用于电子辐照洗涤的装置及方法与流程

本公开涉及通过暴露于电子和放电来捕获和/或利用气体或空气的组分的方法及其装置。通常，这通过使用功率管理、亚宏观结构和电介质材料来实现。

背景技术：

1、由温室气体排放引起的全球变暖对人类提出了重大挑战，尤其是由于全球能源需求不断增加。工业和能源部门的温室气体排放的强烈减少(脱碳酸)对于达到欧盟到2050年实现温室气体净零排放的气候中性的宏伟目标至关重要。

2、不幸的是，如国际能源机构所指出的，来自工业过程的温室气体排放可能难以减少，因为它们是由对这些过程本身至关重要的化学或物理反应引起的。在政府间气候变化委员会(ipcc)第五评估报告中引用的超过一半的模型要求碳捕获的目标为与前工业化时代相比升温保持在2摄氏度内。对于没有碳捕获的模型，减排成本上升138％。

3、即使国家多样化它们的能源组合，化石燃料也预期在几十年内满足世界上大部分能源需求。在此背景下，碳捕获、利用以及封存(ccus)技术由于它们在能量密集型工业中显著减少温室气体排放的潜力而吸引了日益增长的关注。

4、ccus是一组旨在从空气和/或点源(尤其是在功率、化学品、水泥以及钢铁行业内的工业源)捕获二氧化碳(co2，co2)排放以减少大气中co2的量的关键技术。ccus可以分为两类，即，碳捕获和封存(ccs)和碳捕获和利用(ccu)技术。

5、ccs方法捕获二氧化碳，这允许二氧化碳通过三种方法(燃烧前捕获、燃烧后捕获以及氧气燃料燃烧)中的一种与其他气体分离。然后将捕获的co2运输到合适的位点用于其最终的长期封存(即，地质或海洋封存)。

6、然而，ccs技术已经遇到了显著的问题，即，co2从其长期封存位点泄漏；若干ccs项目已经出现了这些问题。对于关于潜艇或地下封存安全的长期预测，存在普遍的困难和不确定性。

7、ccu与ccs的不同之处在于ccu既不旨在也不导致co2的永久性地质封存。相反，ccu旨在将捕获的二氧化碳转化成更有价值的物质或产品，诸如塑料、混凝土或生物燃料等，同时保持生产过程的碳中性。

8、因此，ccu的概念比ccs更有吸引力：代替将co2埋在地下，co2可以以循环方式用作原材料，作为化石燃料的替代物。然而，转化捕获的co2的现有技术受到co2的非反应性的限制；co2是具有高活化能的相对稳定的分子。

9、虽然已经证明，使用所捕获的co2作为原料与“绿色”氢气一起可以产生甲醇(生物燃料)，但是这条途径导致比ccs途径的电力消耗高10至25倍的电力消耗。这主要是由于通过电解产生氢气所需的电力，伴随电力混合物的非常低的碳强度的相关严格要求。类似地，出于制造具有捕获的co2的化学品的特定目的而生长和加工的生物质的使用要求土地容量分别比甲醇合成和ccs途径所要求的高约40和400倍，具有与其他应用冲突的相关风险。

10、因此，仍然存在对ccu的技术需要，ccu对于转化co2是(电)能量有效的并且具有最小的空间要求。

11、用于处理来自化石燃料燃烧设施(诸如电站等)的排放的现有的节能技术是电子束烟气处理(ebfgt)。ebfgt允许通过用氨(nh3，nh3)转化成可用作农业肥料的非有害硫酸铵-硝酸盐以低能量成本从烟道气体(即，穿过废气烟道的气体)中去除硫氧化物(sox，sox)和氮氧化物(nox，nox)。这种技术涉及穿过电子束反应器的加湿的烟气，其中，高能电子轰击氮气、水以及氧气以产生强试剂，这些强试剂与硫氧化物和氮氧化物反应以形成硫酸和硝酸。

12、在ebfgt中，电子束反应器由电子束加速器组、具体地双栅四极电极枪形成，其中，阴极壳体位于真空壳体中。自由电子在超净环境(称为超高真空)中产生，其中，压力比大气压力低大约12个数量级。电子然后被加速并且被传送穿过铝或钛膜，铝或钛膜将超高真空环境与污染物气体在其中流动的烟道烟囱间隔开。穿过铝膜的电子与气体分子碰撞并且开始去除污染物的化学链反应。

13、然而，与入射在金属膜上的数量相比，仅非常低比例的电子从金属膜发射。由于能量在膜中被转换成热而浪费，这使得该方法效率低下。此外，由于电子加速器的安装，这种ebfgt系统的实施需要非常大的资金成本。电子加速器还要求频繁的维护和极端的安全要求，这在反应器安装的位置中是不期望的或不可能的。进一步，为了冗余的目的，必须实施多个加速器。

14、对于超高真空的需要增加了费用并且可能导致加速器故障。此外，将该技术用于移动应用是不期望的，因为至少防止x射线发射和电离辐射所需的辐射屏蔽很重。

15、鉴于上述情况，因此仍然需要用于降低co2含量的实用手段和能够有利地转化气体的组分(诸如co2等)的对应装置。

技术实现思路

1、根据第一方面，提供了用于从气体中去除co2的放电。已经发现，在放电过程中产生的高能电子从含有co2的气体中去除co2。由于可以在不需要真空或电子束的情况下提供放电，并且我们已经发现，这允许气体中的co2量可以减少，这提供了一种简化的过程，通过该过程co2能够通过已知的技术从气体中去除。该方法减少了在已经处理之后存在于气体中的co2的量。

2、所谓术语“放电”，我们旨在意指某种形式的放电，诸如等离子体生成放电等。通常，这意指在施加的电场中通过介质(诸如气体等)释放和传输功率。以丝极形式的电子流从位置传递到另外的位置或在两个点之间通常实现这一点。电子的流通常是丝极形式的电子的瞬时流。由此，我们旨在意指在放电期间在微放电/丝极中的电子流在每次单独的放电点火事件期间仅持续短时间。当然，如果保持合适的条件，随时间推移可能存在许多丝极。放电允许在所施加的电场中通过气体传输功率。

3、放电可以用于通过将co2转化为一种或更多种其他物质来去除co2。这允许通过相同手段捕获和利用co2，并且同时，并且因此避免封存co2的需要。

4、任何形式的放电可以适用于从气体中去除co2，例如脉冲、电晕、电子束、射频、微波、紫外光辐射放电、电刷、电辉光、电弧、静电、局部、流束、真空电弧、汤森(townsend)、电子的场发射或气体中的放电、导带(或火花)、圣埃尔莫火(st.elmo’s fire)或闪电。然而，通常，放电可以是屏障放电。我们已经发现，屏障放电能够用于减少气体中的co2含量，从而允许其用于减少来自空气和/或点源(诸如废气等)的co2。电介质的存在不允许电弧或火花发生(即，在电极之间产生持续电流的放电)。相反，它仅允许微放电发生，微放电通常仅持续微秒。这提供了必要的能量和部件以有助于化学反应路径，通过化学反应路径，co2能够被分解，同时限制提供持续放电所需的功率的量。

5、通常，放电是电介质屏障放电。在使用电介质屏障放电中，放电是更可控的，因为发生较少的火花，意指存在由放电引起的较少的磨损和损坏。

6、虽然气体可以是来自任何来源的任何气体或者可以只是局部可用的气体，诸如空气等，但气体可以是废气。另外地或可替代地，气体可以是含有co2的气体。这允许放电用于减少来自例如船和其他车辆、发电厂和焚烧炉中的内燃机的空气和废气(诸如烟道排放等)中的co2。

7、根据第二方面，提供了用于从气体中去除co2的屏障放电。

8、根据第三方面，提供了用于从气体中去除co2的电介质屏障放电。

9、根据第四方面，提供了放电在从气体中去除co2中的应用。

10、通常，放电可以例如通过将co2转化为一种或多种其他物质而从气体中去除co2。

11、尽管可以使用任何形式的放电，但是通常放电可以是屏障放电。例如，放电可以是电介质屏障放电。

12、气体可以是空气或来自任何本地、远程、周围、环境或人造来源的气体。通常，气体可以是废气。另外或可替代地，气体可以是来自发动机的气体。

13、根据第五方面，提供了一种电介质屏障放电装置，包括：至少两个电极，至少两个电极被布置成在使用中提供至少一个阳极和至少一个阴极，至少两个电极被间隔开以允许在使用中在电极之间存在流体，以及电极中的至少一个电极具有连接至电极的至少一部分的电介质部分；亚宏观结构，亚宏观结构连接到至少两个电极中的至少一个电极和/或连接到电介质部分；以及驱动电路，驱动电路连接到至少两个电极中的每一个电极并且被布置成在使用中在电极之间建立电场，其中，响应于电极之间存在的电场，亚宏观结构被布置成场发射电子并且能够在电介质部分和至少两个电极中的一个电极之间建立放电，以及驱动电路进一步被布置成在使用中向流体提供实际功率。

14、将亚宏观结构应用于电极或电介质部分是技术上困难的过程，这是由于需要在亚宏观结构内保持顺序以及难以将亚宏观结构附接到电极或电介质部分的表面。此外，使用亚宏观结构实现“板到点”亚宏观结构，造成电场强度的均匀性的差异，因为在亚宏观结构的端部处的场强度高于(例如)通常具有更大面积的电极，场在电极上扩展。然而，我们已经发现，在电介质屏障放电装置中使用亚宏观结构允许比不组合使用亚宏观结构和电介质部分时使用更少的功率。这是因为，在使用中，当在阳极和阴极之间建立电场时，亚宏观结构场发射电子。场发射导致阳极和阴极之间的间隙具有提高的电子密度。这节省了功率，因为存在更多的电子来引发化学反应。当在物理应用中使用时，通常保持经典和量子过程彼此分开时，这通过将经典的放电静电现象与以场发射形式的隧穿的量子现象组合来实现。驱动电路通过使至电极和电介质部分(诸如在电介质屏障放电dbd设备中等)的实际功率最大化来进一步增强能量效率。

15、因此，用于实施亚宏观结构的电极设置的驱动电路和电介质部分布置的总体组合允许足够的能量效率以允许从气体中去除co2是可行的。此外，由于这种组合将co2转化为其他物质，根据这个方面的装置提供了碳捕获和利用的能力，提供了以上针对ccu陈述的环境益处。

16、所谓短语“实际功率”，我们旨在意指在施加的电压的周期(例如，t0)上平均地提供给电极的瞬时功率(p(t))，其中，周期通常是从激励的开始或电源窗口的开始至下电源窗口的开始的周期。实际功率(p)可以计算为：

17、

18、其中，“t”是时间，以及“t0”是激励开始时或电源窗口开始时的时间。

19、因此，实际功率也可以被认为是指在使用中在电极之间存在的流体中产生高能电子的速率。这提供了电能(例如，来自驱动电路)到化学能(例如，在使用过程中在电极之间的流体中)的转换。由于多种因素，例如电路、电极、电介质的损耗和/或加热流体，转换可导致损耗。此类损失通常是不期望的，但是在这个过程中可能是不可避免的。因此，损耗可以最小化以具有高能量电子的最大产生速率。

20、所谓连接至电极或电介质部分中的至少一个的亚宏观结构，我们旨在意指着至少一个亚宏观结构连接至至少一个电极或电介质。这意指多于一个电极和/或电介质部分可以具有与其连接的一个或更多个亚宏观结构。当然可以有多个亚宏观结构，每个亚宏观结构与电极或电介质部分之一连接，例如所有亚宏观结构仅与单个电极或仅与电介质部分连接，或者一个或更多个电极和/或电介质部分与一个或更多个亚宏观结构连接。当亚宏观结构连接到电极或电介质部分时，亚宏观结构仅连接到各个电极或电介质部分，而不连接到或另外的电极或电介质部分(当连接到电极时)。

21、流体通常是气体，但可以是另一种类型的流体，诸如液体等。

22、由驱动电路提供的实际功率可以是实际功率的(预定)量，使得驱动电路可以被布置成向流体提供一定量的实际功率。这可以是固定量的实际功率，但是由于传递到流体并且由此从驱动电路汲取的瞬时和/或实际功率的量的波动和变化，这通常不是有用的。这可能是由于流体的条件的微小变化，诸如流体的含量、温度和/或流速等。因此，通常，实际功率的量是可调节(所谓可调节，我们旨在意指可变或可修改)的实际功率的量，使得驱动电路可布置成向流体提供可调节的实际功率的量。

23、亚宏观结构可以是任何亚宏观结构，诸如介观结构等。通常，亚宏观结构可以是微结构或更小。例如，亚宏观结构可以是碳、硅、氧化钛或氧化锰纳米线、纳米管或纳米角或不锈钢、铝或钛微针。

24、亚宏观结构可以是碳纳米管(cnt)或微针。已经发现，cnt和微针在暴露于电场时是非常好的电子场发射体。这是因为这些亚宏观的结构可以在相对低的施加电压下产生大量的电子，因为它们非常高的长宽比(通常50至200纳米(nm)的直径与1至2毫米(mm)的长度，即，5,000至40,000纵横比)以及它们的低功函数(通常约4电子伏特(ev))。高纵横比在亚宏观结构的尖端处引起大的场增强，在低施加电压下可实现几伏/微米，也称为微米(v/μm)。来自这种亚宏观结构的场发射所需的最小电场强度通常约为30v/μm。这可以通过改变亚宏观结构的长度、亚宏观结构的直径、用于产生电场的电极之间的距离以及用于建立电场的施加电压中的一个或更多个来实现。如果使用(单独的)亚宏观结构的阵列，阵列的密度也可以变化以改变电场强度，因为亚宏观结构趋于彼此屏蔽。

25、亚宏观结构可以是多壁cnt(mwnt)或金属单壁cnt(金属swnt)。

26、驱动电路可以被布置成在使用中通过施加双极电压脉冲的脉冲序列向流体提供实际功率，双极电压脉冲在该脉冲序列中具有有限数量的脉冲。这允许dbd设备以高电压转换速率被激励，同时显著减小电流应力，并且这降低了由功率电子器件处理的峰值功率。

27、此外，驱动电路可以被布置成在使用中通过施加双极电压脉冲的脉冲序列向流体提供实际功率，其中，双极电压脉冲具有在脉冲序列中的一个与五个之间的脉冲。脉冲的重复频率可受到功率电子器件的最大操作温度的限制。一般来说，脉冲功率转换器设计利用缓慢的热响应。这意指如果在常规脉冲系统中使用高脉冲重复频率，则耗散的峰值功率将太大而不能保持在功率电子器件的更安全的操作温度内。这通过限制从单个脉冲序列产生的放电点火事件的最大数量并且然后具有允许在下脉冲序列之前发生冷却的时间段来减小。通过实现具有几个连续的双极电压脉冲的脉冲序列，通过将脉冲序列中的脉冲数限制为相应的或相似的数量，将放电点火事件的数量限制为在1与和5之间，这在以非常高的效率(例如，约90％或更高的效率)提供能量传递的同时实现。

28、由驱动电路提供的实际功率可以由被布置成在使用中将电场强度维持在阈值以上的驱动电路提供。阈值可以是能够发生放电点火的阈值。通过提供这样的放电，这能够通过产生与流体相互作用的高能电子而引起实际功率到流体的传递，从而实现流体或流体组分的分解。

29、驱动电路可以通过任何合适的手段(诸如通过以设定量提供恒定的功率供应、从某种形式的dc电源或者通过以正弦波形以预定的频率提供恒定的ac电源或连续的功率供应等)提供实际功率。通常，驱动电路可以进一步包括在使用中跨至少两个电极连接的电源以及连接在电源与至少两个电极中的至少一个电极之间的电感，从而在使用中建立谐振回路，功率在使用中在脉冲序列中并且仅在脉冲序列过程中被提供到回路，每个脉冲序列的脉冲频率在使用中能够调谐到回路的谐振频率上，功率由每个脉冲序列充电所提供并且将回路维持在阈值，在阈值处发生放电点火，每个脉冲序列的放电点火事件被限制到最大数目，基于驱动电路被布置成在使用中在最大数目已经发生之后禁止每个脉冲序列将功率传输到谐振回路而将每个脉冲序列的放电点火事件限制到最大数目。

30、通过向谐振回路提供功率的脉冲序列，在每个脉冲序列的持续时间内，存储在谐振回路中的能量的量增加，也称为“充电”谐振回路。当跨电介质放电间隙的电位差达到阈值(vth)时，跨电介质放电间隙发生电介质屏障放电。通过将脉冲序列的脉冲频率(所谓脉冲频率，我们旨在意指表示单个脉冲之间的周期的倒数或脉冲序列内的脉冲的循环周期)调谐至振荡回路的谐振频率，充电过程引起电位差的幅度的快速增加。这在例如小于十个循环内将电位差振幅增加至阈值以达到发生电介质屏障放电的阈值(其也可以被称为“点火阈值”)。

31、通过使用本文描述的方面的装置来提供对电流施加的应力的限制。通过在所述脉冲序列期间通过谐振回路电压增益(导致驱动电路中的降低的功率损耗)在几个周期(即，单个脉冲)内产生到阈值的电位差，使用这样的装置实现电流施加的应力的限制。在常规多脉冲系统中，通过使用单脉冲来提供等离子体放电，需要高升压变压器，导致更高的电流，并且由此升高例如施加在初级绕组侧上的电流。

32、此外，在不需要过电流检测的情况下保护电源免于短路。这是由于谐振回路的电感提供足够的阻抗以在电源的输出端子短路的情况下限制电流，例如，由于在电介质屏障处的短路故障。

33、此外，通过限制放电点火事件的数目，减少了仅用于加热或产生反应性较小物质的能量耗散。实际上，我们已经发现，通过实施谐振ac和有限脉冲激励的这种混合，可以提供有效的污染物减少，同时还具有高功率转换效率。

34、因此，总的来说，在根据方面的设备中，实现了高效率地向电介质屏障放电器件的功率传输(由于谐振效应)，同时还限制了电流施加的应力并防止了短路，从而保护电路组件。

35、通常，在一个脉冲序列的结束时间与下一个脉冲序列的开始之间存在时间差。换言之，在一个脉冲序列的结束与下一个脉冲序列的开始之间可能通常存在一个时间段，在该时间段期间没有脉冲，这允许将一个脉冲序列与下一个脉冲序列区分开来并且避免连续的脉冲序列之间的任何并行部分或重叠。

36、电介质放电间隙旨在是电介质放电器件的电极之间的间隙。由于间隙，这通常提供电容，其中进一步的电容由电介质提供。当然，当根据该方面的驱动电路跨过放电间隙连接时，由于间隙的边缘/侧面由电极提供，所以旨在驱动电路被连接(即，连接)。以允许驱动电路向电极提供电流并在电极之间建立电势差的方式电连接到至少电极。在不同示例中，驱动电路仍然可以通过连接到导线或电缆而跨电介质放电间隙连接，导线或电缆连接到形成包括驱动电路和电介质放电间隙的闭合电路的电极。

37、由谐振回路供应的功率的循环周期旨在指电流和/或电压经过如由频率确定的单个振荡周期(仅)所花费的周期。换言之，这旨在是电流和/或电压(仅)通过单个波长所花费的时间。

38、电介质在电介质放电间隙处的存在通常不允许电弧或火花发生(即，在电极之间产生持续电流的放电)。相反，它通常仅允许微放电发生，微放电通常仅持续几微秒。这提供了必要的能量和组分，以有助于化学反应路径，以分解放电所经过的介质中的化合物，同时限制提供持续放电所需的功率量。

39、由根据本文描述的方面的驱动电路引起的放电的过程可被视为在达到点火阈值之前最初不存在发生放电。这意指放电间隙(诸如电极之间等)中的气体没有被离子化，并且没有放电，并且特别相关的是，功率不被输送到气体。然而，一旦达到阈值，发生放电。这由单点(诸如在限定放电间隙的一侧的电极的表面上的某种形式的亚宏观结构等)导致形成无数的瞬态丝极(每个表示微放电)。每个丝极的寿命(即，存在相应丝极的时间段)大约为几十纳秒。仅在这些瞬态微放电的寿命期间，在放电间隙中形成高能电子，从而允许将功率递送到间隙中的介质。由于能量水平是足以引发化学反应的量，由所产生的高能电子递送的功率能够引发污染物分解。

40、将放电间隙维持在电压阈值处无限期地造成电荷累积在电极的表面上和dbd设备的电介质放电间隙的电介质屏障上。这可以通过使用脉冲来避免。由于脉冲提供的交变极性，脉冲可以被认为是将放电间隙处的瞬时电压保持在点火阈值的时间量限制为几微秒量级的周期。这意指在此期间仅能够生产过渡丝极。因此，可以发生微放电的周期可以被认为限于放电间隙处的瞬时电压保持在点火阈值的时间量，并且那些瞬时丝极的总和可被认为是“宏观放电”或“放电事件”。

41、鉴于上述四个段落，术语“放电点火事件”因此旨在是宏观放电或放电事件的开始；或换言之，瞬态丝极形式的微放电能够发生的时间段的开始，这是在达到阈值时的开始。此阈值通常为电压阈值，例如呈跨限定间隙的电极/电介质层和电极的电位差(例如，δv)的形式的电介质放电间隙处的电压阈值。

42、可调谐到回路的谐振频率(还能够被称为“谐振频率”)的脉冲序列的脉冲频率在使用时旨在意指脉冲频率可以被调谐到能够被认为是谐振频率的多个频率中的一个或更多个。这些包括理论谐振频率(即，当不考虑现实世界效应时将被计算为谐振频率的频率)，或者实际应用的谐振频率，诸如考虑现实世界效应的频率等，其可以包括导线和/或其他部件中的电感和/或电阻、阻尼或阻抗中的一个或更多个。因此，如下面进一步详述的，零电压切换频率。

43、放电点火事件的最大数量可以通常在一个与五个事件之间，诸如在一个与三个事件之间，包括(仅)一个事件、两个事件或三个事件等。通过限于如此少的排放点火事件，我们已经发现，这产生了最节能和有效的污染物分解。这是由于由于或多个放电点火事件而发生的能量传递限制向放电间隙中的介质传递，并且由此引导较高比例的能量以引起介质中的化合物的分解。

44、驱动电路可以进一步包括相位计，相位计与回路通信并且被布置成在使用中识别(诸如通过监测等)在每个脉冲序列过程中提供给回路的功率的相移，相移对应于放电点火事件的发生，以及其中，驱动电路可以被进一步布置成在使用中基于自从每个相应的放电点火事件以来在相应的脉冲序列中的脉冲的数量来确定放电点火事件的最大数目何时已经发生。

45、我们已经发现，这样的相移表示放电的开始，并且因此，可以标识从该点发生的放电点火事件的数量(诸如通过计数或了解对从该点向前的脉冲序列中的脉冲数量等)。这意指能够确定何时已经达到放电点火事件的最大数量以停止发生的进一步放电点火事件。通过监测例如谐振回路的输入处的电压-电流相移(诸如在h桥端子处测量的电压-电流相移等，以下进一步详述该h桥的相关性)，可以检测到第一放电点火事件。在谐振回路的充电期间(例如，快速电压建立)，通常接近零相移(在谐振时激励)。然而，一旦等离子体作为放电点火事件的一部分被点火，则由于“点火的”放电间隙所施加的电容的增加，谐振频率通常发生偏移。当被监测时，可以通过监测相移来立即检测谐振频率偏移。

46、如上所述的这种相位计(例如，相位检测单元)可以由控制器、处理器、微处理器或微控制器或能够监测至少两个信号的相位的另一个这种装置提供。

47、除了相位监测或使用相位计之外或作为另外一种选择，每个脉冲序列可以具有预调谐的或优化的脉冲数(即，脉冲序列内的脉冲数)。通常能够计算或模拟给谐振回路充电将需要多少脉冲，并且通常每个脉冲(仅)存在单个放电点火事件，或者至少能够计算每个脉冲将引起多少放电点火事件。这允许可以将脉冲列中的脉冲数量设置为至少期望的放电点火事件的最大数量加上对回路充电所需的脉冲数量。如果使用这种方法，则当脉冲被用于使谐振回路放电时，当然可以存在包括在相应的脉冲列中的另外的脉冲。如果使用该方法，则这些脉冲还可包括计算每个脉冲序列需要多少脉冲。

48、换言之，相位差还可以用于检测电介质屏障放电的发生的开始。检测这可以允许在将脉冲序列从提供能量转变成例如在限定数量的放电点火事件之后的能量恢复时对其进行识别。同样如上所述，在放电间隙中出现电介质屏障放电增加了有效电容。这导致谐振频率的减小，并且因此对于给定的驱动频率(诸如脉冲序列的脉冲频率等)可测量的相位差的增加。鉴于此，可以看出，驱动电路的相位计和控制器可以彼此是相同的部件。可替代地，控制器和相位计可以彼此通信，或者控制器可以结合相位计，诸如作为控制器的部件的相位计等。

49、驱动电路可以进一步包括变压器，其次级绕组形成谐振回路的一部分，变压器是升压变压器。这降低了谐振回路中实现电介质屏障放电电压电平(即，vth)所需的最小电压增益。通过升高电压输入电平。此外，变压器的使用减少了接地电流(在dbd设备的电极与任何周围的金属外壳之间的寄生电容中流动的电流)，由此减少了emi。虽然变压器可以位于电路中，初级绕组形成谐振回路的一部分而不是次级绕组，但是在次级绕组形成谐振回路的一部分的布置中，变压器的千伏安(kva)额定值能够降低。在这种情况下，可以补偿dbd设备的无功功率。

50、驱动电路可以被布置成在使用中在每个脉冲之后使初级变压器绕组短路。这减少了由于组成谐振回路的组件而可能发生的振铃。当使用逆变器时，变压器初级绕组的短路可以在使用中通过接通逆变器的低侧或高侧来实现。这避免了在电路中包括其他部件的需要，由此限制部件数量。

51、谐振回路的电感可以由一个或更多个部件提供或贡献，并且可以由电路内的部件之间的导线或电缆中的电感提供。至少一部分电感(诸如一些或全部电感等)可以由变压器提供。这利用了变压器的通常不期望的特性，从而允许该特性被用作对电路运行的贡献。由变压器提供的任何电感可以是变压器的漏电感(也称为杂散电感)。在一些情况下，这可允许谐振回路不需要还包括电感器作为特定组件。

52、另外地或可替代地，对于提供电感的变压器，电感的至少一部分(诸如电感的一些或全部等)可以由电感器提供。这提供了被设计成提供待使用的电感的部件，由此优化电路。在电感部分地或全部地由电感器和变压器提供的情况下，每个电感器和变压器贡献于电源与电介质放电间隙之间的电感，并且由此贡献于谐振回路的电感。

53、驱动电路可以进一步包括跨电源连接的功率存储设备，功率存储设备被布置成在使用中接受和存储功率放电(即，功率耗尽)在每个脉冲序列之后从回路中排出。这提供用于存储/重新存储电路内的功率的器件，否则功率将由于谐振回路中的能量耗散而损耗。这减少了脉冲序列之间的能量损失并且允许所存储的能量有助于形成下一个高压脉冲序列。这节省了能量并且因此使电路更高效。

54、能量或功率回收能够通过被动或主动器件来实现。通常，使用主动器件，诸如驱动电路通常被布置成在使用中在已发生最大数目的放电点火事件之后使脉冲序列(中的脉冲)的相位偏移180度(°)。通过实现这个机制，当用于能量回收的被动器件(以及潜在地任何其他主动器件)是不可能的时，例如由于使用松散耦合的空气芯变压器，能够实现能量回收。这由此允许仍然实现从能量回收可实现的效率增益。相移可以针对与在脉冲序列中使用的用于将谐振回路充电到阈值的脉冲数量相同的脉冲数量就位，尽管将有可能针对不同数量的脉冲应用相移。这在谐振回路充电和放电时维持类似的功率流。

55、亚宏观结构可以电连接到电极中的至少一个。另外地或可替代地，这个或每个电极可以被布置成在使用中提供阴极，这个或每个亚宏观结构电连接到这个或每个电极。

56、根据第六方面，提供了一种用于(即，适用于)从气体中去除二氧化碳的装置，该装置包括：第一电极和第二电极，第一电极和第二电极被布置成在使用中提供阳极和阴极；亚宏观结构，亚宏观结构连接到第一电极的电介质部分和连接到第一电极或第二电极或连接到电介质部分，其中，响应于在电极之间存在的电场，亚宏观结构被布置成场发射电子并且能够在电介质和第二电极之间建立放电；驱动电路，驱动电路连接到第一电极和第二电极并且被布置成在使用中能够在第一电极和第二电极之间建立电场，其中，响应于电极之间的电场的存在，亚宏观结构被布置成场发射电子并且可以在电介质部分和至少两个电极中的一个电极之间建立放电，并且驱动电路还被布置成在使用中向存在于电极之间的流体(诸如气体等)提供实际功率；以及耦接至电极的外壳，电极位于外壳上，使得亚宏观结构和电介质部分各自延伸到包含待洗涤的气体的容器中，使得容器的内部能够暴露于电子和放电。

57、电介质部分、亚宏观结构以及驱动电路的使用提供了降低建立放电所需的功率和电压同时允许从气体中去除co2的协同效应。此外，通过使用电介质部分，通过减少火花的量，并由此减少由放电引起的磨损和损伤的量，允许更可控制放电。如果在没有电介质部分的情况下使用亚宏观结构，则更大量的火花将限制亚宏观结构的有用性，因为这通常比装置的其他部分更容易受到来自火花的损坏。相反，如果在没有亚宏观结构的情况下使用电介质，则引发co2击穿的电子密度将更低，因此需要更高的能量来实现相同的还原效率。此外，驱动电路的使用减少了功率浪费，并且因此增加了总效率。这样，使用电介质、亚宏观结构以及驱动电路的组合效果具有比所提供的每个独立使用的益处更大的益处。

58、在此方面提供的实际功率可以以与上面关于较早方面所述的相同方式提供。例如，驱动电路可以被布置成在使用中通过施加双极电压脉冲的脉冲序列向流体提供实际功率，其中，双极电压脉冲具有在脉冲序列中的有限数量的脉冲。此外，驱动电路可以被布置成在使用中通过施加双极电压脉冲的脉冲序列向流体提供实际功率，其中，双极电压脉冲的脉冲序列具有在脉冲序列中的一个与五个之间的脉冲。

59、旨在壳体可以被布置成允许从壳体内的气体中去除co2。这可以通过将电极定位在壳体上使得亚宏观结构和电介质部分各自延伸进入到容器中来实现。

60、第一电极可以被布置成在使用中提供阳极(或阳极，如果存在一个以上阳极，诸如当存在两个以上电极时等)。另外地或可替代地，第二电极可以被布置成在使用中提供阴极(或阴极，如果存在一个以上阴极，诸如当存在两个以上电极时等)。

61、亚宏观结构可以电连接到电极中的一个电极。通常，亚宏观结构与第二电极电连接。

62、电极可以是用于提供允许在其间建立电场的电极的任何合适的材料。通常，电极可以由导电金属制成。

63、电介质部分连接到第一电极并且亚宏观结构连接到第二电极，使得将电介质部分和亚宏观结构施加到各个电极上是独立的。这避免了用于向电极施加电介质部分和用于向电极施加亚宏观结构的过程分别损坏亚宏观结构或电介质的可能性。因此，这简化了装置的制造过程并且降低了制造中的故障率。

64、以下特征可以适用于任何方面。

65、电介质部分可以提供覆盖其连接到的电极或每个电极的至少一部分的形式。通常，电介质部分是在电介质部分所连接的电极或每个电极的表面的至少一部分上的涂层。例如，电介质部分可以涂覆其连接到的电极或每个电极的整个表面。

66、电介质部分可以具有在约0.1mm与10mm之间(诸如约2mm等)的厚度。

67、所谓将电介质部连接到至少一个电极上，我们旨在意指与电介质部连接的每个电极独立于每个电介质部分和电极而连接到电介质部。这意指可以存在多个电介质部分。每个电介质部分可以仅连接到单个电极。

68、电介质部分可以是云母、石英、熔融二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、钛酸钡、熔融二氧化硅、硅酸二氧化钛、氮化硅、氧化铪或陶瓷中的一种或多种。在这种情况下，所谓短语“一种或多种”，我们旨在意指当使用两种或更多种指定材料时，两种或更多种指定材料的组合。

69、通常，电介质部分是石英。这是因为作为这种材料的石英是容易获得的、低成本的、可以被大量处理并且可以具有高的热应力耐受性。可替代地，电介质部分可以是云母。云母是有益的，因为它具有比其他电介质材料(诸如玻璃等)稍高的电介质常数。

70、如上所述，亚宏观结构可以是任何形式的适当尺寸的亚宏观结构。通常，亚宏观结构可以是纳米结构。

71、纳米结构具有的长度与宽度的纵横比可以为至少1,000(即，1,000比1)。纵横比为至少1,000的纳米结构比纵横比较低的纳米结构提供更有效的场发射。纵横比可以是至少5,000或至少10,000。已经发现，增加长宽比进一步增加场发射的效率。

72、作为纳米结构的可替代方案，亚宏观结构可以是微结构。通常，微结构可以具有的长宽比至少为5(即，5比1)，诸如长宽比或至少8、9或10等。微结构通常不像纳米结构(诸如cnt等)那样有效地场发射。然而，使用微结构(诸如微导线等)简化了装置的制造，因为可以容易地在工业规模上制造垂直对准的微结构的大阵列。

73、装置可以进一步包括基底，在基底上形成或定位了每个亚宏观结构。基板可以是导电的。

74、基底可以包括在阴极中或电连接至阴极。

75、基底可以包括硅和金属中的一种或两种。硅可以是高掺杂导电硅。硅可以至少在形成或定位亚宏观结构的一侧上涂覆有铝。金属可以包括钛和/或钛合金和/或铝和/或铝合金和/或铜和/或铜合金。可以对金属进行抛光。

76、亚宏观结构可以用一种或多种低功函数材料(诸如高达4ev等)涂覆。这改善了亚宏观结构的场发射。可替代地或者附加地，亚宏观结构可以掺杂增强电子传输或者增强导电性的材料。这使得场发射更高效。例如，iii族(受体)或v族(供体)原子(例如，磷或硼)可以用于硅纳米结构。

77、亚宏观结构可以至少部分地涂覆有具有高达或小于4ev的功函数的材料。材料可以是铯或铪。

78、涂层材料的熔点可以为至少400℃。

79、亚宏观结构可以至少部分地涂覆在催化涂层中。催化涂层可以是钴、铑、铱、镍、钯、铂、银、金、氧化钒、氧化锌、二氧化钛以及三氧化钨中的一种或多种。催化剂可以施加在稳定涂层(诸如二氧化钛等)上。

80、亚宏观结构可以是(单独的)亚宏观结构的阵列。阵列可以包括以下至少两种的组合：一个或更多个未涂覆的亚宏观结构，至少部分地用具有小于4ev的功函数的材料涂覆的一个或更多个亚宏观结构，以及至少部分地在催化涂层中涂覆的一个或更多个亚宏观结构。

81、亚宏观结构可以是空心的。当亚宏观结构是中空的时，亚宏观结构的内部可以至少部分地用硬化材料填充。硬化材料可以包括过渡金属如钛、铁或铜。硬化材料可以包括基底的材料，在其上可以形成亚宏观结构。基底可以包括钛。硬化材料可以包括碳化钛。

82、亚宏观结构可以掺杂有电子传输增强材料或导电性增强材料。

83、在一些实施例中，电极在使用中被布置在20℃与500℃之间。在其它实施例中，电极被布置成在使用中在100℃和400℃之间，诸如150℃等。这些温度允许装置最佳地操作。通常认为150℃的温度是用于分解co2的化学路径被最佳化同时最小化装置组件的材料分解的温度。

84、如果使用二氧化钛来形成亚宏观结构或涂覆亚宏观结构，则亚宏观结构的温度(出于任何原因，诸如由于自修复的故意加热或由于暴露于热废气的结果等)应保持低于600℃。这是因为高于该温度，二氧化钛从锐钛矿结构变为金红石结构，这是不期望的。

85、驱动电路可以被布置成在使用中将一个电压脉冲提供给所述至少一个电极。电压脉冲增加了电极之间的气体的电离，由此加速了从气体中去除co2的过程。

86、驱动电路可以被布置成在使用中提供具有以下中的至少一个的电压脉冲：1纳秒(ns)和1毫秒(ms)之间的持续时间；以及在100赫兹(hz)与10mhz之间的重复周期，脉冲重复优选地形成具有小于50％的占空比的脉冲序列。

87、驱动电路可以进一步包括在电源与回路之间的逆变器，逆变器被布置成在使用中调制从电源到回路的功率供应。这允许提供给谐振回路的功率的特性和属性由驱动电路内的部件确定，而不是由驱动电路的任何输入确定。与由在驱动电路输入处提供的功率确定的情况相比，这提供了大量的定制和改变。

88、逆变器可以是任何合适类型的逆变器。通常，逆变器是h桥或半桥。这提供了用于提供逆变器功能的简单机构，同时还允许对来自逆变器的输出的直接且容易的控制，以实现在每个脉冲序列结束时对存储在回路中的能量的被动和/或主动回收。

89、当使用h桥或半桥时，在桥式逆变器中使用的开关可以是任何合适的开关，诸如机械开关或功率晶体管开关等。通常，逆变器的每个开关可以是硅或碳化硅(金属氧化物半导体场效应晶体管，mosfet)开关、硅绝缘栅双极型晶体管(igbt)开关或氮化镓功率晶体管(fet)开关。硅mosfet开关通常具有大约650v的阻断电压；碳化硅(sic)mosfet开关通常具有大约1.2kv的阻断电压；硅igbt开关通常具有大约650v或大约1.2kv的阻断电压；氮化镓fet开关通常具有约650v的阻断电压。还可以使用具有串联连接的几个低电压设备的多电平电桥支路以实现高(更高)阻断电压电桥支路。然而，通常需要一种机制来确保跨开关均等地共享电压，这使得事情复杂且较不耐用。这就是为什么在根据方面的驱动电路中通常使用2电平h桥。在逆变器中使用上述开关还允许部件保持简单。宽带隙(wbg)半导体(诸如sic和gan等)由于它们优于基于si的功率半导体的性能而通常被使用。

90、供应到谐振回路的脉冲频率(诸如，如果提供作为脉冲序列，那么是电压波形的频率等)可以恰好是回路的谐振频率，诸如一阶谐波的频率(即，基频或自然频率)等，或在共振频率附近，诸如在共振频率的范围内。如果使用较高阶谐波，则由于谐振回路通常具有低通特性，所以比第一阶谐波高的阶谐波被衰减或阻尼。这就是为什么在电介质放电间隙上产生的电流和电压几乎是完全正弦的，即使激励通常以正方形波形提供。

91、当使用诸如h桥或半桥逆变器等的使用开关的逆变器时，每个脉冲序列的脉冲频率可以是零电压开关(zvs)频率。这通常略高于回路的精确谐振频率，诸如高于精确谐振频率约5％至约10％，并且不超过约10％，这取决于驱动电路的质量(q)因数。这减少了由开关引起的损耗并且减少了由开关引起的电磁干扰(emi)，从而使逆变器更高效并且减少由逆变器产生的噪声。

92、驱动电路可以进一步包括变压器，其次级绕组形成谐振回路的一部分，变压器是升压变压器。这降低了谐振回路中所需的最小电压增益，以通过升高电压输入电平实现电介质屏障放电电压电平(即，vth)。此外，变压器的使用减少了接地电流(在电极和任何周围的金属外壳之间的寄生电容中流动的电流)，从而减少了emi。虽然变压器可以位于驱动电路内，初级绕组形成谐振回路的一部分而不是次级绕组，但是在次级绕组形成谐振回路的一部分的布置中，变压器的千伏安(kva)额定值能够降低。在这种情况下，可以补偿由电极和电介质部分限定的电介质屏障(dbd)器件的无功功率。

93、当使用变压器时，驱动电路可以被布置成在使用中在每个脉冲序列之后使初级变压器绕组短路。当从回路回收/恢复能量时，初级绕组的短路通常在能量已经被回收之后施加，如在对应的脉冲序列已经过去之后。使初级绕组短路减少了由于构成谐振回路的部件而可能发生的振铃。当使用逆变器时，变压器初级绕组的短路可以在使用中通过接通逆变器的低侧或高侧来实现。这避免了在驱动电路中包括另外的部件的需要，由此限制部件数量。

94、谐振回路的电感可以由一个或更多个组件提供或贡献，且可以由驱动电路内的组件之间的导线或导线中的电感提供。至少一部分电感(诸如一些或全部电感等)可以由变压器提供。这使用变压器的通常不期望的特性，变压器允许特性用作对驱动电路的功能的贡献。由变压器提供的任何电感可以是变压器的漏电感(也称为杂散电感)。在一些情况下，这可以允许谐振回路不需要还包括电感器作为特定组件。

95、如下面更详细阐述的，变压器可以是空气芯变压器。当使用空气芯变压器时，这可以在绕组之间具有高达60％的磁耦合。使用空气芯变压器(诸如在绕组之间具有60％磁耦合的空气芯变压器等)增强了变压器能够提供的电感，减少了对谐振回路具有任何进一步的电感的需要。此外，谐振电感以及因此谐振回路的谐振频率可以通过在使用空气芯变压器时调节初级绕组(也称为发射线圈)和次级绕组(也称为接收线圈)之间的距离来调谐。这减少了将已知在现有系统中执行的附加电容器放置到电路中的需要，由此减少了部件数量。由于当使用空气芯变压器时发生的平面感应功率传输，这是能够实现的。允许实施空气芯变压器的其他布置也是可能的。

96、空气芯变压器绕组与其他变压器(即，非空气芯或实心芯变压器)相比具有低耦合。这允许变压器的次级(即，高电压)侧在未从初级侧施加电压时(例如，在所有开关断开并且体二极管不导通时)自由振荡。以上详述的用于主动能量回收的器件(即，一些脉冲的180°相移)消除了这些振荡，并且在使用空气芯变压器时避免了功率损耗。

97、变压器可以具有约1：1至约1：10(诸如约1：5等)的初级变压器绕组与次级变压器绕组的升压比。通过应用此布置，以下等式成立，其对于已知系统通常不成立：

98、

99、其中，vdc是由dc链路电源提供的电压，n是变压器的匝数比(即，n1/n2，对应于初级绕组的数量除以次级绕组的数量)，vth是dbd设备的点火电压或放电阈值。如在下一段落中陈述的，这降低了增益需求。

100、对于约20kv的dbd设备中的电介质屏障放电点火电压阈值，这意指当至驱动电路的输入电压为约800v时，对于约1：5的升压比需要约5倍的最小谐振槽电压增益。与主要依赖于高升压变压器(1：20或更大)以获得所需放电电压电平的常规脉冲功率和谐振转换器系统相比，这实现了变压器升压与谐振回路电压增益之间的最佳平衡，显著减小驱动电路的电流应力。

101、直到达到放电阈值，在谐振回路中存在最小的衰减。这是因为在充电期间在谐振回路上没有负载(诸如到放电间隙中的介质的功率传送等)。与已知的谐振系统相比，在这样的系统中，通常总是存在负载，因为存在连续或延长的放电，其产生负载。

102、与已知系统相比，根据本文描述的方面的驱动电路的谐振回路上缺乏负载导致非常高的电压增益(例如具有大于50的q值的增益)。与已知系统不同，谐振回路的可实现的电压增益不依赖于负载(如所指出的，通常对应于当发生电介质放电时传送到气体的功率)。相反，其(仅)取决于谐振回路的寄生电阻(诸如由磁性元件和电极的电阻产生的寄生电阻等)。

103、进一步，由于缺乏负载，这允许更快速的充电并且允许脉冲序列的脉冲频率尽可能接近回路的真实谐振频率(例如不考虑阻尼效应在现实中通常存在的理论谐振频率)。这是因为阻尼的量是如此低，使得当设定脉冲频率时需要考虑最小的阻尼。这增强了能量传递能力，使得驱动电路更高效。

104、当存在变压器时，需要变压器的逐步增加的匝数比的尺寸(即，为变压器升压匝数比设定的规格)也仅取决于谐振回路的寄生电阻。如果同样要考虑负载，那么变压器升压匝数比的尺寸也将需要考虑这一点。这允许来自变压器的损耗保持为最小，从而与需要考虑负载时相比，降低了使用变压器对驱动电路的效率的影响。

105、作为提供电感的变压器的可替代方案或补充，电感的至少一部分(诸如电感的一些或全部等)可以由电感器提供。这提供了被设计成用于提供有待使用的电感的部件，由此优化驱动电路。在电感部分地或全部地由电感器和变压器提供的情况下，每个电感器和变压器贡献于电源与电介质放电间隙之间的电感，并且由此贡献于谐振回路的电感。

106、当提供单独的变压器和电感器时，存在驱动电路的若干可能的布置。一种布置是将电感器连接到谐振回路的输入端(诸如逆变器的输出端等)，这进而连接到变压器的初级绕组；然后，变压器的次级绕组跨电介质放电间隙连接。另一布置是谐振回路的输入端连接到变压器的初级绕组；次级绕组连接到电感器，电感器与电介质放电间隙串联连接。在这些布置的每个布置中，变压器的泄漏或杂散电感有助于谐振回路的谐振电感值(即，电感)。自然地，如果谐振回路放置在变压器之后，则变压器的kva额定值降低，因为电介质放电装置的振荡无功功率没有通过变压器。

107、另一布置是使谐振回路的输入端连接到变压器的初级绕组；并且变压器的次级绕组跨电介质放电间隙连接。在该布置中，由于没有提供单独的电感器部件，变压器的泄漏或杂散电感将需要足够大以在期望的谐振频率下补偿跨电介质放电间隙的负载。这可以借助于变压器来实现，变压器在绕组之间具有非常低的耦合，如针对空气芯变压器的情况(即，无磁芯)在下文中更详细地提及。

108、驱动电路可以进一步包括跨电源连接的功率存储设备，功率存储设备被布置成在使用中接受和存储功率放电(即，功率耗尽)在每个脉冲序列之后从回路中排出。这提供用于将功率存储在驱动电路内的器件，否则功率将由于谐振回路中的能量耗散而损失。这减少了脉冲序列之间的能量损失并且允许所存储的能量有助于形成下一个高压脉冲序列。这节省了能量并且因此使得驱动电路更高效。

109、驱动电路可以被布置成，通过在至少两个电极处提供电压，以由于在电压高于阈值时发生的放电而在至少两个电极处流动的电流而提供对应的实际功率，从而在使用中，向在电极之间存在的流体提供(一定量，诸如可调节的量等)实际功率。阈值可以是放电点火阈值。

110、根据第七方面，提供了一种用于从气体中去除二氧化碳的系统，该系统包括：根据本文描述的方面的装置，该装置包括电极，电极被间隔开以允许气体在使用中存在于电极之间；以及管道，管道连接至该装置并且被布置成在使用中将气体提供至该装置，使得气体在电极之间通过，其中，能够在电极之间建立电场，电场被配置成在使用中在气体所暴露于的电极之间引起放电。这允许洗涤气体以减少气体中存在的二氧化碳的量。

111、系统可以进一步包括发动机，其中，发动机可以连接至管道，管道被布置成在使用中将气体从发动机传送至该装置。

112、根据第八方面，提供一种从气体中除去二氧化碳的方法，该方法包括：在电介质部分连接到的第一电极与第二电极之间建立电场，亚宏观结构连接到第一电极、第二电极或电介质部分，电场使亚宏观结构场发射电子并且在电介质与第二电极之间发生放电；将待洗涤的气体暴露于放电和电子；以及在暴露于放电和电子时向气体提供实际功率。

113、该方面的方法可以包含本文所公开的任何方面的装置的任何特征或特征的组合。例如，所提供的实际功率可以是实际功率的量，诸如可调节的实际功率的量；可以通过施加具有在脉冲序列中的有限数量的脉冲的双极电压脉冲的脉冲序列而向流体提供实际功率；和/或可以通过施加具有在脉冲列中的一个和五个之间的脉冲的双极电压脉冲的脉冲序列而向流体提供实际功率。

114、在根据第八方面的方法中，实际功率可以通过将电场强度维持在阈值以上来提供。

115、该方法可以进一步包括将亚宏观结构暴露于自由电子以诱导来自cnt的激励电场发射。自由电子可以通过场发射或受激场发射从另外的电子源发射。另外的电子源可以是另一个纳米结构。

116、该方法还可以包括向亚宏观结构提供电压脉冲。脉冲可以具有低于所述气体的击穿电压的幅值。

117、亚宏观结构可以被布置成在不小于80千帕斯卡(kpa)的绝对压力的环境中产生电子束。

118、电压脉冲可以具有从100伏特(v)至100kv的绝对振幅。电压脉冲可以具有1ns至1ms的持续时间。电压脉冲可以周期性地重复。该重复可以在从100hz至500khz的频率下发生。脉冲重复可以形成占空比小于50％的脉冲序列。

119、该方法可以进一步包括在场发射过程中加热亚宏观结构。可以将亚宏观结构加热至20℃与500℃之间。可替代地，亚宏观结构可以加热到100℃与400℃之间，诸如到150℃等。

120、根据第九方面，提供了一种通过放电从气体中去除co2的方法。在从气体中去除co2的方法中，放电可以是屏障放电。