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Engineering

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

doi: 10.3791/52816 Published: April 16, 2015

Abstract

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。

Introduction

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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。

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Protocol

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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。

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Representative Results

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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シミュレーションソフトウェアCOMSOL Multiphysicsの持つ固有モード解析を行ったとして。モデル化と大気圧マイクロ波プラズマトーチの電界分布のシミュレーションは、すでに詳細な洞察を提供し、例えば、それらの点火や操作の振る舞い19〜22についてさらなる発展と改善につながった。

一般的な円筒形E 010モードの電界同軸モードの分布、ならびに、それぞれ、 図4a及び図4bに示されている。同軸共振器内の電界は、多くのティムであるので、電界は、任意の単位で表示されているエスが高い円筒共振器内の電界に比べ。これは、ノズル先端での高電界は、同軸共振器と円筒共振器の最高電界円筒共振器の中心に位置して到達することがわかる。同軸共振器の共振周波数は、金属ノズルの位置によって変化させることができる。 0.05メートルの半径0.048メートルの高さを有する円筒共振器を有するマイクロ波プラズマトーチ用の異なるノズル位置に対する共振周波数のシミュレーション結果は、 図4Cの図に示されている。これは、円筒形のモードの共振周波数は、金属ノズルの位置によって影響されないことが分かる。しかしながら、同軸モードの共振周波数は、ノズル位置に依存しており、金属製のノズルは、円筒共振器内に上方に移動されたときに減少する。

必要な高い電気Fiが到達するためにELD同軸共振器は、この共振周波数の調整可能な同軸共振器は、高品質かつシャープで、狭い共鳴曲線を示す。しかし、鋭く狭い共振曲線は、同軸共振器の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ことを要求する。通常ので、マグネトロンは、その公称周波数でマイクロ波を放射していないと、マイクロ波の周波数は、マイクロ波の出力電力に依存するので、マグネトロンの周波数依存性は、方向性結合器と、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。スペクトラムアナライザと、マグネトロンの周波数依存性を測定するための実験装置を模式的に図1aに示されている。利用マグネトロンの測定された周波数依存性は、 図1Bの図に示されている。中心周波数は2.45GHzに設定し、ビデオ帯域幅は200MHzであった。これは、200 W(10%の力でそれを見ることができるマグネトロンの最大出力)マイクロ波の周波数は、2.44638 GHzであり、マイクロ波電力が増加すると増加する。 2キロワットの最大出力電力でマイクロ波周波数は2.45213ギガヘルツの値に達する。

マイクロ波プラズマトーチの共振周波数は、ネットワークアナライザを用いて測定することができ、ノズルを移動可能であるので、同軸共振器の共振周波数を調整することができる。そうするために、マイクロ波プラズマトーチアセンブリは、 図2Aの概略図に示すように、矩形の同軸導波管の移行を介してネットワークアナライザに接続されなければならない。マイクロ波プラズマトーチアセンブリのS11パラメータを測定することにより、共振周波数を決定することができる。 S11パラメータは周波数に依存して反射電力の入力電力の比を表す。共振に達したときに、電界を低減reflecteに至る共振器構造で確立Dマイクロ波電力。しかし、空洞内の電界強度は、ネットワークアナライザのマイクロ波の固定された波の振幅に直接関連している。ディップが共振周波数に対応するS11のスペクトルに現れる。 S11パラメータの典型的な測定は、 図2Bに示されている。ここで共振が2.846 GHzの周波数で観察される。 図4Cに示されたシミュレーションが示したように上下の金属ノズルを移動させることによって、同軸共振器の共振周波数を変化させることができる。金属製のノズル位置に同軸共振器の共振周波数のこの依存性は、S11パラメータの手段によって測定することができる。ノズル位置及び付随シミュレーション結果に依存して共振周波数の測定は、 図2Cの図に示されている。この図は、シミュレーション結果と解像度の測定値との間の良好な一致があることを示してい周波数onance。 2つの曲線は非常に小さなシフトがシミュレーションに使用されるものと比較して製造されたノズルの形状や寸法の非常に小さな偏差によって説明することができる。供給されるマイクロ波の周波数に同軸共振器の共振周波数を調整するために、金属製のノズルは、S11パラメータのディップが測定されたマイクロ波周波数に配置されるまで反復して上下に移動する必要がある。その後、金属ノズルがロックされなければならず、順方向電力はS11パラメータディップがその最大深さになるように反復して3スタブチューナのスタブを調整することによって最大化することができる。共振器の高品質と少ないマイクロ波反射に前進最大化電源リードと高電界がある共振器内に確立されている理由はS11パラメータの結果に深いディップ。

マイクロ波プラズマトーチアセンブリは、マグネトロンと、ガス供給部に装着した後、細胞質に接続されているトーチ点火し、動作させることができる。プラズマの点火は、高速度カメラで点火を観察することによって最も良く調べることができる。プラズマの点火、1000 fpsで記録した。提示されたプラズマ点火は1キロワットのマイクロ波電力および15slmの空気の供給ガス流量で行った。点火の各相の画像を図5にまとめる。 図5(a)の画像は操作不能プラズマトーチの前方で診断スリットからの角度でノズルを見下ろし、上から見た図を示している。円筒共振器の底部は、前方にある。ミッドプレーンでは、同軸共振器の始まりを見ることができます。ノズルの先端にも見ることができる。円筒共振器の底部は、再びバックグラウンドに位置している。焦点は、ノズル先端であるため、円筒共振器の底部はややぼやけている。他の画像は、プラズマ点火の位相を示している。マイクロ波電力がオンされると図5Bに見られるように、edはtで= 0秒で、プラズマは、同軸共振器のどこかに点火する。その後、64ミリ秒の間に、プラズマはその先端に金属製のノズルを巻き、その後ストレート5Eショーの図5C同軸モードでノズル先端で燃焼。これは、図5Fに示されるように、プラズマの強度は、次の692ミリ秒間に成長する。次に、1ミリ秒以降同軸共振器における燃焼プラズマによる共振周波数のずれに起因し、プラズマが図5G及び5Hに示すようにノズル先端から離脱し始める。 図5Iに示すように、ノズル先端から離れたプラズマの完全なブレークは、58ミリ秒後に到達する。プラズマは現在、円筒形のモードでの金属ノズルの上に自由に燃えている。最後秒間、3スタブチューナは、順方向マイクロ波電力を最大にするために再調整される。これは株式会社につながる図5Jで画像のように、プラズマのreaseを示しています。しかし、プラズマはまだそれに非接触でノズル先端の上に自由に燃えている。プラズマは、この円筒形の共振器モードで連続して安定に動作させることができる円筒共振器の低品質に起因する。

プラズマの寸法は、供給されるマイクロ波電力およびガス流量に依存する。 10、30および70 SLMの1及び2キロワットとガス流のマイクロ波電力のためのプラズマの写真を図6に提示されており、その前面に、その診断のスリットを有する共振器の写真の下部に位置している。プラズマは、円筒共振器内および上に石英管中に閉じ込められる。石英管は、青みがかった白熱を示す理由は、石英管にUV光結合する。これは、寸法ことがわかる - 半径方向および軸方向にも拡張 - oを増加しながら供給されるマイクロ波電力の増加に伴いプラズマの増加のガス流fが小さいプラズマ炎をもたらす。しかしながら、ガス、電子温度の測定がT gを = 3600 K、電子温度T e 最高温度を示し= 5800 Kは、外側のパラメータ、供給されるマイクロ波電力およびガスフロー、ならびに血漿容量19の独立している。温度は、光学発光分光法により得られた。 A 2Σ+ -原子酸素ラインのボルツマンプロットは、電子温度の推定を行ったがフリーOHラジカルの-transitionγは X ガス温度の測定に使用した。温度が測定されていると、完全な温度分布が参考23,24で見つけることができる方法についての詳細な説明。

プラズマの残光で表面を処理するために、プラズマがオリフィスの異なる種類の形状にすることができる。7描く異なる形状のプラズマの写真。レイアウトは、長い石英管に閉じ込められたプラズマの写真に似ています:円筒共振器は、画像の下部にある。プラズマによって照らされ、その診断スリット。異なる形状のプラズマは、上部開口の上方に燃焼することが分かる。 図7Aに写真を閉じ込める石英管は、共振器の外に拡張されません。プラズマは、共振器の上に自由に書き込むことができます。 図7Bに示すように拡張プラズマブラシは、スリット開口部を形成することができる。プラズマ針は、中心に穴を有するオリフィスを使用することによって達成することができる。これは、 図7Cに示されている。非常に小さく、円滑な残光プラズマは狭いスリットまたは図7D7Eショーで写真のように円形に配置いくつかの小さな穴を持っているオリフィスによって形成される。

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マグネトロンの図1の測定。(A)の回路図は、マイクロ波出力電力のマグネトロンの周波数依存性は、スペクトラムアナライザを用いて測定することができる方法を示しています。出力電力の使用マグネトロンの周波数依存性は、(B)に示されている。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図2
共振周波数の図2測定はネットワークアナライザを用いたマイクロ波プラズマトーチの共振周波数の測定と調整のための設定は、(A)に示されている。 (B)は、S11パラメータの代表的な測定値を示す。 S11のディップパラメータは、マイクロ波プラズマトーチの共振周波数を反映している。 )金属製のノズル位置での共振周波数の依存性を測定し、数値シミュレーションの結果は、Cに要約されている。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図3
図3.プラズマトーチのセットアップ。大気のマイクロ波プラズマトーチのセットアップの概略図。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図4
4.同軸円筒モード図。電界強度の分布は、(A)及び(B)に示されている。 (A)(B)は、円筒形のモードのいずれかを示している同軸モードの分布を示している。 (C)における図は、同軸プラズマトーチにおける金属ノズルの位置に円筒形の両方のモードの共振周波数の依存性を示す。共振器は、0.05メートル、直径0.0482メートルの高さを有している。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図5
プラズマ図5.点火1,000 fpsで1キロワットのマイクロ波電力及び15のガス流量で、高速度カメラによって記録されたプラズマの点火の各相の画像SLM空気。 (A)上記からの眺め、inoperationalにプラズマトーチの前面に診断スリットからの角度でノズルを見下ろす。 (B)同軸共振器内のプラズマの点火。 (C) - (E)は、同軸モードで燃焼するまで金属ノズルの先端にプラズマから巻き。 (F)は、プラズマが増加する。 (G)は - (I)は、プラズマは、自由に円筒モードでノズル先端の上方に離れて金属ノズル及び火傷から分解する。 (J)は順方向電力を最大化する3スタブチューナの再調整にプラズマが増大する。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図6
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図7
図7.異なるオリフィス。異なる形状のオリフィスにプラズマを使用することにより形成することができる。 (A)閉じ込め石英管は、共振器の外側に延びていないと、プラズマは、共振器の上に自由に書き込むことができます。 (B)は、プラズマは、スリットオリフィスを有するブラシ状に形成されている。 (C)プラズマ針穴オリフィスによって形成されている。(D)非常に滑らかなプラズマブラシがスムーズにプラズマ領域が円形に配置いくつかの小さな穴とオリフィスによって形成され、狭いスリットと、(E)でオリフィスを使用することによって達成することができます。 の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてくださいこの図。

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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。同軸共振器の共振周波数は、ネットワークアナライザを用いて測定し、可動ノズルによって調整することができるが、マグネトロンの送信周波数は、スペクトルアナライザを用いて測定することができる。

単独で供給されたマイクロ波によりプラズマの点火を保証するには、同軸共振器の共振周波数が完全にマグネトロンの送信周波数と一致していることが重要である。また、マイクロ波は、順方向電力ワットを最大化することによって達成されるプラズマトーチアセンブリの同軸共振器内に完全に結合されなければならない3スタブチューナ番目。これらの重要なステップは慎重に行われていない場合には、プラズマが発火またはマイクロ波をどこかにこれらの部品のいくつかの損傷につながる可能性がどのような実験装置に結合されていることをない可能性があります。プラズマのない着火が観察されない場合にはこのように、これらの手順を慎重に再度チェックする必要があります。また、プラズマが点火するが、それ自体で、同軸または円筒モードに切り替えていない可能性がある。この場合、プラズマは、一般的に、ガス流と供給されるマイクロ波電力を変化させることによって円筒モードに第1の同軸モードにしてから切り替えることができる。

自動的に転送を最大パワーにそのスタブを調整し、プラズマのより多くの自動点火および動作を得るための自​​動3スタブチューナではなく手動のものを使用することができます。従って、プラズマの点火用のスタブの調整、その後プラズマの動作のための調整が自動的にによって行われているこの3スタブチューナ。追加の点火装置と、安定した連続プラズマ操作2共振器構造の提示スマート組み合わせとスペクトラム·アナライザによるマグネトロンの測定の提示技術とを用いて測定し、共振周波数の調整なしにプラズマ点火を達成するためにネットワークアナライザは、非常に重要である。

プラズマの点火は、高速度カメラを用いて詳細に調べた。それは、プラズマが同軸共振器に点火することを明らかにした同軸モードでノズル燃焼の先端に巻き、強度とボリュームの増加は、離れて金属製のノズルから壊し、さらに増加し​​、その後に金属製のノズルの上に自由に燃える円筒形のモード。プラズマの点火及び円筒モードへの移行後にプラズマが安定して連続運転することができる。プラズマの寸法は、供給されるマイクロ波電力およびガス流量増加に依存sのときに供給されるマイクロ波電力が増加し、ガス流量が減少する。また、プラズマがオリフィスを使用することによって、針、ブラシまたは平滑残光プラズマに成形することができる。

ガスフロー提示マイクロ波プラズマトーチのマイクロ波電力は、約100 SLMと、プラズマの容積を制限するいくつかのキロワットに限定されている。石英管が損傷してはならないので、プラズマの半径方向の直径の石英管の内径に制限される。大きな血漿量が必要または大きなガス流を扱う必要がありされている場合は、プラズマ源の代わり2.45GHzの例えば915MHzで、より低いマイクロ波周波数を用いてアップスケーリングすることができる。 915メガヘルツ以上のマイクロ波電力が大きいガス流を処理することを可能にする、より大きなプラズマ容積につながる、利用可能である。しかしながら、より高い電力がプラズマの点火時に、操作が増加し、したがって、あの時に、特に金属ノズルの損傷の危険性を、使用されているTHER着火機構を考慮する必要がある。また、電子およびガス温度等のプラズマパラメータは、ガス流と供給されるマイクロ波電力のような外側のパラメータとは無関係である。異なるプラズマパラメータを有する大気圧プラズマが必要な場合はこのように、異なるソースを使用する必要があり、または必要必要に応じて適切なものを新たに開発する必要がある。

提示大気圧マイクロ波プラズマトーチは、追加の点火装置並びに安定した連続プラズマ操作なしにプラズマの点火を提供するので、プラズマ源は、多くの工業的用途に適している。自動3スタブ同調器が使用される、特に工業的プロセスのために追加の点火器なしでプラズマの点火の利点は、マイクロ波のみがオンされなければならないことであり、プロセスが確実にかつ自動的に実行を開始する。不連続動作が必要な場合はさらに、ここでプロセスが実行されている間欠続いてしばらく、プラズマプロセスは、迅速に信頼性のある再起動することができ、自動的に、追加の点火システムのないスレはない。アフターグロープラズマで化学合成のようなボリュームのプロセスと同様の表面処理は、マイクロ波プラズマトーチの用途として挙げることができる。特に、COおよびOのCO 2の解離に成長する半導体産業で使用される過フッ素化化合物のような温室効果ガスの有害な排ガスの分解に成功ならびに水素と炭素のメタンの熱分解に関する研究は、既に実施されて。また、残光プラズマは接着剤、塗料の密着性を高める表面の処理のための除染及び滅菌の目的のために使用された。例えば、プラズマ源は、いわゆるコルク汚染の原因となるトリクロロを分解するコルク栓の表面の汚染除去のために使用することができる。もう一つのAPPLICationが包装材料または食品上のように、表面上の細菌の減少である。

高周波電源の送信周波数をスペクトラムアナライザを用いて測定する方法を提示した技術及び他の高周波プラズマ源に適用することができる方法を共振構造の共振周波数は、ネットワークアナライザを用いて測定され、調整されている。例としてλ/ 4共振器に基づいている小さな小さなマイクロ波プラズマジェットは25-27名前を付けることができます。

最後に、提示映画は大気圧および/またはマイクロ波プラズマ源のさらなる発展および改良につながる。

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Materials

Name Company Catalog Number Comments
2 kW magnetron Muegge  MH2000S 211BA
2 kW power supply Muegge  ML2000D-111TC
insulator - circulator with water load Muegge  MW1003A-210EC
water load Muegge  MW1002E-260EC
three stub tuner Muegge  MW2009A-260ED
orifices homemade
microwave plasma torch homemade
spectrum analyzer Agilent E4402B
network analyzer Anritsu MS4662A
calibration kit Anritsu model 3753
directional coupler homemade
20 dB attenuator Weinschee engineering 20 dB AA57u8
coaxial to rectangular wave guide transition Muegge  MW5002A-260YD
adaptor 7-16 to N connector Telegärtner 7-16/N Adaptor
coaxial cable Rosenberger Hochfrequenztechnik LU7_070_800
high speed camera Photron fastcam SA5
lens Revueflex makro revuenon 1:3.5/28mm
local gas ventilation Industrievertrieb Henning ACD220
UV protection glasses uvex HC-F9178265
microwave leakage tester conrad electronic not available
microwave survey meter Holaday industries inc. 81273

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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
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Leins, M., Gaiser, S., Schulz, A., Walker, M., Schumacher, U., Hirth, T. How to Ignite an Atmospheric Pressure Microwave Plasma Torch without Any Additional Igniters. J. Vis. Exp. (98), e52816, doi:10.3791/52816 (2015).More

Leins, M., Gaiser, S., Schulz, A., Walker, M., Schumacher, U., Hirth, T. How to Ignite an Atmospheric Pressure Microwave Plasma Torch without Any Additional Igniters. J. Vis. Exp. (98), e52816, doi:10.3791/52816 (2015).

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