追加のイグナイタずに大気圧マイクロ波プラズマトーチに点火する方法

サマリー

この動画は、追加の点火器なしで大気圧プラズマトーチをマイクロ波で点火する方法を示しており、多くのアプリケーションに適した安定した連続的なプラズマ操作を提供します。

要約

この映画は、大気圧プラズマトーチはなし追加の点火装置とマイクロ波電力によって点火する方法を示しています。プラズマの点火後、プラズマの安定した連続運転が可能であり、プラズマトーチは、多くの異なる用途に使用することができる。一方、（3600 Kガス温度）ホットプラズマ化学プロセスのために使用することができ、他方で寒い残光（高温下にほぼRTの）は、表面処理を適用することができる。例えば、化学合成は興味深いボリュームプロセスである。ここで、マイクロ波プラズマトーチは有害であり、地球温暖化に寄与するが、半導体の枝のような成長産業分野におけるエッチングガスとして必要とされる廃ガスの分解のために使用することができる。別の用途は、CO ₂の解離である。再生可能なエネルギー源からの余剰電気エネルギーは、CO及びO ₂へのCO _2を解離するために使用することができる。 COはさらにプロになることができますこれにより、化学工業のためのエネルギー、合成燃料またはプラットフォーム化学物質の化学的ストレージを提供する気体または液体の高級炭化水素cessed。プラズマトーチの残光のアプリケーションは、ラッカー、接着剤または塗料の密着性、表面の異なった種類の滅菌または汚染除去を高めるために表面の処理である。映画は、追加の点火装置、 例えば 、電気火花ずにマイクロ波電力のみでプラズマを点火する方法を説明します。プラズマ点火後の血漿の連続的な安定した動作を保証する円筒一方の点火を提供同軸1 - マイクロ波プラズマトーチは、二つの共振器の組み合わせに基づいている。血漿体積プロセスに対して長いマイクロ波透過性チューブで操作や表面処理の目的のためにオリフィスによって成形することができる。

概要

常圧マイクロ波プラズマトーチは、さまざまなアプリケーションを提供している。一方で、それらは、化学量プロセスに使用することができ、他方では、それらのアフターグロープラズマは表面の処理に適用することができる。表面処理は、接着剤、塗料、ラッカー、または表面の汚染除去または滅菌の密着性を高める処理を処理として挙げることができる。熱い反応性プラズマ自体が排ガス^1-7の分解等容積プロセスに使用することができる。これらの廃棄物ガスは、有害である地球温暖化に貢献し、ほとんど従来に分解することはできません。しかし、それらは、半導体ブランチとして産業分野を成長に必要とされる。他の用途としては、炭素及び水素^8,9にCOにCO ₂の解離およびO ₂またはCH ₄などの化学合成である。再生可能なエネルギー源からの余剰電気エネルギーは、COを解離するために使用することができ _{2 COとO 2へ。 COは、化学工業、化学ストレージなどのプラットフォーム化学物質として、輸送のための合成燃料として使用することができ、より高い炭化水素にさらに処理することができる。}

そこにいくつかのマイクロ波プラズマトーチがあるが、それらのほとんどは欠点を有している：彼らは、非常に小さなプラズマ体積を有する付加的な点火器を必要とする、プラズマ反応器の冷却を必要とするのみパルスモード^10-18に動作させることができる。この映画の中で提示されたマイクロ波プラズマトーチは、動作パラメータの広い範囲のプラズマ反応器のいずれかの冷却を行わずに、単にない付加的な点火装置並びに安定した連続運転のマイクロ波電力でプラズマの点火を提供し、使用することができ上記のすべてのアプリケーションのために。同軸の一つの円筒1：マイクロ波プラズマトーチは二つの共振器の組み合わせに基づいている。円筒共振器は、低品質を有しており、operatですその中心で最も高い電場とのよく知られたE ₀₁₀ -modeでED。同軸共振器は、円筒共振器の下方に位置し、接線方向のガス供給と組み合わせて可動金属ノズルで構成されている。同軸共振器の高品質は、非常に狭いが、深い共鳴曲線を示す。による同軸共振器の高品質、高電界は、プラズマの点火に必要とされるに達することがある。しかしながら、同軸共振器の高品質は、非常に狭い共鳴曲線と関連しているので、共振周波数が完全に供給されるマイクロ波の周波数と一致する必要がある。プラズマの誘電率に起因するプラズマの点火後の共振周波数がシフトするので、マイクロ波は、もはや同軸共振器内に浸透することができない。プラズマの連続運転のための低品質と幅広い共振曲線を持つ円筒共振器が必要とされている。

同軸共振器の金属製のノズルを介して、付加的な軸方向のガスの供給が可能である。プラズマが点火され、例えば、マイクロ波透過性チューブ内の石英管に閉じ込められる。石英管の誘電率はまた、共振周波数に影響を与える。石英は、> 1の誘電率を有するので、円筒共振器の体積は、実質的に低い共振周波数をもたらす拡大される。この現象は、円筒共振器の寸法を設計する際に考慮しなければならない。長い拡張石英管を使用する場合、共振周波数が挿入石英管によってどのように影響されるかについての詳細な議論は、これは、ボリューム·プロセスのための反応室として機能することができ、文献23に見出すことができる。しかし、表面処理のためのプラズマはまた、オリフィスの異なる種類によって異なる形状にすることができる。マイクロ波は、マグネトロンから矩形導波管を介して供給される。騒音公害を回避するために低リップルマグネトロンの使用がrecommです終わった。映画で使用されているマグネトロンは低リップル一つです。

安定した連続運転が円筒共振器によって提供されている間、プラズマの着火のために高品質の同軸共振器が使用される。高品質の同軸共振器によって、この共振器の共振周波数がプラズマの点火を達成するために完全に使用されるマグネトロンのマイクロ波の周波数と一致する必要がある。全てのマグネトロンが正確に公称周波数でそれらのマイクロ波周波数を放射しないので、周波数が出力電力に依存するので、マグネトロンは、スペクトラムアナライザを用いて測定されなければならない。同軸共振器の共振周波数は、金属製のノズルを上下に移動させることによって調整することができる。この共振周波数を測定し、それによって、ネットワークアナライザを使用するマグネトロンの送信周波数に調整することができる。ノズルの先端に高電界を達成するために、点火のために必要プラズマの、3スタブチューナはほかに必要とされている。この三スタブチューナは、一般的に使用される電子部品である。 3スタブ同調器は、マイクロ波プラズマトーチとマグネトロンとの間に取り付けられている。同軸共振器の共振周波数が調整された後、進行波電力が最大と反射電力反復3スタブチューナのスタブを調整することによって最小化される。

マイクロ波プラズマトーチは、マグネトロンに接続されているときに、同軸共振器の共振周波数を調整したと3つのスタブチューナによって前進力を最大化した後、マイクロ波プラズマトーチのプラズマを点火することができる。プラズマの点火のために約0.3〜1キロワットの最小のマイクロ波電力で十分である。プラズマは、同軸共振器に点火する。プラズマの点火後の同軸共振器の共振周波数は、プラズマの誘電率にシフトされ、マイクロ波のない缶長い同軸共振器内に侵入。このように、そのはるか拡張円筒モードに同軸モードからのプラズマスイッチが円筒共振器の中心に金属製のノズルの上に自由に立って燃える。円筒モードの品質が非常に低いので、広い共鳴曲線を示すので、マイクロ波は、依然として、プラズマの誘電率への共振周波数のシフトにもかかわらず、円筒共振器内に浸透することができる。したがって、円筒モードにおけるプラズマの連続安定運転がマイクロ波プラズマトーチによって提供される。しかし、供給されるマイクロ波電力の完全な吸収を達成するために、3スタブチューナのスタブを再調整しなければならない。そうでなければ供給されるマイクロ波電力は完全にプラズマによって吸収されずに設けられたマイクロ波の一部のパーセンテージは、水負荷で反射されて吸収される。

同軸のプラズマの点火を検討するために、次にモードと拡張円筒モードへのその遷移は、プラズマ点火を高速度カメラで観察する。

提示映画は、マグネトロンの周波数依存性を測定する方法を示します、同軸共振器の共振周波数は、進行波電力が最大化され、どのようにプラズマが供給されるマイクロ波電力によって点火されるか、調整される。高速度カメラの記録が同様に示されている。

プロトコル

マグネトロンの1。測定

注：マグネトロンを測定するための実験装置の概略図が図1Aに示されている。

1. サーキュレータと10本のネジで水負荷からなる絶縁体にマグネトロンを接続します。
2. 10本のネジで方向性結合器に絶縁体を接続します。
3. 10本のネジで第二の水負荷に方向性結合器を接続します。
4. 水ですべての水の負荷を供給してください。
5. 製造業者のプロトコルに従って、そのキャリブレーション機能を有するスペクトルアナライザを較正する。
6. スペクトラムアナライザに20デシベル減衰器を差し込むことによってスペクトラムアナライザに20デシベル減衰器を接続します。
   注20 dBの減衰は、1 Wの上方高すぎるパワーのスペクトラムアナライザを保護するために使用され
7. COを差し込むことによって、BNCコネクタを装備した同軸ケーブルの端に20デシベル減衰器を搭載スペクトラムアナライザを接続20デシベル減衰器に同軸ケーブル。
8. 指向ケーブルに同軸ケーブルを差し込むことによって、方向性結合器にN個のコネクタを装備した同軸ケーブルの端を接続します。
9. 電源と放射されるマイクロ波のスペクトルを経由してマグネトロン上のスイッチは、スペクトラム·アナライザに表示されます。
10. 必要に応じて、表示された横軸、縦軸及びスペクトラムアナライザのマニュアルに従って、それらの解像度を調整。
11. マイクロ波電力に依存して出力するマイクロ波の周波数を測定するために、10％のステップに5％の出力電力の最大10％からマイクロ波電力を増加させ、ステップ毎のスペクトルの最大振幅の周波数を決定するスペクトラムアナライザによって表示。
    注意：通常、その最大出力電力の10％以下、マグネトロンの周波数スペクトルは非常に広く、多くの異なるピークを示すので使用できない。

2.調整共振周波数

注：共振周波数を測定し、調整するための実験装置の概略図が図2Aに示されている。

1. （製造業者のプロトコルに従って）S11の動作のためのキャリブレーションキットを用いてネットワークアナライザを較正する。
2. 同軸·ツー·ウェーブガイド·遷移に同軸ケーブルを差し込むことによって同軸·ツー·矩形波のガイド遷移の同軸部分にN-コネクタを介して同軸ケーブルを接続します。
3. 10本のネジで3スタブチューナーに同軸·ツー·矩形波のガイド遷移の長方形の部分を接続します。
4. 10本のネジでマイクロ波プラズマトーチアセンブリに3スタブチューナを接続します。
5. S11の動作にネットワークアナライザメニュースイッチ。
6. ネットワーク·アナライザのメニューでVSWRモードに切り替えたり、モードをログに記録する。
7. 反復測定frequeにマイクロ波プラズマトーチアセンブリの共振周波数を調整する上下ノズルを移動させることにより、最大出力の60％ - 25％の出力電力でのマグネトロンのNCY。 図2Bに示すように、マイクロ波プラズマトーチアセンブリの共振周波数は、S11パラメータの測定の浸漬により与えられる。推奨される周波数には、上下ノズルを移動することで、このディップを調整します。
8. 共振周波数が調整されると、ロックナットとノズルの位置をロックする。
9. 上下スタブを移動することにより、3スタブチューナの3スタブを調整することによって、反復的に前進マイクロ波電力を増やします。マイクロ波プラズマトーチアセンブリによって吸収されるマイクロ波電力は、S11パラメータのディップの深さによって与えられる。このように、3スタブチューナのスタブを調整することによって、このディップを最大化します。一般に、3つのスタブの両者を使用していることで十分である。

プラズマの3点火

1. プラズマは紫外線のRadiaを放射するので、UV保護メガネを着用してくださいる。プラズマは、窒化酸化物を生成するので、ローカルガス通気下で、プラズマトーチを操作します。
2. 調整された同軸共振器（ノズルがロックされている）及び水負荷に接続され、サーキュレータからなる​​絶縁体を備えたマグネトロンに調整された3スタブチューナマイクロ波プラズマトーチアセンブリに接続する。
3. マイクロ波プラズマトーチへのガス供給を接続します。
4. 5から20のSLMへのガス供給をオンにします。
5. 高用量でのマイクロ波放射は、目のために特に有害であることから、無電子レンジ漏れがないことを確認してください。
   1. そのためには、12％の10％の非常に低い電力でマイクロ波をオンにし、漏れのためのマイクロ波計ですべてのマイクロ波接続を確認してください。
   2. すべての漏れがある場合はマイクロ波電力を増加またはマイクロ波プラズマトーチを操作する前にそれらを完全に削除します。
6. 全く漏れがない場合は10％と低い電力で始まる電子レンジをオンにしてマイクを増やすゆっくりと10〜60秒以内rowave電力プラズマ、マイクロ波プラズマトーチの石英管に点火するまで。
7. とプラズマがあるが、おそらく放射されたマイクロ波に注意して発火する場所場合は、慎重に観察する。好ましくは、プラズマ点火の観察のためにミラーを使用しています。
8. にプラズマが点火しない場合には、マイクロ波パワーをオフにし、マイクロ波電力が適切に同軸共振器に結合され、それらを加熱し、あるいはそれらを害する他のコンポーネントに誤っていない場合に慎重に確認する。一部のコンポーネントが加熱得ているかどうかを確認してください。
   1. 任意のコンポーネントが加熱しまった場合- すなわち 、マイクロ波電力は見当違いである-導波路のうち3スタブチューナの全てのスタブを移動し、ステップ2.9で説明したようにプラズマトーチアセンブリにマイクロ波結合を最大にするために、それらを調整する。そして、ステップ3.1で再び始める。
   2. マグの送信周波数にプラズマトーチの同軸共振器の共振周波数を調整するネットワークアナライザを使用して最大出力の60％に25％の十分に高いマイクロ波電力出力でnetron点火を改善するために、手順2で説明したように、より高い、ステップ2で説明したように、同軸共振器の共振周波数を調整する出力電力。そして、ステップ3.1で再び始める。
9. プラズマは、プラズマトーチ内のどこかに点火し、自動的に同軸または円筒モードに切り替わらない場合は、円筒モードで燃焼するまで、供給されるマイクロ波電力とガスの流れを変化させる。
10. 円筒形のモードのときのプラズマ火傷、供給されるマイクロ波電力のすべてがプラズマによって吸収され、反射されたマイクロ波電力がゼロになるようにする。反復的に上下に移動して三スタブチューナのスタブを調整する
    注：マイクロ波ダイオード水負荷に制御ユニットの対応する入力に接続されている場合、反射されたマイクロ波電力、マイクロ波電力供給の制御部に表示される。これを行う方法をマイクロ波電源のマニュアルに記載されている。
11. 1.5キロワット以上未満15slmの低いガス流のより高いマイクロ波電力が使用されるとき、プラズマが石英管の壁に接触しないように慎重に確認する。石英管は、どこにも輝きはいけません。
12. 石英管が赤色に点灯した場合、マイクロ波電力を減少させるか、または完全に消失するまでのガスの流れを増加させる。
13. マイクロ波はプラズマの導電率に起因するプラズマによって放射することができるので、放射マイクロ波電力が閾値未満であるマイクロメーターで確認する。
14. 放射されたマイクロ波電力が閾値を上回る場合には、メッシュサイズは、使用されるマイクロ波の波長の半分よりもはるかに小さい金属メッシュでプラズマを遮蔽する。

プラズマ点火4.高速カメラ動画

注：プラズマの点火及び円筒モードへの移行の範囲にあるので数百ミリ秒、このプロセスは、最良の高速度カメラを用いて調べることができる。しかし、高速度カメラを用いて、プラズマが点火されるたびに、点火過程を観察する必要はない。

1. プラズマトーチの前方に診断スリットを通して見たマイクロ波プラズマトーチの前に高速度カメラのレンズを配置する。
2. カメラは、金属ノズルの先端に同軸共振器にポインティングされるまで調整する。
3. 金属製のノズルの先端にカメラをフォーカス。
4. ハイスピー​​ドカメラの千FPS（フレーム毎秒）で録音を開始します。
5. セクション3に記載したように、プラズマを点火する。

5.安定した連続プラズマ運用

注：プラズマは、円筒モードで点火された三スタブチューナーがプラズマにより安定したコンチンをマイクロ波電力の吸収が最大となるように調整された場合プラズマトーチのuous動作が可能である。

1. 10％の最大出力電力と10と70のSLM間のガス流との間供給されるマイクロ波電力を変化させることによって所望の寸法にプラズマの - 半径方向および軸方向延長 - 寸法を調整する。石英管の直径に制限された半径方向寸法にしてください。プラズマは、石英管はグローてはならないことを意味する石英管の壁に触れてはならない。
2. 異なる形状にプラズマを成形するために、唯一の円筒共振器の内部にプラズマを閉じ込める、プラズマトーチアセンブリの上に一つのオリフィスを配置し、短い石英管を使用する。
3. 必要に応じて、いくつかのネジでオリフィスを固定します。

結果

調整可能な共振周波数を有する任意の付加的な点火装置並びに安定した連続プラズマ操作なしプラズマ点火を提供するために、高品質の同軸共振器は、マイクロ波プラズマトーチに低品質の円筒共振器と組み合わせた。このプラズマトーチの概略図を図3に示されている。プラズマは、ここではマイクロ波透過管、石英管中に閉じ込められる。このチューブは、ボリュームのプラズマ処理のための反応室として機能することができ、または表面処理のためのプラズマブラシは、オリフィスによって形成することができる。マイクロ波電力、マイクロ波プラズマトーチのマグネトロンから矩形導波管を介して導かれる。ガスの種類がどちら接線方向のガス供給を介して、または軸方向に同軸共振器の金属ノズルを介して供給することができる。トーチ点火内にプラズマを詳細に調べることができるように、マイクロ波プラズマトーチは、正面にスリットを備えている。

約3〜6 MV / mで高電界が必要である。電界分布のより良い理解を得るためにのみ供給されるマイクロ波のパワーによりプラズマの点火を保証するには、コンテンツ ">と同様の電界分布のシミュレーション市販の...

ディスカッション

提示映画は、任意の付加的な点火器なしで、大気圧マイクロ波プラズマの点火を実現することができるか、このマイクロ波プラズマトーチ、その調整、プラズマの点火プロセスとその安定した連続運転の基本原理を説明する。冒頭で説明したように、マイクロ波プラズマトーチが、これらのいずれも、異なる種類の追加の点火器なしでプラズマの点火並びに安定した連続プラズマ動作を提供すでに存在する。

低品質が必要とされる連続的かつ安定したプラズマ動作用ながら大気圧で、追加の点火器なしに高電界をプラズマの点火を得るために必要なので、高品質の共振器である。これは、プラズマの点火及び連続を提供する低品質円筒共振を保証する高品質の同軸共振器を組み合わせることによって実現することができると安定したプラズマ運転。

供給されるマイクロ波の周波数は、供給される電力は、共鳴室に結合されるように、完全に高品質の同軸共振器の共振周波数と一致する必要がある。したがって、マグネトロンの周波数依存性は、周知されなければならず、同軸共振器の共振周波数が調整可能でなければならない。同軸共振器の...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
2 kWマグネトロン	Muegge	MH2000S 211BA
2 kW 電源	Muegge	ML2000D-111TC
インシュレーター - 水負荷Muegge付きサーキュレーター		MW1003A-210EC
水負荷	Muegge	MW1002E-260EC
スリースタブチューナー	ミュッゲ	MW2009A-260ED
オリフィス自家製
波プラズマトーチ	自家製
スペクトラム	アナライザーAgilent	E4402B
ネットワークアナライザー	リツ	MS4662A
キャリブレーションキット	リツ	モデル3753
指向性カプラー	自家製
20 dB アッテネーター	Weinschee エンジニアリング	20 dB AA57u8
同軸から矩形波管への遷移	Muegge	MW5002A-260YD
アダプタ7-16 - Nコネクタ	テレグärtner	7-16/N アダプター
同軸ケーブル	Rosenberger Hochfrequenztechnik	LU7_070_800
高速カメラ	Photron	fastcam SA5
レンズ	Revueflex	makro revuenon 1:3.5/28mm
ローカルガス換気	Industrievertrieb Henning	ACD220
UV保護メガネ	uvex	HC-F9178265
マイクロ波漏出	テスターconrad	利用不可
のマイクロ波調査	メーターHoladayの企業株式会社	81273

マイクロアンアン電子