Ten film pokazuje, jak atmosferyczna latarka plazmowa może być zapalana przez mikrofale bez dodatkowych zapalników i zapewnia stabilną i ciągłą pracę plazmy, odpowiednią do wielu zastosowań.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Ten film pokazuje, jak atmosferyczna latarka plazmowa może być zapalana przez mikrofale bez dodatkowych zapalników i zapewnia stabilną i ciągłą pracę plazmy, odpowiednią do wielu zastosowań.
Ten film pokazuje, jak palnik plazmowy pod ciśnieniem atmosferycznym może zostać zapalony za pomocą energii mikrofalowej bez dodatkowych zapalników. Po zapłonie plazmy możliwa jest stabilna i ciągła praca plazmy, a palnik plazmowy może być używany do wielu różnych zastosowań. Z jednej strony gorąca plazma (temperatura gazu 3600 K) może być wykorzystywana w procesach chemicznych, a z drugiej strony zimna poświata (temperatury do prawie RT) może być stosowana w procesach powierzchniowych. Na przykład syntezy chemiczne są interesującymi procesami objętościowymi. W tym przypadku mikrofalowy palnik plazmowy może być używany do rozkładu gazów odlotowych, które są szkodliwe i przyczyniają się do globalnego ocieplenia, ale są potrzebne jako gazy trawiące w rozwijających się sektorach przemysłu, takich jak branża półprzewodników. Innym zastosowaniem jest dysocjacja CO2 . Nadwyżki energii elektrycznej z odnawialnych źródeł energii można wykorzystać do dysocjacji CO2 na CO iO2. CO może być dalej przetwarzany na gazowe lub ciekłe węglowodory wyższe, zapewniając w ten sposób chemiczne magazynowanie energii, paliw syntetycznych lub chemikaliów platformowych dla przemysłu chemicznego. Zastosowania poświaty palnika plazmowego to obróbka powierzchni w celu zwiększenia przyczepności lakieru, kleju lub farby oraz sterylizacja lub odkażanie różnego rodzaju powierzchni. Film wyjaśni jak zapalić plazmę wyłącznie za pomocą energii mikrofalowej bez żadnych dodatkowych zapalników, np. iskier elektrycznych. Mikrofalowa latarka plazmowa opiera się na połączeniu dwóch rezonatorów - współosiowego, który zapewnia zapłon plazmy oraz cylindrycznego, który gwarantuje ciągłą i stabilną pracę plazmy po zapłonie. Plazma może być obsługiwana w długiej, przezroczystej rurze mikrofalowej do procesów objętościowych lub kształtowana przez otwory do celów obróbki powierzchni.
Latarki plazmowe mikrofalowe pod ciśnieniem atmosferycznym oferują wiele różnych zastosowań. Z jednej strony mogą być wykorzystywane do chemicznych procesów objętościowych, a z drugiej strony ich plazma poświatowa może być stosowana do obróbki powierzchni. Jako procesy obróbki powierzchni można wymienić obróbkę mającą na celu zwiększenie przyczepności kleju, farby lub lakieru lub odkażanie lub sterylizację powierzchni. Gorąca i reaktywna plazma sama w sobie może być wykorzystywana do procesów objętościowych, takich jak rozkład gazów odlotowych 1–7. Te gazy odlotowe są szkodliwe, przyczyniają się do globalnego ocieplenia i trudno je zdegradować w konwencjonalny sposób. Są one jednak potrzebne w rozwijających się sektorach przemysłu, takich jak branża półprzewodników. Inne zastosowania to synteza chemiczna, taka jak dysocjacja CO2 do CO i O2 lub CH4 do węgla i wodoru 8,9. Nadwyżki energii elektrycznej z odnawialnych źródeł energii można wykorzystać do dysocjacji CO2 na CO iO2 . CO może być dalej przetwarzany na wyższe węglowodory, które mogą być wykorzystywane jako paliwa syntetyczne w transporcie, jako chemikalia platformowe dla przemysłu chemicznego lub jako magazyny chemiczne.
Istnieje kilka mikrofalowych palników plazmowych, ale większość z nich ma wady: mają bardzo małe objętości plazmy, wymagają dodatkowych zapalników, wymagają chłodzenia reaktora plazmowego lub mogą być używane tylko w trybie impulsowym 10-18. Prezentowany w tym filmie palnik plazmowy mikrofalowy oferuje zapłon plazmy wyłącznie za pomocą dostarczonej mocy mikrofalowej bez dodatkowych zapalników, a także stabilną i ciągłą pracę bez chłodzenia reaktora plazmowego dla szerokiego zakresu parametrów pracy i może być używany do wszystkich wyżej wymienionych zastosowań. Mikrofalowa latarka plazmowa oparta jest na połączeniu dwóch rezonatorów: współosiowego i cylindrycznego. Rezonator cylindryczny ma niską jakość i pracuje w dobrze znanym trybie E010 z najwyższym polem elektrycznym w jego środku. Rezonator współosiowy znajduje się poniżej rezonatora cylindrycznego i składa się z ruchomej metalowej dyszy w połączeniu ze stycznym dopływem gazu. Wysoka jakość rezonatora współosiowego charakteryzuje się bardzo wąską, ale głęboką krzywą rezonansową. Ze względu na wysoką jakość rezonatora współosiowego można osiągnąć wysokie pole elektryczne, które jest wymagane do zapłonu plazmy. Jednak wysoka jakość rezonatora współosiowego wiąże się z bardzo wąską krzywą rezonansową i dlatego częstotliwość rezonansowa musi idealnie pasować do częstotliwości dostarczanej mikrofalówki. Ponieważ częstotliwość rezonansowa zmienia się po zapłonie plazmy ze względu na przenikalność elektryczną plazmy, mikrofale nie mogą już przenikać do współosiowego rezonatora. Do ciągłej pracy plazmy potrzebny jest rezonator cylindryczny o niskiej jakości i szerokiej krzywej rezonansowej.
Możliwe jest dodatkowe osiowe zasilanie gazem przez metalową dyszę współosiowego rezonatora. Plazma jest zapalana i zamykana w przezroczystej dla mikrofal rurce, na przykład w rurze kwarcowej. Przenikalność elektryczna rurki kwarcowej wpływa również na częstotliwość rezonansową. Ponieważ kwarc ma przenikalność elektryczną > 1, objętość cylindrycznego rezonatora jest praktycznie powiększona, co prowadzi do niższej częstotliwości rezonansowej. Zjawisko to należy wziąć pod uwagę przy projektowaniu wymiarów rezonatora cylindrycznego. Szczegółową dyskusję na temat tego, w jaki sposób na częstotliwość rezonansową wpływa włożona rurka kwarcowa, można znaleźć w Odnośniku 23. Jeśli używana jest długa i wydłużona rurka kwarcowa, może ona również działać jako komora reakcyjna dla procesów objętościowych. Jednak w przypadku obróbki powierzchniowej plazma może być również kształtowana w różny sposób przez różne rodzaje otworów. Mikrofala jest zasilana przez prostokątny falowód z magnetronu. Aby uniknąć uciążliwego hałasu, zaleca się stosowanie magnetronu o niskim tętnieniu. Magnetron, który jest używany w filmie, jest magnetronem o niskim tętnieniu.
Do zapłonu plazmy używany jest wysokiej jakości rezonator współosiowy, podczas gdy stabilna i ciągła praca jest zapewniona przez rezonator cylindryczny. Aby osiągnąć zapłon plazmy przez wysokiej jakości rezonator współosiowy, częstotliwość rezonansowa tego rezonatora musi idealnie odpowiadać częstotliwości mikrofal dostarczanej przez zastosowany magnetron. Ponieważ nie wszystkie magnetrony emitują swoją częstotliwość mikrofalową dokładnie z częstotliwością nominalną, a częstotliwość zależy od mocy wyjściowej, magnetron musi być mierzony za pomocą analizatora widma. Częstotliwość rezonansową rezonatora współosiowego można regulować, przesuwając metalową dyszę w górę iw dół. Ta częstotliwość rezonansowa może być mierzona, a tym samym dostosowywana do częstotliwości wysyłania używanego magnetronu za pomocą analizatora sieci. Aby dotrzeć do silnego pola elektrycznego na końcu dyszy, wymaganego do zapłonu plazmy, potrzebny jest dodatkowo tuner z trzema króćcami. Ten tuner z trzema króćcami jest powszechnie używanym elementem mikrofalowym. Tuner z trzema króćcami jest zamontowany pomiędzy palnikiem plazmy mikrofalowej a magnetronem. Po wyregulowaniu częstotliwości rezonansowej rezonatora współosiowego, moc wyjściowa jest maksymalizowana, a moc odbita minimalizowana poprzez iteracyjną regulację króćców tunera z trzema króćcami.
Po dostosowaniu częstotliwości rezonansowej współosiowego rezonatora, jak również po zmaksymalizowaniu mocy przewodzenia za pomocą trzech króćców, plazma mikrofalowego palnika plazmowego może zostać zapalona, gdy mikrofalowa latarka plazmowa jest podłączona do magnetronu. Do zapłonu plazmy wystarcza minimalna moc mikrofalowa wynosząca około 0,3 do 1 kW. Plazma zapala się w rezonatorze współosiowym. Po zapłonie plazmy częstotliwość rezonansowa rezonatora współosiowego ulega przesunięciu ze względu na przenikalność dielektryczną plazmy, a mikrofale nie mogą już przenikać do rezonatora współosiowego. W ten sposób plazma przełącza się z trybu koncentrycznego na znacznie bardziej rozszerzony tryb cylindryczny, paląc się swobodnie stojąc nad metalową dyszą w środku cylindrycznego rezonatora. Ponieważ jakość trybu cylindrycznego jest bardzo niska, a zatem wykazuje szeroką krzywą rezonansową, mikrofale mogą nadal przenikać do cylindrycznego rezonatora pomimo przesunięcia częstotliwości rezonansowej spowodowanego przenikalnością dielektryczną plazmy. W ten sposób ciągłą i stabilną pracę plazmy w trybie cylindrycznym zapewnia mikrofalowy palnik plazmowy. Jednak, aby osiągnąć pełne wchłonięcie dostarczonej mocy mikrofalowej, króćce trzech tunerów króćców muszą zostać ponownie wyregulowane. W przeciwnym razie dostarczona moc mikrofalowa nie jest całkowicie pochłaniana przez plazmę, ale pewien procent dostarczonej mikrofal jest odbijany i pochłaniany przez obciążenie wodą.
Aby zbadać zapłon plazmy w trybie koncentrycznym, a następnie jej przejście w rozszerzony tryb cylindryczny, zapłon plazmy jest obserwowany przez kamerę o dużej prędkości.
Prezentowany film pokaże, jak mierzy się zależność magnetronu od częstotliwości, reguluje się częstotliwość rezonansową współosiowego rezonatora, jak maksymalizuje się moc wysunięcia i jak plazma jest zapalana przez dostarczoną moc mikrofalową. Pokazane jest również nagrywanie z dużą prędkością.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Pomiar magnetronu
Uwaga: Schemat eksperymentalnego zestawu do pomiaru magnetronu jest pokazany na rysunku 1A.
2. Regulacja częstotliwości rezonansu
Uwaga: Schemat eksperymentalnego zestawu do pomiaru i regulacji częstotliwości rezonansowej jest pokazany na rysunku 2A.
3. Zapłon plazmy
4. Film z szybkiej kamery przedstawiający zapłon plazmowy
Uwaga: Ponieważ zapłon plazmy i jej przejście w tryb cylindryczny trwa około stu milisekund, proces ten najlepiej można zbadać za pomocą kamery o dużej prędkości. Nie jest jednak konieczne obserwowanie procesu zapłonu za pomocą szybkiej kamery za każdym razem, gdy plazma jest zapalana.
5. Stabilna i ciągła praca plazmy
Uwaga: Gdy plazma została zapalona w trybie cylindrycznym, a trzy tunery zostały dostosowane tak, aby maksymalizować absorpcję mocy mikrofalowej przez plazmę, możliwa jest stabilna i ciągła praca palnika plazmowego.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Aby zapewnić zapłon plazmy bez dodatkowych zapalników, a także stabilną i ciągłą pracę plazmy, wysokiej jakości rezonator współosiowy z regulowaną częstotliwością rezonansową połączono z niskiej jakości rezonatorem cylindrycznym w celu stworzenia mikrofalowej pochodni plazmowej. Schemat tej pochodni plazmowej przedstawiono na Rysunku 3. Plazma jest ograniczona wewnątrz rurki przezroczystej dla mikrofal, w tym przypadku rurki kwarcowej. Rurka ta może pełnić funkcję komory reakcyjnej dla objętościowych pro...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Prezentowany film wyjaśnia w jaki sposób można zrealizować zapłon plazmy mikrofalowej pod ciśnieniem atmosferycznym bez żadnych dodatkowych zapalników, podstawowe zasady działania tej mikrofalowej palnika plazmowego, jego regulację, proces zapłonu plazmy oraz jej stabilną i ciągłą pracę. Jak opisano we wstępie, istnieją już różne rodzaje mikrofalowych palników plazmowych, ale żaden z nich nie zapewnia zapłonu plazmy bez dodatkowych zapalników, a także stabilnej i ciągłej pracy plazmy.
Aby uzys...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Autorzy pragną podziękować Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" e.V., AiF (Niemiecka Federacja Stowarzyszeń Badań Przemysłowych) oraz Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG (Niemiecka Fundacja Badawcza) za częściowe sfinansowanie prezentowanej pracy w ramach umowy nr 14248 i STR 662/4-1.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Magnetron 2 kW | Muegge | MH2000S Zasilacz 211BA | |
| 2 kW | Muegge | Izolator ML2000D-111TC | |
| - cyrkulator z obciążeniem wodą | Muegge | MW1003A-210EC | |
| obciążenie wodą | Muegge | Tuner trzykróćcowy MW1002E-260EC | |
| Muegge | Kryzy MW2009A-260ED | ||
| domowej roboty | |||
| mikrofalowa latarka plazmowa | domowy | ||
| analizator widma | Analizator sieci Agilent | E4402B | |
| Zestaw | Anritsu | MS4662A | |
| Anritsu | model 3753 | ||
| domowej roboty | |||
| Tłumik 20 dB | inżynieria Weinschee | 20 dB AA57u8 | |
| koncentryczne na prostokątne przejście falowodu | Muegge | MW5002A-260YD | |
| adapter 7-16 na N złącze | Telegä rtner | 7-16/N Adapter | |
| koncentryczny | Rosenberger Hochfrequenztechnik | LU7_070_800 | |
| szybka kamera | Photron | fastcam SA5 | |
| obiektyw | Revueflex | makro revuenon 1:3.5/28mm | |
| lokalna wentylacja gazowa | Industrievertrieb Henning | ACD220 | |
| Okulary chroniące przed promieniowaniem UV | uvex | HC-F9178265 | |
| mikrofalowy tester szczelności | Conrad electronic | niedostępny | |
| miernik mikrofalowy | Holaday industries inc. | Numer katalogowy: 81273 |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.