本视频展示了如何利用微波点燃大气压等离子体炬，无需额外点火装置，并可实现稳定、连续的等离子体运行，适用于多种应用。
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摘要
摘要
本视频展示了如何利用微波功率在无需额外点火装置的情况下点燃常压等离子体炬。等离子体点燃后，可实现稳定且连续的运行，从而适用于多种不同应用。一方面，高温等离子体（气体温度达3,600 K）可用于化学过程；另一方面，低温后辉光（温度可降至接近室温）则适用于表面处理过程。例如，化学合成属于典型的体相反应过程。在此类应用中，微波等离子体炬可用于分解有害且导致全球变暖的废气，这些气体虽在半导体等快速发展的工业领域中作为刻蚀气体不可或缺，但其排放需加以控制。另一应用为CO的解离2多余的可再生能源电力可用于解离CO2 一氧化碳和氧气2一氧化碳可进一步加工为气态或液态的高级烃类，从而实现能量的化学储存，或为化学工业提供合成燃料和平台化学品。等离子体炬后辉光的应用包括处理表面以增强油漆、胶水或涂料的附着力，以及对各类表面进行杀菌或去污。本视频将演示如何仅通过微波功率点燃等离子体，而无需任何额外点火装置。 例如，电火花。微波等离子体炬基于两种谐振器的组合——同轴谐振器用于等离子体的点火，圆柱形谐振器则确保点火后等离子体的持续稳定运行。等离子体可在长的微波透明管中运行，用于体相处理，或通过孔径成形，用于表面处理。
引言
常压微波等离子体炬具有多种不同的应用。一方面，可用于化学体相过程；另一方面，其后辉光等离子体可用于材料表面处理。在表面处理方面，可应用于提高胶水、油漆或清漆的附着力，以及对表面进行去污或灭菌。高温且具有反应活性的等离子体本身可用于体相过程，例如有害废气的分解1–7。这些废气有害环境，会加剧全球变暖，且难以通过传统方法降解。然而，它们在半导体等快速发展的工业领域中又是必需的。其他应用还包括化学合成过程，例如将CO2解离为CO和O2，或将CH4分解为碳和氢气8,9。可利用可再生能源产生的过剩电能将CO2解离为CO和O2，所得CO可进一步加工为高级烃类，用作交通运输的合成燃料、化学工业的基础化学品，或作为化学储能介质。
目前已有一些微波等离子体炬，但大多数都存在缺点：它们的等离子体体积非常小，需要额外的点火装置，需要对等离子体反应器进行冷却，或只能以脉冲模式运行10–18。本视频所展示的微波等离子体炬仅依靠所提供的微波功率即可实现点火，无需额外的点火装置，并且在广泛的运行参数范围内，无需对等离子体反应器进行冷却，即可实现稳定、连续的运行，适用于上述所有应用。该微波等离子体炬基于两种谐振器的组合：同轴谐振器和圆柱形谐振器。圆柱形谐振器品质因数较低，工作于众所周知的E010模式，其中心处电场....
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方案
1. 磁控管的测量
注意：测量磁控管的实验装置示意图见图1A。
- 将磁控管连接至由环形器和带有10个螺钉的水负载组成的绝缘装置。
- 使用10个螺钉将绝缘装置连接至定向耦合器。
- 使用10个螺钉将定向耦合器连接至第二个水负载。
- 为所有水负载供应冷却水。
- 根据制造商的操作规程，使用频谱分析仪的校准功能对其进行校准。
- 将20 dB衰减器插入频谱分析仪，连接至该设备。
注意：20 dB衰减器用于保护频谱分析仪，防止输入功率超过1 W时造成损坏。 - 将配备20 dB衰减器的频谱分析仪与带有BNC接头的同轴电缆末端连接，方法是将同轴电缆插入20 dB衰减器。
- 将同轴电缆另一端带N型接头的部分插入定向耦合器，完成连接。
- 通过电源启动磁控管，发射的微波信号频谱将显示在频谱分析仪上。
- 如有需要，根据频谱分析仪的使用手册调节显示的横坐标、纵坐标及其分辨率。
- 为测量输出微波频率随微波功率的变化关系，将微波功率从10%开始，以5%至10%为步长逐步增加至最大输出功率，并在每个功率步长下记录频谱分析仪显示频谱中最大幅度对应的频率。
注意：通常情况下，磁控管在低于其最大输出功率10%时的频率谱线非常宽，出现多个不同的峰，因而无法使....
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结果
为了在无需额外点火装置的情况下实现等离子体点火，并确保等离子体稳定持续运行，将一个具有可调谐振频率的高品质同轴谐振器与一个低品质圆柱形谐振器结合，构成微波等离子体炬。该等离子体炬的示意图如图3所示。等离子体被限制在微波透明管内，此处为石英管。该管可作为体相等离子体过程的反应室，或通过孔口形成用于表面处理的等离子体刷。微波功率通过矩形波导从磁控管传输至微波等离子体炬。不同种类的气体可通过同轴谐振器的切向气体入口或其中心金属喷嘴轴向引入。微波等离子体炬配备有前向狭缝，以便对炬内等离子体及点火过程进行详细观察。
为了确保仅通过提供的微波功率点燃等离子体，需要约 3 至 6 MV/m 的高强度电场。为了更深入地理解电场分布情况，使用商用仿真软件 COMSOL Multiphysics 对电场分布进行了模拟，并开展了本征模式分析。对常压微波等离子体炬电场分布的建模与仿真已提供了详细的见解，并推动了其在点火或运行特性等方面的进一步发展与优化19–22。
同轴模式.......
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讨论
本视频介绍了如何在无需额外点火装置的情况下实现常压微波等离子体的点火，阐述了该微波等离子体炬的基本原理、调节方法、等离子体的点火过程及其稳定持续运行的特性。如引言所述，目前已存在多种类型的微波等离子体炬，但均无法在不依赖额外点火装置的前提下实现等离子体的点火及稳定持续的运行。
在常压下无需额外点火装置即可实现等离子体点火，需要高强度的电场，因此需要一个高品质因数的谐振器；而为了实现等离子体的连续稳定运行，则需要低品质因数。这一目标可通过组合实现：采用一个高品质因数的同轴谐振器以确保等离子体的点火，同时结合一个低品质因数的圆柱形谐振器以维持等离子体的连续稳定运行。
所提供的微波频率必须与高品质同轴谐振器的共振频率完全匹配，以便将输入功率耦合到谐振腔中。因此，必须准确了解磁控管的频率特性，并且同轴谐振器的共振频率必须可调。磁控管的发射频率可使用频谱分析仪进行测量，而同轴谐振器的共振频率则可通过网络分析仪测量，并利用可移动喷嘴进行调节。
为了确保等离子体仅由提供的微波引发，同轴.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
作者感谢德国工业研究协会联合会（Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V., AiF）和德国研究基金会（Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG）对本研究的部分资助，合同编号分别为14248和STR 662/4-1。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 2 kW 磁控管 | Muegge | MH2000S 211BA | |
| 2 kW 电源 | Muegge | ML2000D-111TC | |
| 绝缘体 - 带水负载的环形器 | Muegge | MW1003A-210EC | |
| 水负载 | Muegge | MW1002E-260EC | |
| 三段调谐器 | Muegge | MW2009A-260ED | |
| 孔板 | 自制 | ||
| 微波等离子体炬 | 自制 | ||
| 频谱分析仪 | Agilent | E4402B | |
| 网络分析仪 | Anritsu | MS4662A | |
| 校准套件 | Anritsu | model 3753 | |
| 定向耦合器 | 自制 | ||
| 20 dB 衰减器 | Weinschee engineering | 20 dB AA57u8 | |
| 同轴至矩形波导过渡器 | Muegge | MW5002A-260YD | |
| 7-16 转 N 型连接器适配器 | Telegärtner | 7-16/N Adaptor | |
| 同轴电缆 | Rosenberger Hochfrequenztechnik | LU7_070_800 | |
| 高速相机 | Photron | fastcam SA5 | |
| 镜头 | Revueflex | makro revuenon 1:3.5/28mm | |
| 局部气体通风装置 | Industrievertrieb Henning | ACD220 | |
| 紫外防护眼镜 | uvex | HC-F9178265 | |
| 微波泄漏检测仪 | conrad electronic | 未提供 | |
| 微波巡检仪 | Holaday industries inc. | 81273 |
参考文献
- Hong, Y. C., et al. Microwave plasma torch abatement of NF3 and SF6. Phys. Plasma. 13, 033508(2006).
- Kabouzi, Y., et al. Abatement of perfluorinated compounds using microwave plasmas at atmospheric pressure. J. Appl. Phys. 93 (12), 9483....
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重印与许可
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