Abstract
Questo film mostra come una torcia al plasma a pressione atmosferica può essere incendiato da potenza a microonde senza accenditori supplementari. Dopo l'accensione del plasma, un funzionamento stabile e continuo del plasma è possibile e la torcia al plasma può essere utilizzato per svariate applicazioni. Da un lato, la vasca (3.600 K temperatura gas) plasma può essere utilizzato per processi chimici e dall'altro bagliore fredda (temperature fino a quasi RT) possono essere applicati per processi di superficie. Per esempio sintesi chimiche sono processi di volume interessanti. Qui la torcia al plasma a microonde può essere utilizzato per la decomposizione di gas di scarico nocivi e contribuiscono al riscaldamento globale, ma sono necessari come incisione gas nella coltivazione settori industriali come il ramo semiconduttori. Un'altra applicazione è la dissociazione di CO 2. Energia elettrica Surplus da fonti energetiche rinnovabili può essere utilizzato per dissociarsi CO 2 di CO e O 2. Il CO può essere ulteriormente protrasformati ad idrocarburi superiori gassosi o liquidi fornendo così stoccaggio chimico dell'energia, combustibili sintetici o chimici piattaforma per l'industria chimica. Applicazioni del bagliore della torcia al plasma sono il trattamento di superfici per aumentare l'adesione di lacca, colla o vernice, e la sterilizzazione o decontaminazione di diversi tipi di superfici. Il film spiega come accendere il plasma esclusivamente dalla potenza microonde senza accenditori supplementari, ad esempio, scintille elettriche. La torcia al plasma a microonde è basato su una combinazione di due risonatori - uno coassiale che fornisce l'accensione del plasma e una cilindrica che garantisce un funzionamento continuo e stabile del plasma dopo l'accensione. Il plasma può essere utilizzato in un tubo lungo microonde trasparente per i processi di volume o formate da orifizi per scopi di trattamento superficiale.
Introduction
Torce al plasma a microonde Pressione atmosferica offrono una varietà di applicazioni diverse. Da un lato possono essere utilizzati per i processi chimici di volume e dall'altro loro plasma bagliore può essere applicata per il trattamento di superfici. Come trattamento di superficie elabora il trattamento per aumentare l'adesione di colla, vernice o lacca o la decontaminazione o sterilizzazione di superfici può essere chiamato. Il plasma caldo e reattiva stesso può essere utilizzato per i processi di volume come la decomposizione del gas di scarico 1-7. Questi gas di scarico sono nocivi, contribuiscono al riscaldamento globale e difficilmente possono essere degradati convenzionale. Tuttavia, sono necessari nella coltivazione settori industriali quali il ramo semiconduttori. Altre applicazioni sono la sintesi chimica come la dissociazione di CO 2 di CO e O 2 o CH 4 di carbonio e idrogeno 8,9. L'energia elettrica in eccesso da fonti rinnovabili può essere utilizzato per dissociarsi CO
Ci sono alcune torce al plasma a microonde, ma la maggior parte di loro hanno svantaggi: Hanno solo molto piccoli volumi di plasma, hanno bisogno di accenditori supplementari, hanno bisogno di raffreddamento del reattore al plasma o possono funzionare solo in modalità pulsata 10-18. La torcia al plasma a microonde presentato in questo film offre l'accensione del plasma con la sola forza microonde fornito senza accenditori supplementari nonché un funzionamento stabile e continuo senza raffreddamento del reattore al plasma per una vasta gamma di parametri di funzionamento e può essere usato per tutte le applicazioni sopra menzionate. La torcia al plasma a microonde è basato su una combinazione di due risonatori: uno coassiale e una cilindrica. Il risonatore cilindrico ha una qualità bassa ed è operated in noto E 010 -mode con il campo elettrico massimo nel suo centro. Il risonatore coassiale si trova sotto il risonatore cilindrica ed è costituito da un ugello metallico mobile in combinazione con una fornitura di gas tangenziale. L'elevata qualità del risonatore coassiale presenta una curva di risonanza molto stretta ma profonda. A causa della elevata qualità del risonatore coassiale un campo elettrico elevato può essere raggiunto che è necessaria per l'accensione del plasma. Tuttavia, la qualità del risonatore coassiale è associato con una curva di risonanza molto stretta e quindi la frequenza di risonanza deve adattarsi perfettamente alla frequenza della microonda fornita. Poiché gli spostamenti di frequenza di risonanza dopo l'accensione del plasma a causa della permittività del plasma, il forno non può più penetrare nel risonatore coassiale. Per il funzionamento continuo del plasma è necessario il risuonatore cilindrica con una qualità bassa e un'ampia curva di risonanza.
Una fornitura di gas assiale aggiuntiva tramite l'ugello metallico del risonatore coassiale è possibile. Il plasma è acceso e confinato in un tubo trasparente alle microonde, ad esempio un tubo di quarzo. La permittività del tubo di quarzo influenza anche la frequenza di risonanza. Poiché il quarzo ha una permittività di> 1, il volume del risonatore cilindrico è praticamente allargata che porta ad una frequenza di risonanza più bassa. Questo fenomeno deve essere considerato quando le dimensioni del risonatore cilindrico sono progettati. Una discussione dettagliata di come la frequenza di risonanza è influenzato dal tubo di quarzo inserito può essere trovato in riferimento 23. Se si utilizza un tubo di quarzo lungo e prolungato, questo può anche agire come camera di reazione per i processi di volume. Tuttavia, per trattamenti superficiali il plasma può anche essere una forma diversa da diversi tipi di orifizi. Il forno viene alimentato attraverso una guida d'onda rettangolare dal magnetron. Per evitare l'inquinamento acustico l'uso di un basso ripple magnetron è consigliatoconclusa. Il magnetron che viene utilizzato nel film è uno basso ripple.
Per l'accensione del plasma viene utilizzato il risonatore coassiale alta qualità mentre un'operazione stabile e continuo è fornito dal risonatore cilindrico. Per ottenere l'accensione del plasma dal risonatore coassiale alta qualità la frequenza di risonanza del risonatore deve corrispondere perfettamente la frequenza della microonda fornita dal magnetron utilizzato. Poiché tutti i magnetron non emettono loro frequenza microonde esattamente alla frequenza nominale e poiché la frequenza dipende dalla potenza di uscita, il magnetron deve essere misurata con un analizzatore di spettro. La frequenza di risonanza del risonatore coassiale può essere regolata spostando l'ugello metallico su e giù. Questa frequenza di risonanza può essere misurata e quindi rettificato per la frequenza di invio del magnetron utilizzato con un analizzatore di rete. Per raggiungere il campo elettrico alto sulla punta dell'ugello, necessaria per l'accensionedel plasma, un sintonizzatore tre stub è necessaria in aggiunta. Questo sintonizzatore tre stub è un componente microonde comunemente usato. Il sintonizzatore tre stub è montato tra la torcia al plasma a microonde ed il magnetron. Dopo la frequenza di risonanza del risonatore coassiale viene regolata, la potenza è massimizzata e la potenza riflessa minimizzato iterativamente i mozzi del sintonizzatore tre stub.
Dopo aver regolato la frequenza di risonanza del risonatore coassiale oltre ad aver massimizzato le potenze in avanti mediante il sintonizzatore tre stub, il plasma della torcia al plasma a microonde può essere acceso quando la torcia al plasma a microonde è collegato ad un magnetron. Per l'accensione del plasma una potenza minima microonde di circa 0,3 a 1 kW è sufficiente. Il plasma accende nel risonatore coassiale. Dopo l'accensione del plasma della frequenza di risonanza del risonatore coassiale è spostata a causa della permittività dielettrica del plasma e il forno a microonde non puòpenetrano più nel risonatore coassiale. Così, gli interruttori plasma dal modo coassiale nel suo modo cilindrico molto più esteso bruciare liberamente piedi sopra l'ugello metallico al centro del risonatore cilindrico. Poiché la qualità della modalità cilindrica è molto bassa e quindi presenta un'ampia curva di risonanza, il forno può ancora penetrare nel risonatore cilindrica nonostante lo spostamento della frequenza di risonanza a causa della permittività dielettrica del plasma. Così, un funzionamento continuo e stabile del plasma nella modalità cilindrica è fornito dalla torcia al plasma a microonde. Tuttavia, per raggiungere un completo assorbimento della potenza fornita microonde, gli stub dei tre sintonizzatore stub devono essere riadattato. Altrimenti la potenza delle microonde fornita non è completamente assorbito dal plasma, ma una certa percentuale della microonda fornita viene riflessa e assorbita dal carico dell'acqua.
Per esaminare l'accensione del plasma nel coassialimodalità e quindi la sua transizione in modalità cilindrica estesa, l'accensione del plasma è osservato da una telecamera ad alta velocità.
Il film presentato mostrerà come viene misurata la dipendenza dalla frequenza del magnetron, la frequenza di risonanza del risonatore coassiale viene regolata, come viene massimizzata la potenza e come il plasma viene acceso dalla potenza fornita microonde. La registrazione della videocamera ad alta velocità è indicata pure.
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Protocol
1. Misurazione della Magnetron
Nota: Lo schema del setup sperimentale per misurare il magnetron è illustrato nella Figura 1A.
- Collegare il magnetron ad un isolante costituito da un circolatore e un carico di acqua con 10 viti.
- Collegare l'isolatore ad un accoppiatore direzionale con 10 viti.
- Collegare l'accoppiatore direzionale per un secondo carico acqua con 10 viti.
- Fornire tutti i carichi d'acqua con l'acqua.
- Calibrare l'analizzatore di spettro con la sua funzione di taratura secondo il protocollo del produttore.
- Collegare un attenuatore 20 dB per l'analizzatore di spettro collegando il dB attenuatore 20 per l'analizzatore di spettro.
Nota: Il dB attenuatore 20 è utilizzato per proteggere l'analizzatore di spettro da troppo elevate potenze superiori a 1 W. - Collegare l'attenuatore 20 dB analizzatore di spettro dotato all'estremità del cavo coassiale con connettore BNC collegando cocavo assiale in dB attenuatore 20.
- Collegare l'estremità del cavo coassiale dotato di un connettore N alla accoppiatore direzionale collegando il cavo coassiale al cavo direzionale.
- Accendere il magnetron tramite l'alimentazione e lo spettro della microonda emessa viene visualizzato l'analizzatore di spettro.
- Se necessario, regolare l'ascissa visualizzato, ordinata e la loro risoluzione in base al manuale dell'analizzatore di spettro.
- Per misurare la frequenza delle microonde in uscita in funzione della potenza delle microonde, aumentare la potenza delle microonde dal 10% al massimo della potenza di uscita in 5% a 10% passi e per ogni passo determinare la frequenza dell'ampiezza massima dello spettro visualizzato dall'analizzatore di spettro.
Nota: Solitamente, lo spettro di frequenza di un magnetron inferiore al 10% della sua massima potenza di uscita è molto ampio, presenta molti picchi differenti e quindi non è utilizzabile.
2. AdeguamentoLa frequenza di risonanza
Nota: Lo schema della configurazione sperimentale per la misurazione e la regolazione della frequenza di risonanza è illustrato nella Figura 2A.
- Calibrare l'analizzatore di rete con il kit di calibrazione per il funzionamento S11 (secondo il protocollo del produttore).
- Collegare il cavo coassiale attraverso la N connettore coassiale alla parte di una transizione guida coassiali a onda rettangolare inserendo il cavo coassiale coassiale a guida d'onda-transizione.
- Collegare la parte rettangolare della transizione guida coassiali-to-rettangolare-wave di un sintonizzatore a tre stub con 10 viti.
- Collegare il sintonizzatore tre stub al gruppo torcia a microonde al plasma con 10 viti.
- Nel interruttore menù analizzatore di rete per il funzionamento S11.
- Nel menu di analizzatore di rete passare alla modalità ROS o la modalità per accedere.
- Iterativamente regolare la frequenza di risonanza del gruppo torcia microonde plasma al freque misuratoncy del magnetron ad una potenza di uscita di 25% - 60% della potenza massima di uscita spostando l'ugello su e giù. La frequenza di risonanza del gruppo torcia al plasma a microonde è dato dal dip della misurazione parametro S11 come illustrato nella Figura 2B. Regolare questo tuffo spostando l'ugello su e giù per la frequenza raccomandata.
- Quando viene regolata la frequenza di risonanza, bloccare la posizione dell'ugello con il dado di bloccaggio.
- Aumentare la potenza delle microonde avanti iterativamente regolando le tre mozzi del sintonizzatore tre stub spostando gli stub su e giù. La potenza delle microonde assorbita dal gruppo torcia al plasma a microonde è dato dalla profondità del dip del parametro S11. Così, massimizzare questo tuffo regolando la stub del sintonizzatore tre stub. Comunemente, è sufficiente che due dei tre mozzi sono utilizzati.
3. Accensione del Plasma
- Indossare occhiali di protezione UV in quanto il plasma emette Radia UVzione. Azionare la torcia al plasma sotto ventilazione locale di gas in quanto il plasma produce ossidi di nitruro.
- Collegare il gruppo torcia al plasma a microonde con il risonatore coassiale adjusted (ugello è bloccato) e la corretta sintonizzatore tre stub al magnetron dotato di un isolante costituito da un circolatore collegato a un carico di acqua.
- Collegare l'alimentazione del gas alla torcia al plasma a microonde.
- Accendere l'alimentazione del gas a 5 a 20 slm.
- Poiché la radiazione a microonde in dosi più elevate è dannoso soprattutto per gli occhi, verificare che non ci siano perdite a microonde.
- Per fare ciò, accendere il forno a microonde a bassissima potenza di 10% al 12% e verificare tutti i collegamenti a microonde con un metro a microonde per perdite.
- Se ci sono perdite rimuoverli completamente prima di aumentare la potenza a microonde o il funzionamento della torcia al plasma a microonde.
- Se non ci sono perdite accendere il microonde iniziando con basse potenze di 10% e aumentare il microfonopotenza rowave lentamente in 10 60 sec fino plasma accende nel tubo di quarzo della torcia al plasma a microonde.
- Osservare con attenzione se e dove il plasma prede fuoco ma attenzione con le microonde eventualmente irradiati. Preferibilmente usare uno specchio per l'osservazione dell'accensione plasma.
- Se no al plasma si accende, spegnere l'alimentazione microonde e verificare attentamente se la potenza delle microonde è correttamente accoppiato nel risonatore coassiale e non fuorviante per gli altri componenti il riscaldamento in su o addirittura danneggiare. Controllare se alcuni componenti sono sempre riscaldati.
- Se qualsiasi componente viene riscaldato - cioè, la potenza delle microonde è fuorviante - spostare tutti mozziconi di sintonizzatore tre stub fuori della guida d'onda e regolare loro di massimizzare l'accoppiamento microonde nel gruppo torcia al plasma come descritto al punto 2.9. Poi ricominciare con passo 3.1.
- Regolare la frequenza di risonanza del risonatore coassiale della torcia al plasma per la frequenza di invio della rivistaNetron ad una sufficiente potenza elevata microonde del 25% al 60% della potenza massima con l'analizzatore di rete come descritto nel passaggio 2. Per migliorare l'accensione, regolare la frequenza di risonanza del risonatore coassiale come descritto al punto 2 per una maggiore potenza di uscita. Poi ricominciare con passo 3.1.
- Se il plasma accende qualche parte nella torcia al plasma e non passa automaticamente alla modalità coassiale o cilindrica, variare il flusso di potenza a microonde e gas fornito fino brucia in modo cilindrico.
- Quando il plasma brucia in modalità cilindrica, iterativamente regolare la mozzi del sintonizzatore tre stub spostandoli su e giù in modo che tutta la potenza fornita microonde è assorbita dal plasma e la potenza delle microonde riflessa diventa zero.
Nota: Se un diodo microonde è collegato al carico di acqua e alla corrispondente ingresso dell'unità di controllo, la potenza delle microonde riflessa viene visualizzata l'unità di controllo della potenza delle microonde alimentazione.Come fare questo è descritto nel manuale della potenza del microonde alimentazione. - Quando si utilizzano potenze microonde superiori di 1,5 kW o superiore e flussi di gas bassi inferiori a 15 slm, controllare attentamente che il plasma non tocchi le pareti del tubo di quarzo. Il tubo di quarzo non deve brillare ovunque.
- Se il tubo di quarzo diventa rosso, diminuire la potenza delle microonde o aumentare il flusso di gas fino a quando scompare completamente.
- Poiché le microonde possono essere irradiati dal plasma dovuta alla conducibilità del plasma, controllare con un metro microonde che la potenza delle microonde irradiata è inferiore alla soglia.
- Se la potenza delle microonde irradiata è superiore alla soglia, schermare il plasma con una rete metallica in cui la dimensione delle maglie è molto inferiore alla metà della lunghezza d'onda utilizzata microonde.
4. Alta velocità Movie Camera del Ignition Plasma
Nota: Poiché l'accensione del plasma e del suo passaggio alla modalità cilindrica è nell'intervalloalcune centinaia di millisecondi, questo processo può essere meglio studiati mediante una telecamera ad alta velocità. Tuttavia, non è necessario osservare il processo di accensione mediante una telecamera ad alta velocità ogni volta che il plasma viene acceso.
- Posizionare la lente della telecamera ad alta velocità di fronte alla torcia al plasma a microonde guardando attraverso la fessura diagnostico nella parte anteriore della torcia al plasma.
- Regolare finché la fotocamera punta nel risonatore coassiale alla punta dell'ugello metallico.
- Mettere a fuoco sulla punta dell'ugello metallico.
- Avviare la registrazione con 1.000 fps (fotogrammi al secondo) della telecamera ad alta velocità.
- Accendere il plasma come descritto nel paragrafo 3.
5. Stabile e continuo funzionamento Plasma
Nota: Quando il plasma è stato acceso in modalità cilindrica e il sintonizzatore tre stub è stato regolato per massimizzare l'assorbimento della potenza delle microonde dal plasma stabile e Continnue funzionamento della torcia al plasma è possibile.
- Regolare la dimensione - radiale ed assiale estensione - del plasma alla dimensione desiderata variando la potenza delle microonde fornita tra il 10% e la potenza massima di uscita e il flusso di gas tra 10 e 70 slm. Mantenere la dimensione radiale limitata al diametro del tubo di quarzo. Il plasma non deve toccare la parete del tubo di quarzo che significa che il tubo di quarzo non deve bagliore.
- Per modellare il plasma in forme diverse, utilizzare una breve tubo di quarzo che limita solo il plasma all'interno del risonatore cilindrica e posizionare un foro sulla parte superiore del gruppo torcia al plasma.
- Se necessario, fissare gli orifizi con alcune viti.
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Representative Results
Per fornire un'accensione plasma senza accenditori supplementari così come un'operazione plasma stabile e continuo un risonatore coassiale di alta qualità con una frequenza di risonanza registrabile è stato combinato con un risonatore bassa cilindrica qualità ad una torcia al plasma a microonde. Lo schema della torcia al plasma è presentato nella figura 3. Il plasma è confinato in un tubo trasparente alle microonde, qui un tubo di quarzo. Questo tubo può agire come una camera di reazione per processi volume di plasma o una spazzola plasma per trattamenti superficiali può essere formato da un orifizio. La potenza delle microonde è guidato tramite una guida d'onda rettangolare dal magnetron alla torcia al plasma a microonde. Diversi tipi di gas possono essere forniti attraverso o l'erogazione del gas tangenziale o assialmente attraverso l'ugello metallico del risonatore coassiale. La torcia al plasma a microonde è dotato di una feritoia frontale, in modo che il plasma all'interno della torcia e l'accensione può essere studiata in dettaglio.
content "> Per garantire l'accensione del plasma sola potenza microonde fornito un elevato campo elettrico di occorre circa 3 a 6 MV / m. Per una migliore comprensione della distribuzione di campo elettrico, simulazioni della distribuzione del campo elettrico e l'analisi dei modi propri con il software di simulazione disponibile in commercio COMSOL Multiphysics sono stati condotti. Modellazione e simulazione di distribuzioni di campo elettrico di pressione atmosferica torce microonde plasma forniti già approfondimenti dettagliati e ha portato a ulteriori sviluppi e miglioramenti per quanto riguarda ad esempio la loro accensione o il funzionamento comportamento 19- 22.La distribuzione del campo elettrico del modo coassiale nonché cilindrico comune E modalità 010 è illustrato in Figura 4a e 4b, rispettivamente. Il campo elettrico viene visualizzata in unità arbitrarie, poiché il campo elettrico nel risonatore coassiale è molti times superiore rispetto al campo elettrico nel risonatore cilindrico. Si può notare che un campo elettrico ad alta sulla punta dell'ugello è raggiunto con il risonatore coassiale e il massimo campo elettrico del risonatore cilindrico è al centro del risonatore cilindrico. La frequenza di risonanza del risonatore coassiale può essere variata la posizione dell'ugello metallico. I risultati della simulazione per le frequenze di risonanza per differenti posizioni ugelli per una torcia al plasma a microonde con un risonatore cilindrico con un raggio di 0,05 m ed un'altezza di 0.048 m sono mostrati nel diagramma in Figura 4C. Si può notare che la frequenza di risonanza del modo cilindrica non è influenzata dalla posizione dell'ugello metallico. Tuttavia, la frequenza di risonanza del modo coassiale dipende dalla posizione dell'ugello e diminuisce quando l'ugello metallico viene spostato verso l'alto nel risonatore cilindrico.
Per raggiungere la necessaria alta fi elettricacampo nel risonatore coassiale questo risonatore coassiale risonanza frequenza regolabile presenta una elevata qualità ed una curva di risonanza tagliente e stretta. Tuttavia, una curva di risonanza tagliente e stretta richiede che la frequenza di risonanza del risonatore coassiale sposa perfettamente la frequenza della microonda fornita. Poiché normalmente magnetron non emettono microonde alla loro frequenza nominale e poiché la frequenza della microonda dipende dalla potenza di uscita del forno a microonde, la dipendenza dalla frequenza del magnetron deve essere misurato per mezzo di un accoppiatore direzionale e un analizzatore di spettro. Il set-up sperimentale per misurare la dipendenza dalla frequenza del magnetron con un analizzatore di spettro è schematicamente dato in Figura 1a. La dipendenza dalla frequenza misurata del magnetron utilizzata è mostrata nel diagramma in Figura 1B. La frequenza centrale è impostata a 2,45 GHz e larghezza di banda video era di 200 MHz. Si può notare che con una potenza di 200 W (10% dila potenza di uscita massima del magnetron) la frequenza delle microonde è 2,44,638 mila GHz e aumenta quando aumenta la potenza delle microonde. Alla potenza di uscita massima di 2 kW la frequenza delle microonde raggiunge un valore di 2,45,213 mila GHz.
La frequenza di risonanza della torcia al plasma a microonde può essere misurata con un analizzatore di rete e poiché l'ugello è mobile la frequenza di risonanza del risonatore coassiale può essere regolata. A tale scopo, il forno a microonde gruppo torcia al plasma deve essere collegato ad un analizzatore di rete tramite una transizione guida d'onda rettangolare a coassiali come mostrato nello schema della Figura 2A. Misurando il parametro S11 del gruppo torcia al plasma a microonde la frequenza di risonanza può essere determinata. Il parametro S11 rappresenta il rapporto tra la potenza in ingresso alla potenza riflessa in funzione della frequenza. Quando si raggiunge una risonanza, un campo elettrico stabilisce nella struttura risuonatore portando ad una riduzione reflectepotenza microonde d. Tuttavia, l'intensità di campo all'interno della cavità è direttamente correlata all'ampiezza dell'onda fissa della microonda fornita dalla analizzatore di rete. Un tuffo appare nello spettro S11 che corrisponde alla frequenza di risonanza. Una misurazione tipica del parametro S11 è illustrato in Figura 2B. Qui una risonanza si osserva alla frequenza di 2.846 GHz. Spostando l'ugello metallico su e giù, la frequenza di risonanza del risonatore coassiale può essere variata come le simulazioni raffigurate nella Figura 4C mostrato. Questa dipendenza della frequenza di risonanza del risonatore coassiale sulla posizione dell'ugello metallico può essere misurata mediante il parametro S11. Una misura della frequenza di risonanza in funzione della posizione dell'ugello ed i risultati della simulazione che spettano sono rappresentati nel diagramma in Figura 2C. Questo diagramma mostra che esiste una buona concordanza tra i risultati della simulazione ei valori misurati dei resfrequenza onance. Il molto piccolo spostamento delle due curve può essere spiegata con molto piccole deviazioni della geometria e dimensione dell'ugello fabbricati rispetto a quello utilizzato per le simulazioni. Per regolare la frequenza di risonanza del risonatore coassiale alla frequenza della microonda fornita, l'ugello metallico deve essere iterativamente spostata su e giù fino tuffo nel parametro S11 è situato alla frequenza misurata microonde. Poi l'ugello metallico deve essere bloccato e la potenza può essere massimizzato iterativamente regolando la stub del tuner tre stub in modo che il parametro dip S11 raggiunge la massima profondità. L'alta qualità del risonatore e massimizzato avanti cavo di alimentazione di un minor numero di riflessioni a microonde e di un campo elettrico alto è stabilito nel risonatore, che è il motivo per cui un profondo tuffo nei risultati dei parametri S11.
Dopo l'assemblaggio della torcia al plasma a microonde è montato al magnetron e l'alimentazione del gas è collegato, il plasmauna torcia può essere acceso e in funzione. L'accensione del plasma può essere studiata meglio osservando l'accensione con una telecamera ad alta velocità. L'accensione del plasma è stato registrato a 1.000 fps. L'accensione del plasma presentata è stata condotta ad una potenza di microonde 1 kW e un flusso di gas fornito di aria 15 slm. Immagini di ciascuna fase di accensione sono riassunti in Figura 5. L'immagine della Figura 5A mostra la vista dall'alto, guardando verso il basso sulla dell'ugello ad un angolo attraverso la fessura diagnostico nella parte anteriore della torcia al plasma inutilizzabile. La parte inferiore del risonatore cilindrica è nella parte anteriore. Nel piano intermedio è possibile vedere l'inizio del risonatore coassiale. La punta dell'ugello può anche essere visto. La parte inferiore del risonatore cilindrico è situato in background di nuovo. Poiché il focus è sulla punta dell'ugello, la parte inferiore del risonatore cilindrico è alquanto sfocata. Le altre immagini mostrano le fasi di accensione del plasma. Quando si gira la potenza delle microondeed on at = 0 msec, il plasma accende qualche parte nel risonatore coassiale come si può vedere nella Figura 5B. Poi, durante la 64 msec, il plasma finisce l'ugello metallico alla sua punta e poi brucia dritto sulla punta ugello in modalità coassiale come figura 5C di 5E spettacolo. L'intensità del plasma cresce per i seguenti 692 msec come mostrato in Figura 5F. Poi, per lo spostamento della frequenza di risonanza provocata dal plasma bruciando nel risonatore coassiale 1 msec dopo, il plasma inizia a staccarsi dalla punta ugello come mostrato nella Figura 5G e 5H. La rottura completa via del plasma dalla punta ugello è raggiunto dopo 58 msec come illustrato nella Figura 5I. Il plasma sta bruciando liberamente sopra l'ugello metallico nella modalità cilindrica. Durante l'ultimo secondo, il sintonizzatore tre stub è riadattato per massimizzare la potenza del microonde in avanti. Questo porta ad un increase del plasma come l'immagine della Figura mostra 5J. Tuttavia, il plasma è ancora bruciando liberamente sopra la punta ugello con alcun contatto ad esso. A causa della bassa qualità del risonatore cilindrico plasma può funzionare continuamente e stabilmente in questa modalità risonatore cilindrico.
La dimensione del plasma dipende dalla potenza del microonde in dotazione e il flusso di gas. Fotografie di plasma per potenze microonde di 1 e 2 kW e gas flussi di 10, 30 e 70 slm sono presentati in Figura 6. Il risonatore con la sua feritoia diagnostico nella anteriore si trova nella parte inferiore delle foto. Il plasma è confinato in un tubo di quarzo dentro e sopra il risonatore cilindrico. Coppie di luce UV nel tubo di quarzo che è il motivo per cui il tubo di quarzo presenta un incandescente bluastro. Si può notare che le dimensioni - radiale e anche l'estensione assiale - dell'aumento plasma con un aumento della potenza delle microonde dotazione mentre un aumento of il flusso di gas porta ad una fiamma di plasma più piccolo. Tuttavia, le misurazioni della temperatura del gas di elettroni e mostrano le temperature massime di T g = 3.600 K e temperatura degli elettroni T e = 5.800 K sono indipendenti dai parametri esterni, flussi di potenza a microonde e gas forniti, nonché del volume del plasma 19. Le temperature sono stati ottenuti mediante spettroscopia ottica. L'A 2 + Σ - X 2 Π γ Transizione della libera radicale OH è stato utilizzato per la determinazione della temperatura dei gas mentre un Boltzmann-plot di linee ossigeno atomico è stato condotto per la stima della temperatura elettronica. Una descrizione dettagliata di come le temperature sono state misurate e le distribuzioni di temperatura completi possono essere trovati in Riferimenti 23 e 24.
Per trattare superfici nel bagliore del plasma, il plasma può essere modellato con diversi tipi di orifizi. Figura 7 raffigura foto di plasmi di forma diversa. Il layout è simile alle foto del plasma confinato in un tubo di quarzo lunga: il risonatore cilindrica è al fondo dell'immagine; la sua fessura diagnostica illuminata dal plasma. Diversamente plasma sagomati possono essere visti bruciare sopra il top-apertura. Sulla foto in Figura 7A il tubo di quarzo confinamento non si estende al di fuori del risonatore. Il plasma può bruciare liberamente sopra il risonatore. Una spazzola plasma estesa può essere formata con orifizio come fessura come illustrato nella Figura 7B. Un ago plasma può essere ottenuto utilizzando un orifizio con un foro nel suo centro. Questo è mostrato in Figura 7C. Molto piccole e lisce plasmi afterglow sono formati da orifizi che hanno una stretta fessura o alcuni piccoli fori disposti in un cerchio, come le foto di Figura 7D e 7E mostrano.
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Figura 1. Misurazione del magnetron. Lo schema in (A) mostra come la dipendenza dalla frequenza di un magnetron di potenza a microonde può essere misurata per mezzo di un analizzatore di spettro. La dipendenza dalla frequenza del magnetron utilizzato della potenza di uscita è raffigurato in (B). Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 2. misurazione della frequenza di risonanza. La configurazione per la misurazione e la regolazione della frequenza di risonanza della torcia al plasma a microonde per mezzo di un analizzatore di rete è data in (A). (B) mostra una misura tipica del parametro S11. Il tuffo in S11parametro riflette la frequenza di risonanza della torcia al plasma a microonde. La dipendenza misurata della frequenza di risonanza sulla posizione degli ugelli metallici e dei risultati delle simulazioni numeriche sono riassunti in c). Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 3. installazione della torcia al plasma. Schema della configurazione del atmosferico cannello microonde plasma. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 4. coassiale e modalità cilindrica.La distribuzione del campo elettrico è illustrato in (A) e (B). (A) mostra la distribuzione per la modalità coassiale while (B) mostra quello per la modalità cilindrica. Il diagramma a (C) mostra la dipendenza della frequenza di risonanza sia coassiale e la modalità cilindrica sulla posizione dell'ugello metallico nella torcia al plasma. Il risonatore ha un diametro di 0,05 metri e un'altezza di 0,0482 m. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 5. accensione del plasma. Immagini di ciascuna fase di accensione del plasma registrati da una telecamera ad alta velocità a 1.000 fps e con una potenza di microonde 1 kW e un flusso di gas di 15aria SLM. (A) Vista dall'alto, guardando verso il basso sulla dell'ugello ad un angolo attraverso la fessura diagnostico nella parte anteriore della torcia al plasma inutilizzabile. (B) accensione del plasma nel risonatore coassiale. (C) - (E) Scioglimento del plasma alla punta dell'ugello metallico fino brucia in modo coassiale. (F) Gli aumenti plasma. (G) - (I) Il plasma stacca dall'ugello metallico e brucia liberamente sopra la punta dell'ugello in modalità cilindrica. (J) Gli incrementi di plasma a causa del riassetto del sintonizzatore tre stub per massimizzare la potenza in avanti. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 7. Diversi orifizi. Usando orifizi di forma diversa plasma possono essere formate. (A) Il tubo di quarzo confinamento non si estende al di fuori del risonatore e il plasma può bruciare liberamente sopra il risonatore. (B) Il plasma è modellato in una spazzola con un orifizio a fessura. (C) Un ago plasma è formato da un orifizio foro.(D) Un pennello plasma molto liscia può essere ottenuto utilizzando un foro con una stretta fessura e (E) una superficie liscia al plasma è costituito da un foro con alcuni piccoli fori disposti in cerchio. Cliccate qui per vedere una versione più grande questa figura.
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Discussion
Il film presentato spiega come l'accensione di un plasma a microonde pressione atmosferica senza accenditori supplementari può essere realizzato, i principi di base di questa torcia al plasma a microonde, la sua regolazione, il processo di accensione del plasma e del suo funzionamento stabile e continuo. Come descritto nell'introduzione, esistono già diversi tipi di torce al plasma a microonde ma nessuno di quelli forniscono l'accensione del plasma senza accenditori aggiuntivi e funzionamento plasma stabile e continuo.
Per ottenere l'accensione del plasma senza alcuna accenditori aggiuntivi a pressione atmosferica di un campo elettrico ad alta è necessario e quindi un risonatore con un'alta qualità mentre per un funzionamento continuo e plasma stabile è necessaria una qualità bassa. Questo può essere realizzato combinando un risonatore coassiale di alta qualità che garantisce l'accensione del plasma e un risonatore cilindrica bassa qualità che fornisce un continuo eil funzionamento del plasma stabile.
La frequenza della microonda fornita deve corrispondere perfettamente la frequenza di risonanza del risonatore coassiale di alta qualità in modo che la potenza disponibile è accoppiato nella camera di risonanza. Pertanto, la dipendenza dalla frequenza del magnetron deve essere noto e la frequenza di risonanza del risonatore coassiale deve essere regolabile. La frequenza di invio del magnetron può essere misurata con un analizzatore di spettro, mentre la frequenza di risonanza del risonatore coassiale può essere misurata per mezzo di un analizzatore di rete e modificare l'ugello mobile.
Per garantire l'accensione del plasma unicamente dal microonde fornita, è fondamentale che la frequenza di risonanza del risonatore coassiale sposa perfettamente la frequenza di invio del magnetron. Inoltre, il forno deve essere accoppiato completamente nel risonatore coassiale del gruppo torcia al plasma che si ottiene massimizzando la potenza won il tuner tre stub. Se questi passaggi critici non sono condotti con attenzione è possibile che il plasma non si accende o che il forno è accoppiato nella configurazione sperimentale qualche cosa potrebbe comportare un certo danno di queste parti. Pertanto, se si osserva alcuna accensione del plasma, questi passaggi devono essere controllati con attenzione di nuovo. Inoltre, è possibile che il plasma accende ma non commuta al modo coassiale o cilindrica da solo. In questo caso, il plasma può comunemente essere commutato prima alla modalità coassiale e poi alla modalità cilindrica variando il flusso di gas e la potenza fornita microonde.
Per ottenere una combustione più automatico e il funzionamento del plasma di un tuner automatico tre stub che regola automaticamente le proprie matrici per massimizzare avanti potere può essere usato al posto di quello manuale. Così la regolazione della mozzi per l'accensione del plasma e successivamente la regolazione per il funzionamento del plasma sono condotti automaticamentequesto sintonizzatore tre stub. Per ottenere l'accensione del plasma senza accenditori aggiuntivi e funzionamento plasma stabile e continua la combinazione presentato intelligente delle due strutture risonatore e la tecnica presentata della misurazione del magnetron da un analizzatore di spettro e la misurazione e regolazione della frequenza di risonanza mediante analizzatore di rete sono fondamentali.
L'accensione del plasma è stato studiato in dettaglio con una telecamera ad alta velocità. Essa ha rivelato che il plasma accende nel risonatore coassiale, avvolge fino alla punta della combustione dell'ugello nel modo coassiale, aumenti di intensità e di volume, si stacca dall'ugello metallico, aumenta ulteriormente e poi brucia liberamente sopra l'ugello metallico in modalità cilindrica. Dopo l'accensione del plasma e del suo passaggio alla modalità cilindrica il plasma può essere azionato in modo stabile e continuo. La dimensione del plasma dipende dalla potenza del microonde in dotazione e il flusso di gas e aumentos quando la potenza delle microonde fornita è aumentata o il flusso di gas viene diminuita. Inoltre, il plasma può essere modellata per aghi, spazzole o plasmi afterglow lisce utilizzando orifizi.
Il flusso di gas e la potenza delle microonde della torcia al plasma a microonde presentato sono limitati a circa 100 slm e alcuni kilowatt che limita anche il volume del plasma. Poiché il tubo di quarzo non deve essere danneggiato diametro radiale del plasma è limitata al diametro interno del tubo di quarzo. Se viene richiesto un volume plasmatico più grande o flussi di gas di grandi dimensioni devono essere trattati, la sorgente del plasma può essere up-scalati utilizzando una frequenza più bassa microonde, per esempio 915 MHz invece di 2,45 GHz. Con 915 MHz di potenza a microonde è disponibile, portando a volumi di plasma più grandi che consentono flussi di gas più grandi per essere gestiti. Tuttavia, quando le potenze elevate vengono utilizzati, il rischio di danni, in particolare dell'ugello metallico, durante l'accensione del plasma o durante aumenti funzionamento e quindi anoMeccanismo di accensione ther deve essere considerato. Inoltre, i parametri del plasma, come elettroni e la temperatura del gas, sono indipendenti dai parametri esterni come flusso di gas e potenza microonde dotazione. Così, se è necessario un plasma a pressione atmosferica con parametri diversi plasma, una fonte diversa deve essere usata o uno che soddisfa le esigenze richieste deve essere di nuovo sviluppo.
Poiché la pressione atmosferica torcia al plasma a microonde presentato fornisce accensione del plasma senza alcuna accenditori aggiuntivi e funzionamento plasma stabile e continuo, la sorgente del plasma è adatta per molte applicazioni industriali. Il vantaggio della accensione del plasma senza alcuna accenditori aggiuntivi per processi industriali, soprattutto quando si utilizza un tuner automatico tre stub, è che solo la microonda deve essere acceso e il processo inizia a funzionare in modo affidabile ed automaticamente. Inoltre, se è necessaria un'operazione discontinua in cui il processo è in esecuzioneda tempo seguita da intermittenza, il processo al plasma può essere riavviato rapidamente, affidabile ed automaticamente e non c'è attrito di un sistema di accensione aggiuntivo. I processi di volume come sintesi chimiche e trattamenti superficiali con plasma afterglow possono essere nominati come le applicazioni di torcia al plasma a microonde. Studi sulla degradazione successo dei gas di scarico nocivi, in particolare per gas serra come composti perfluorurati utilizzati nell'industria dei semiconduttori, che cresce sulla dissociazione di CO 2 a CO e O, nonché sulla pirolisi del metano in idrogeno e carbonio hanno già stati condotti. Inoltre, i plasmi afterglow sono stati utilizzati per il trattamento delle superfici per aumentare l'adesione della colla e vernice e per scopi di decontaminazione e sterilizzazione. Ad esempio, la sorgente di plasma può essere utilizzato per la decontaminazione della superficie dei tappi di degradare tricloroanisolo, che causa la cosiddetta sapore di tappo. Un'altra appliczione è la riduzione dei germi su superfici, come su materiali di imballaggio o su alimenti.
La tecnica presentata come la frequenza di invio di un alimentatore ad alta frequenza viene misurata per mezzo di un analizzatore di spettro e come la frequenza di risonanza di una struttura di risonanza viene misurata e regolata per mezzo di un analizzatore di rete può anche essere applicato ad altre fonti di plasma ad alta frequenza . Come esempio una minuscola jet plasma a microonde micro che si basa su un λ / 4-risonatore può essere denominato 25-27.
Infine, il film presentato porterà a ulteriori sviluppi e miglioramenti di pressione atmosferica e / o delle fonti di plasma a microonde.
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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 |
References
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