对置并且与第一侧面6和第二侧面7垂直地布置。第三和第四侧面20、21的面法线分别指向堆叠方向x。
输入区域2可以利用小的交变电压来控制，所述交变电压施加在电极4之间。基于压电效应，施加在输入侧的交变电压首先被变换为机械振荡。所述机械振荡的频率在此基本上取决于压电变换器1的几何结构和机械结构。
输出区域3具有压电材料9并且没有内置的电极。在输出区域中的压电材料9在纵向方向z上被极化。输出区域3的压电材料9可以是与在输入区域2的压电材料5相同的材料，其中压电材料5和9在其极化方向上可以是不同的。在输出区域3中，压电材料9被成形为唯一的单片层，其完全沿纵向方向z极化。在此，在输出区域3中的压电材料9仅仅具有唯一的极化方向。
如果在输入区域2中的电极4上施加由交变电压，则在压电材料5、9内形成机械波，所述机械波通过在输出区域3中的压电效应生成输出电压。输出区域3具有输出侧端面10。在输出区域3中，因此在端面10和输入区域2的电极4的端部之间生成电压。在输出侧端面10上，在此生成高电压。在此，也在输出侧端面10和压电变换器的周围环境之间形成高电势差，该电势差足够产生强电场使得过程气体被电离。
通过这种方式，压电变换器1产生高电场，其能够通过电激励使得气体或液体电离。在此，相应气体或相应液体的原子或分子被电离并且形成等离子体。当在压电变换器1的表面上的电场强度超过等离子体的点燃场强时，总是发生电离。在此，原子或分子的电离所需的场强被称为等离子体的点燃场强。
压电变换器1还具有输入侧端面25。压电变换器1的长度L被定义为从输入侧端面25至输出侧端面10的距离。
图2示出用于生成大气压等离子体的装置11。该装置11具有在图1中所示的压电变换器1。压电变换器1在此附加地具有绝缘件12，其布置在压电变换器1的输出区域3中，其中绝缘件12至少部分地覆盖压电变换器1在输出区域3中的侧面并且输出侧端面10没有绝缘件12。绝缘件12例如可以由收缩软管构成。绝缘件12防止：沿着压电变换器1的输出侧边缘形成不期望的等离子体点燃。在一个替代的实施例中，压电变换器1不具有绝缘件12。
此外，装置1具有第一接触元件13和第二接触元件14。第一接触元件13与压电变换器1的第一外电极8连接。第二接触元件14与压电变换器1的第二外电极连接。通过第一和第二接触元件13、14可以将交变电压施加到压电变换器1的第一和第二外电极上。
接触元件13、14分别具有引线15，在其一端布置有块16。接触元件13、14的块16通过不可松开的固定装置固定在相应的外电极8上。所述块16例如可以通过焊接、键合、粘接或微银烧结被固定在压电变换器1的外电极8上。块16和引线15具有导电材料，例如铜。
此外，装置11具有支架17。所述支架17可以具有两个半壳体18、19。在图2中仅仅示出支架17的第一半壳体18，以便能够显示压电变换器1与支架17的连接。第二半壳体19可以与图2中所示的半壳体18相同。半壳体18和19是注塑件。
支架17具有第一支撑元件22和第二支撑元件23。尤其是，支架17具有多个第一支撑元件22。压电变换器1的输入区域2贴靠的每个支撑元件被称为第一支撑元件22。支架17具有多个第二支撑元件23。压电变换器1的输出区域3贴靠的每个支撑元件被称为第二支撑元件23。
压电变换器1的第三和第四侧面20、21分别贴靠在第一支撑元件22和第二支撑元件23上。在朝向压电变换器1的方向上，支撑元件 22、23分别楔形地变尖，使得它们近似线状地贴靠在压电变换器1上。支撑元件 22、23在此沿着纵向方向z布置在以下位置上，在所述位置上在变换器1以其运行频率运行时形成振荡节点。
通过支撑元件 22、23在压电变换器1的振荡节点上的布置以及通过支撑元件的楔形构型，能够实现，支撑元件 22、23仅仅最小地衰减压电变换器1沿着纵向方向z的运动。
压电变换器1在堆叠方向x上在两侧直接贴靠在各一个第一支撑元件22上和贴靠在第二支撑元件23之一上。在堆叠方向x上，两个第一支撑元件22和两个第二支撑元件23分别彼此相对。通过这种方式，防止压电变换器1相对于支架17沿堆叠方向x的运动。
此外，支架17具有第一和第二支撑元件22、23，在y方向上压电变换器1被包围在所述第一和第二支撑元件之间，其中所述y方向垂直于堆叠方向x并且垂直于纵向方向z。在y方向上，两个第一支撑元件22和两个第二支撑元件23分别彼此相对。这些支撑元件 22、23在朝向压电变换器1的方向上也楔形延伸并且近似线状地贴靠在压电变换器上。通过贴靠在支撑元件 22、23上，防止压电变换器1相对于支架17在y方向上的运动。
如上面已经讨论地，第一支撑元件22和第二支撑元件23布置在以下位置上，在所述位置上在压电变换器1以其运行频率运行时形成振荡节点。运行频率是略小于压电变换器的并联谐振频率的频率。
如果压电变换器1被用于生成非热大气压等离子体，则非热大气压等离子体用作负载。由此，压电变换器1的频谱被推移。尤其是，现在阻抗的最大值处于小于并联谐振频率并且可以被选择为运行频率的频率处。
沿着压电变换器1的长度L，在变换器1以运行频率运行时形成两个振荡节点。第一支撑元件22布置在形成第一振荡节点的位置上。第二支撑元件23布置在形成第二振荡节点的位置上。第一振荡节点处于变换器1的输入区域2中，并且第二振荡节点处于输出区域3中。
已经表明，在压电变换器1以运行频率运行并且同时生成等离子体（所述等离子体用作输出侧负载）时，在距输入侧端面25为（1/4）L-A和（3/4）L-B的距离处产生振荡节点，其中A>0并且B>0。A和B典型地处于几个毫米的范围中。
由于施加的负载以及由于输入区域和输出区域的不同弹性模量而造成的振荡节点推移，在后面借助模拟结果更详细地阐述。在图3、4和5中，分别观察长度L=72mm的压电变换器1。在此，观察压电变换器1，其不生成等离子体并且在其上不施加负载。在图3、4和5中，在模拟中观察无内电极4的变换器1。
在图3中，在横坐标轴上绘出频率，该频率被施加在压电变换器的输入区域上。曲线K1表明压电变换器1的阻抗的模Z。曲线K1的最大值说明压电变换器1的并联谐振频率。该并联谐振频率处于大约52.3kHz处。曲线K1的最小值说明压电变换器的串联谐振频率。该串联谐振频率处于大约51.5kHz。
曲线K2示出取决于施加的频率的电压增益。曲线K3示出相位。
在图4中观察偏移，所述偏移根据施加的交变电压频率而出现在压电变换器的不同位置上。
在图5中，观察在压电变换器1的输出区域3中形成的第二振荡节点根据所施加的交变电压的频率而相对于（3/4）L位置的推移。在此，实部和虚部分开地观察。在图5中所示的两个曲线的交点与压电变换器的串联谐振一致。这里，振荡节点向输入侧端面25推移2.4mm，也即在压电变换器1的输出区域3中的振荡节点处于距输入侧端面25为（3/4）L-2.4mm的距离处。
如果等离子体发生器在比起串联谐振更接近并联谐振的运行频率处运行，则第二振荡节点被推移略微小于2.4mm，如从图5中所示的曲线可以读出。
在图6、7和8中，针对长度L=72mm的压电变换器示出相应的曲线图，在其中施加有1Ω的输出侧负载。在这些图所基于的模拟中，一同考虑内电极4。
可以看出，串联谐振频率和并联谐振频率已经被推移到较低的频率。如在图8中可以看出的一样，在串联谐振频率的情况下，第二振荡节点朝输出侧端面10推移了0.2mm。
在图9、10和11中示出针对压电变换器1的曲线图，在该压电变换器1上施加了与10MΩ串联以及与8pF并联的1Ω的负载。在这些图所基于的模拟中，一同考虑内电极4。这种情形相应于在等离子体生成期间、在用于在压电变换器1上生成等离子体的实际装置11中出现的条件。串联谐振频率现在处于46.9kHz。并联谐振频率处于47.5 kHz，如在图9中所示。如在图11中可以看出，在串联谐振频率的情况下，第二振荡节点朝输入侧端面25推移了0.6mm。
在图12至14中，示出了针对压电变换器1的曲线图，该压电变换器1具有与10GΩ串联、与1pF并联的1Ω的负载。在这些图所基于的模拟中，一同考虑内电极4。在串联谐振频率的情况下，第二振荡节点朝输入侧端面25推移了1.9mm。
根据实验也可以证实：如果其输入区域2和输入区域3具有不同弹性模量的压电变换器1被用于等离子体生成，由此在输出侧端面10上形成负载，则振荡节点朝输入区域2推移。实验研究的结果在图16至18中示出。
在压电变换器1上撒上松散粉末。接着，以运行频率来控制该压电变换器1。变换器1在相应位置上运动得越小，所述粉末在相应位置上保持得时间越长。因此，表明了在其上保留粉末的位置，在那里形成振荡节点。
在图15中标记出离输入侧端面为（1/4）L和（3/4）L的距离。可以看出，第一振荡节点至输入侧端面25的距离小于（1/4）L，并且第二振荡节点至输入侧端面25的距离小于（3/4）L。分别在保留在变换器1上的粉末处可以看出第一和第二振荡节点。
图17示出了输出区域3的细节照片。可以看出，在输出区域3中，振荡节点从（3/4）L位置处朝输入侧端面方向推移了大约1.5mm。图18示出了输入区域2的细节照片。在输入区域中，振荡节点从（1/4）L位置处朝输入侧端面25方向推移了0.5mm。因此，在输出区域3中的振荡节点经历比在输入区域2中的振荡节点更大的偏移。
附图标记列表
1 压电变换器
2 输入区域
3 输出区域
4 电极
5 压电材料
6 第一侧面
7 第二侧面
8 第一外电极
9 压电材料
10 输出侧端面
11 用于生成大气压等离子体的装置
12 绝缘件
13 第一接触元件
14 第二接触元件
15 引线
16 块
17 支架
18 第一半壳体
19 第二半壳体
20 第三侧面
21 第四侧面
22 第一支撑元件
23 第二支撑元件
25 输入侧端面
x 堆叠方向
y y方向
z 纵向方向
L 长度