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Engineering

Comment Ignite une pression atmosphérique à micro-ondes de la flamme plasma sans aucune Allumeurs supplémentaires

doi: 10.3791/52816 Published: April 16, 2015

Abstract

Ce film montre comment une torche à plasma à pression atmosphérique peut être allumé en puissance micro-ondes sans allumeurs supplémentaires. Après l'allumage du plasma, un fonctionnement stable et continu du plasma est possible, et la torche à plasma peut être utilisé pour de nombreuses applications différentes. D'une part, le chaud (3600 K Température de gaz) plasma peut être utilisé pour les procédés chimiques et d'autre part la rémanence à froid (températures à presque RT) peuvent être appliqués pour les processus de surface. Par exemple synthèses chimiques sont des procédés de volumes intéressants. Voici la torche à plasma à micro-ondes peut être utilisé pour la décomposition des gaz résiduaires qui sont nocifs et contribuent au réchauffement global, mais sont nécessaires comme la gravure gaz dans les secteurs de l'industrie de plus en plus comme la branche des semi-conducteurs. Une autre application est la dissociation de CO 2. L'énergie électrique excédentaire à partir de sources d'énergie renouvelables peut être utilisée pour dissocier CO 2 à CO et O 2. Le CO peut être plus protransformés en hydrocarbures gazeux ou liquides supérieurs fournissant ainsi le stockage chimique de l'énergie, des carburants de synthèse ou de produits chimiques de plate-forme pour l'industrie chimique. Les applications de la rémanence de la torche à plasma sont le traitement de surfaces pour augmenter l'adhérence de la laque, de la colle ou de la peinture, et la stérilisation ou la décontamination de différents types de surfaces. Le film explique comment allumer le plasma uniquement par la force de micro-ondes sans allumeurs supplémentaires, par exemple, des étincelles électriques. La torche à plasma micro-ondes est fondé sur une combinaison de deux résonateurs coaxiaux - un qui fournit une l'allumage du plasma et un autre cylindrique qui garantit un fonctionnement stable et continu du plasma après l'allumage. Le plasma peut être utilisé dans un tube transparent aux micro-ondes pendant longtemps procédés de volume ou de forme par des orifices à des fins de traitement de surface.

Introduction

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Torches à plasma à micro-ondes de pression atmosphériques offrent une variété d'applications différentes. D'une part, ils peuvent être utilisés pour des procédés chimiques et de volume, d'autre part leur plasma post-décharge peut être appliqué pour le traitement de surfaces. Comme traitement de surface traite le traitement pour augmenter l'adhérence de la colle, de la peinture ou de la laque ou la décontamination ou la stérilisation de surfaces peuvent être nommés. Le plasma chaud et réactif lui-même peut être utilisé pour les procédés de volume tels que la décomposition des gaz résiduaires 1-7. Ces gaz résiduaires sont nuisibles, contribuent au réchauffement mondial et peuvent difficilement être dégradés conventionnelle. Cependant, ils sont nécessaires dans les secteurs industriels de plus en plus comme la branche de semi-conducteurs. D'autres applications sont la synthèse chimique comme la dissociation de CO 2 et de CO ou CH 2 O 4 de carbone et d'hydrogène 8,9. L'énergie électrique excédentaire à partir de sources d'énergie renouvelables peut être utilisée pour dissocier CO 2. Le CO peut être traité en outre en hydrocarbures supérieurs qui peuvent être utilisés en tant que combustibles de synthèse pour le transport, la plate-forme comme produits chimiques pour l'industrie chimique ou le stockage de produits chimiques.

Il ya quelques torches à plasma à micro-ondes, mais la plupart d'entre eux présentent des inconvénients: Ils ne ont que de très petits volumes de plasma, doivent allumeurs supplémentaires, doivent refroidissement du réacteur à plasma ou ne peuvent être exploités en mode pulsé 10-18. La torche à plasma hyperfréquence présenté dans ce film offre un allumage du plasma uniquement avec la puissance micro-onde muni d'aucun allumeurs supplémentaires ainsi que d'un fonctionnement stable et continu sans aucun refroidissement du réacteur à plasma pour une large gamme de paramètres de fonctionnement et peut être utilisé pour toutes les applications mentionnées ci-dessus. La torche à plasma micro-ondes est fondé sur une combinaison de deux résonateurs coaxiaux: l'une cylindrique et une une. Le résonateur cylindrique a une faible qualité et est opérated dans le célèbre E 010 -mode avec le champ électrique plus élevée en son centre. Résonateur coaxial se trouve au-dessous du résonateur cylindrique et se compose d'une buse métallique mobile en combinaison avec une alimentation en gaz tangentielle. La haute qualité du résonateur coaxial présente une courbe de résonance très étroite mais profonde. En raison de la haute qualité du résonateur coaxial un champ électrique élevé peut être atteint ce qui est nécessaire pour l'allumage du plasma. Toutefois, la haute qualité du résonateur coaxial est associé à une courbe de résonance très étroit et par conséquent la fréquence de résonance doit correspondre parfaitement à la fréquence de l'onde hyperfréquence fournie. Étant donné que les décalages de fréquence de résonance après l'allumage du plasma en raison de la permittivité du plasma, le micro-ondes ne peut plus pénétrer dans le résonateur coaxial. Pour le fonctionnement en continu du plasma du résonateur cylindrique avec une basse qualité et une courbe de résonance large est nécessaire.

Un apport supplémentaire de gaz axiale via la buse métallique du résonateur coaxial est possible. Le plasma est allumé et confiné dans un tube transparent aux micro-ondes, par exemple un tube en quartz. La permittivité du tube de quartz affecte également la fréquence de résonance. Étant donné que le quartz présente une permittivité de> 1, le volume du résonateur est pratiquement cylindrique élargie qui conduit à une fréquence de résonance inférieure. Ce phénomène doit être pris en considération lorsque les dimensions du résonateur cylindrique sont conçus. Une discussion détaillée de la façon dont la fréquence de résonance est affectée par le tube de quartz inséré peut être trouvé dans la référence 23. Si un tube long et prolongé quartz est utilisé, il peut également agir en tant que chambre de réaction pour les procédés de volume. Toutefois, pour les traitements de surface du plasma peut également être mis en forme différemment par différents types d'orifices. Le micro-ondes est fourni par l'intermédiaire d'un guide d'onde rectangulaire à partir du magnétron. Pour éviter les nuisances sonores de l'utilisation d'une faible ondulation magnétron est recommterminé. Le magnétron qui est utilisé dans le film est une faible ondulation.

Pour l'allumage du plasma du résonateur coaxial haute qualité est utilisé pendant un fonctionnement stable et continu est fourni par le résonateur cylindrique. Pour réaliser l'allumage du plasma par le résonateur coaxial haute qualité de la fréquence de résonance de ce résonateur doit correspondre parfaitement à la fréquence des micro-ondes fournie par le magnétron utilisé. Comme toutes les magnétrons ne émettent pas leur fréquence de micro-ondes à la fréquence nominale exactement et que la fréquence est fonction de la puissance de sortie, le magnétron doit être mesurée avec un analyseur de spectre. La fréquence de résonance du résonateur coaxial peut être ajustée en déplaçant la buse métallique de haut en bas. Cette fréquence de résonance peut être mesurée et par conséquent également ajustée à la fréquence d'émission du magnétron est utilisé avec un analyseur de réseau. Pour atteindre le champ électrique élevé à la pointe de la buse, nécessaire pour l'allumagedu plasma, un tuner trois tampon est nécessaire en plus. Ce trois syntoniseur à ligne est un composant à micro-ondes utilisée. Le tuner trois tampon est monté entre la torche à plasma micro-onde et le magnétron. Après la fréquence de résonance du résonateur coaxial est réglée, la puissance incidente est maximisée et la puissance réfléchie minimisé en ajustant de manière itérative les talons du tuner trois stub.

Après avoir réglé la fréquence de résonance du résonateur coaxial ainsi que d'avoir maximisé les puissances directes au moyen du tuner trois stub, le plasma de la torche plasma micro-ondes peut être allumé lorsque la torche plasma micro-ondes est reliée à un magnétron. Pour l'allumage du plasma d'une puissance minimale à micro-ondes d'environ 0,3 à 1 kW est suffisant. Le plasma se enflamme dans le résonateur coaxial. Après l'allumage du plasma de la fréquence de résonance du résonateur coaxial est décalée à cause de la permittivité diélectrique du plasma et l'onde hyperfréquence ne peuventpénétrer plus dans le résonateur coaxial. Ainsi, les commutateurs de plasma provenant du mode coaxial dans son mode cylindrique beaucoup plus étendue brûlant librement debout-dessus de la buse métallique au centre du résonateur cylindrique. Étant donné que la qualité du mode cylindrique est très faible et présente une courbe de résonance large par conséquent, le micro-ondes peut toujours pénétrer dans le résonateur cylindrique en dépit du changement de la fréquence de résonance due à la permittivité diélectrique du plasma. Ainsi, un fonctionnement continu et stable du plasma en mode cylindrique est fournie par la torche à plasma micro-ondes. Toutefois, pour parvenir à une absorption complète de la puissance micro-ondes fournie, toutes les souches des trois syntoniseur à ligne doivent être réajustés. Sinon, la puissance micro-ondes fourni ne est pas complètement absorbée par le plasma, mais un certain pourcentage de micro-ondes fournie est réfléchi et absorbé par la charge de l'eau.

Pour examiner l'allumage du plasma dans le coaxialmode, puis son passage dans le mode cylindrique prolongée, l'allumage du plasma est observée par une caméra à grande vitesse.

Le film a présenté montrera comment la dépendance en fréquence du magnétron est mesurée, la fréquence de résonance du résonateur coaxial est ajustée, la façon dont la puissance incidente est maximisée et la façon dont le plasma est allumé par la puissance micro-ondes fourni. L'enregistrement de la caméra haute vitesse se affiche ainsi.

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Protocol

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1. Mesure du magnétron

Remarque: Le schéma du dispositif expérimental permettant de mesurer le magnétron est représenté sur la figure 1A.

  1. Connectez le magnétron à un isolant constitué d'un circulateur et une charge d'eau avec 10 vis.
  2. Connectez l'isolant à un coupleur directionnel avec 10 vis.
  3. Connecter le coupleur directionnel à une deuxième charge de l'eau 10 avec des vis.
  4. Fournir toutes les charges d'eau avec de l'eau.
  5. Étalonner l'analyseur de spectre avec sa fonction d'étalonnage selon le protocole du fabricant.
  6. Connecter un atténuateur 20 dB à l'analyseur de spectre en branchant la atténuateur 20 dB à l'analyseur de spectre.
    Remarque: Le 20 dB atténuateur est utilisé pour protéger l'analyseur de spectre de puissances trop élevées au-dessus de 1 W.
  7. Branchez le 20 dB atténuateur équipée analyseur de spectre à l'extrémité du câble coaxial équipé d'un connecteur BNC en branchant le cocâble coaxial dans l'atténuateur 20 dB.
  8. Connectez l'extrémité du câble coaxial équipé d'un connecteur N pour le coupleur directionnel en branchant le câble coaxial pour le câble directionnelle.
  9. Allumer le magnétron via le bloc d'alimentation et le spectre de l'onde hyperfréquence émise est affichée sur l'analyseur de spectre.
  10. Si nécessaire, ajuster l'abscisse affiché, coordonner et de leur résolution, selon le manuel de l'analyseur de spectre.
  11. Pour mesurer la fréquence de l'onde hyperfréquence de sortie en fonction de la puissance micro-onde, augmenter la puissance des micro-ondes à partir de 10% au maximum de la puissance de sortie de 5% à 10% étapes et pour chaque étape de déterminer la fréquence de l'amplitude maximale du spectre affichée par l'analyseur de spectre.
    Remarque: En général, le spectre de fréquence d'un magnétron en dessous de 10% de sa puissance de sortie maximale est très large, présente de nombreux pics différents et par conséquent ne est pas utilisable.

2. Réglage deLa fréquence de résonance

Remarque: Le schéma du dispositif expérimental pour la mesure et le réglage de la fréquence de résonance est représenté sur la figure 2A.

  1. Calibrer l'analyseur de réseau avec le kit de calibrage pour le fonctionnement S11 (selon le protocole du fabricant).
  2. Branchez le câble coaxial par la N-connecteur coaxial à la partie d'une transition de guidage coaxial-onde rectangulaire en branchant le câble coaxial à l'onde-guide transition coaxiale à l'autre.
  3. Connectez la partie rectangulaire de la transition de guidage coaxial-onde rectangulaire à un tuner trois de l'arbre avec 10 vis.
  4. Connecter le tuner trois stub à l'assemblage de la torche plasma micro-ondes avec 10 vis.
  5. Dans le menu de l'analyseur commutateur de réseau à l'exploitation S11.
  6. Dans le menu de l'analyseur de réseau de passer en mode de ROS ou en mode connecté.
  7. Ajuster de façon itérative la fréquence de résonance de l'ensemble formant torche à plasma micro-onde à la mesure Fréquence du magnétron à une puissance de sortie de 25% - 60% de la puissance maximale de sortie de la buse en déplaçant de haut en bas. La fréquence de résonance de l'ensemble formant torche à plasma micro-onde est donnée par l'inclinaison de la mesure du paramètre S11 tel que représenté sur la figure 2B. Réglez cette trempette en déplaçant la buse de haut en bas à la fréquence recommandée.
  8. Lorsque la fréquence de résonance est ajustée, verrouiller la position de la buse avec l'écrou de blocage.
  9. Augmentation de la puissance micro-ondes vers l'avant de manière itérative en ajustant les trois ergots du tuner trois tampon en déplaçant le moignons de haut en bas. La puissance micro-ondes absorbée par l'ensemble de torche à plasma micro-onde est donnée par la profondeur du creux du paramètre S11. Ainsi, de maximiser cette trempette en ajustant les talons du tuner trois moignon. Généralement, il suffit que deux des trois talons sont utilisés.

3. allumage du plasma

  1. Porter des lunettes de protection UV depuis le plasma émet radia UVtion. Actionner la torche à plasma sous ventilation de gaz locale depuis le plasma produit des oxydes de nitrure.
  2. Raccorder la structure de torche à plasma à micro-ondes avec le résonateur coaxial ajusté (buse est verrouillé) et le talon ajusté trois tuner au magnétron équipé d'un isolateur constitué par un circulateur relié à une charge d'eau.
  3. Connectez l'alimentation en gaz à la torche plasma micro-onde.
  4. Allumez l'alimentation en gaz de 5 à 20 slm.
  5. Depuis rayonnement micro-ondes, à doses élevées est nuisible surtout pour les yeux, vérifier qu'il n'y a pas de fuites de micro-ondes.
    1. Pour ce faire, mettez le micro-ondes à une puissance très faible de 10% à 12% et de vérifier toutes les connexions à micro-ondes avec un compteur de micro-ondes pour les fuites.
    2. Se il ya des fuites les supprimer complètement avant d'augmenter la puissance de micro-ondes ou faire fonctionner la torche plasma micro-onde.
  6. Se il n'y a pas de fuites allumer le micro-ondes à partir de faibles puissances de 10% et d'augmenter le micropuissance rowave lentement à l'intérieur de 10 à 60 secondes jusqu'à ce que le plasma se allume dans le tube de quartz de la torche à plasma micro-ondes.
  7. Observer attentivement si et où le plasma se allume mais être prudent avec micro-ondes rayonnées éventuellement. Utilisez de préférence un miroir pour l'observation de l'allumage du plasma.
  8. Si aucun plasma ne se enflamme, coupez l'alimentation de micro-ondes et de vérifier soigneusement si la puissance de micro-ondes est correctement couplée dans le résonateur coaxial et non erronée à d'autres composants en les chauffant ou même leur nuire. Vérifiez si certains composants sont chauffés se.
    1. Si un composant se réchauffe - ce est à dire, la puissance de micro-ondes est erronée - déplacer tous les talons de l'accordeur de trois talon de sortir du guide et les ajuster pour maximiser le couplage de micro-ondes dans l'ensemble de torche à plasma comme décrit dans l'étape 2.9. Puis recommencer à l'étape 3.1.
    2. Ajuster la fréquence de résonance du résonateur coaxial de la torche à plasma à la fréquence d'envoi de la magnetron à une puissance de micro-ondes suffisamment rendement élevé de 25% à 60% de la puissance maximale de sortie de l'analyseur de réseau tel que décrit à l'étape 2. Pour améliorer le contact, régler la fréquence de résonance du résonateur coaxial comme décrit dans l'étape 2 à un niveau supérieur puissance de sortie. Puis recommencer à l'étape 3.1.
  9. Si le plasma se allume quelque part dans la torche à plasma et ne passe pas automatiquement en mode coaxial ou cylindrique, varier le flux de puissance micro-ondes jusqu'à ce que le gaz fourni et il brûle en mode cylindrique.
  10. Lorsque le plasma brûle en mode cylindrique, ajuster de façon itérative les talons du tuner trois stub en les déplaçant vers le haut et vers le bas de sorte que la totalité de la puissance micro-ondes fournie est absorbée par le plasma et la puissance micro-onde réfléchi devient zéro.
    Remarque: Si une diode à micro-ondes est reliée à la charge de l'eau et à l'entrée correspondante de l'unité de commande, la puissance micro-onde réfléchie est affichée à l'unité de la puissance micro-onde d'alimentation de commande.Comment faire cela est décrit dans le manuel de la puissance micro-ondes approvisionnement.
  11. Lorsque les pouvoirs supérieurs à micro-ondes de 1,5 kW ou plus et les faibles débits de gaz de moins de 15 slm sont utilisés, vérifier soigneusement que le plasma ne touche pas les parois du tube de quartz. Le tube de quartz ne doit pas briller partout.
  12. Si le tube de quartz se allume en rouge, diminuer la puissance de micro-ondes ou d'augmenter le débit de gaz jusqu'à ce qu'il disparaît complètement.
  13. Étant donné que les micro-ondes peuvent être rayonnée par le plasma en raison de la conductivité du plasma, de vérifier avec un appareil de mesure à micro-ondes que la puissance micro-onde rayonné est inférieur au seuil.
  14. Si la puissance micro-onde rayonnée est supérieure au seuil, soustraire le plasma avec un treillis métallique dont la taille de maille est plus petite que la moitié de la longueur d'onde des micro-ondes utilisées.

Movie 4. Caméra haute vitesse de l'allumage plasma

Remarque: Comme l'allumage du plasma et son passage à l'état cylindrique est dans la plage dequelques centaines de millisecondes, ce processus peuvent être mieux étudiées au moyen d'une caméra à haute vitesse. Cependant, il ne est pas nécessaire d'observer le processus d'allumage au moyen d'une caméra à grande vitesse à chaque fois que le plasma est allumé.

  1. Placer la lentille de la caméra grande vitesse en avant de la torche à plasma micro-onde en regardant à travers la fente de diagnostic à l'avant de la torche à plasma.
  2. Ajuster jusqu'à ce que la caméra est pointée dans le résonateur coaxial à la pointe de la buse métallique.
  3. Mise au point sur la pointe de la buse métallique.
  4. Lancer l'enregistrement avec 1000 fps (images par seconde) de la caméra à haute vitesse.
  5. Allumer le plasma comme décrit dans l'article 3.

5. Fonctionnement plasma stable et continue

Remarque: lorsque le plasma a été allumé en mode cylindrique et le tuner trois tampon a été ajusté pour maximiser l'absorption de la puissance micro-ondes par le plasma stable et un continue fonctionnement de la torche à plasma est possible.

  1. Ajuster la dimension - le prolongement radial et axial - du plasma à la dimension souhaitée en faisant varier la puissance micro-ondes fourni entre la puissance maximale de sortie et 10% et le débit de gaz entre 10 et 70 slm. Conserver la dimension radiale limitée au diamètre du tube de quartz. Le plasma ne doit pas toucher la paroi du tube de quartz qui signifie que le tube de quartz ne doit pas briller.
  2. Pour mettre en forme le plasma à des formes différentes, utiliser un tube de quartz court qui ne confine le plasma à l'intérieur du résonateur cylindrique et un orifice de placer sur le dessus de l'assemblage de torche à plasma.
  3. Si nécessaire, fixer les orifices avec quelques vis.

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Representative Results

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Pour assurer un allumage du plasma sans allumeurs supplémentaires ainsi que d'une opération de plasma stable et continue, un résonateur coaxial haute qualité avec une fréquence de résonance réglable a été combinée avec une faible qualité de résonateur cylindrique à une torche à plasma micro-ondes. Le schéma de cette torche à plasma est présenté dans la figure 3. Le plasma est confiné dans un tube transparent aux micro-ondes, ici un tube de quartz. Ce tube peut agir comme une chambre de réaction pour des processus du volume de plasma ou une brosse de plasma pour traitement de surface peut être formée par un orifice. La puissance micro-ondes est guidé par l'intermédiaire d'un guide d'onde rectangulaire à partir du magnétron à la torche à plasma micro-ondes. Différents types de gaz peuvent être fournis soit par l'alimentation en gaz tangentielle ou axialement à travers la buse métallique du résonateur coaxial. La torche à plasma micro-onde est équipé d'une fente frontale, de sorte que le plasma à l'intérieur de la torche et le contact peut être étudiée en détail.

contenu "> Pour garantir un allumage du plasma uniquement par la puissance micro-ondes fourni un champ électrique élevé d'environ 3 à 6 MV / m est nécessaire. Pour obtenir une meilleure compréhension de la distribution de champ électrique, les simulations de la distribution du champ électrique ainsi que l'analyse mode propre avec le logiciel de simulation disponibles dans le commerce COMSOL Multiphysics ont été menées. Modélisation et simulations de distributions électriques de torches micro-ondes de plasma à pression atmosphérique fournis déjà un aperçu détaillé sur le terrain et conduit à des développements et d'améliorations concernant par exemple leur allumage ou leur fonctionnement comportement 19- 22.

La distribution de champ électrique du mode coaxial ainsi que du mode de E cylindrique commun 010 est représentée sur la figure 4a et 4b, respectivement. Le champ électrique est affichée en unités arbitraires, puisque le champ électrique dans le résonateur coaxial est beaucoup times plus élevés par rapport au champ électrique dans le résonateur cylindrique. On peut voir qu'un champ électrique élevé à la pointe de buse est atteint avec le résonateur coaxial et le champ électrique le plus élevé du résonateur cylindrique est dans le centre du résonateur cylindrique. La fréquence de résonance du résonateur coaxial peut être modifiée par la position de la buse métallique. Les résultats de simulation pour les fréquences de résonance pour les différentes positions de buses pour une torche à plasma micro-onde à un résonateur cylindrique avec un rayon de 0,05 m et une hauteur de 0,048 m sont indiquées dans le diagramme de la figure 4C. On peut voir que la fréquence de résonance du mode cylindrique ne est pas affectée par la position de la buse métallique. Cependant, la fréquence de résonance du mode coaxial est dépendant de la position de la buse et diminue lorsque la buse métallique est déplacée vers le haut dans le résonateur cylindrique.

Pour atteindre la fi électrique élevée requisedomaine dans le résonateur coaxial ce résonateur coaxial résonance fréquence réglable présente une haute qualité et une courbe de résonance forte et étroite. Cependant, une courbe de résonance forte et étroite exige que la fréquence de résonance du résonateur coaxial correspond parfaitement à la fréquence de l'onde hyperfréquence fournie. Etant donné que généralement les magnétrons ne pas émettre la micro-onde à la fréquence nominale, car la fréquence des micro-ondes dépend de la puissance de sortie du micro-ondes, la dépendance en fréquence du magnétron doit être mesurée au moyen d'un coupleur directionnel et un analyseur de spectre. Le montage expérimental pour mesurer la dépendance en fréquence du magnétron avec un analyseur de spectre est donné schématiquement dans la figure 1a. La dépendance en fréquence mesurée du magnétron utilisé est représenté sur le schéma de la Figure 1B. La fréquence centrale est réglée à 2,45 GHz et la largeur de bande vidéo est de 200 MHz. On peut voir que, à une puissance de 200 W (10% dela puissance de sortie maximale du magnétron) la fréquence de l'onde hyperfréquence est à 2,44638 GHz et augmente lorsque la puissance de micro-onde est augmentée. A la puissance de sortie maximale de 2 kW, la fréquence micro-onde atteint une valeur de 2,45213 GHz.

La fréquence de résonance de la torche à plasma micro-ondes peut être mesurée avec un analyseur de réseau et depuis la buse est mobile de la fréquence de résonance du résonateur coaxial peut être ajustée. Pour ce faire, l'ensemble formant torche à plasma à micro-ondes doit être connecté à un analyseur de réseau par l'intermédiaire d'une transition de guide d'ondes rectangulaire à coaxial comme indiqué dans le schéma de la figure 2A. En mesurant le paramètre S11 de l'ensemble de torche à plasma micro-onde à la fréquence de résonance peut être déterminée. Le paramètre S11 représente le rapport entre la puissance d'entrée de la puissance réfléchie en fonction de la fréquence. Lorsqu'un résonance est atteinte, établit un champ électrique dans la structure de résonateur qui conduit à une réduction reflected puissance micro-ondes. Cependant, l'intensité du champ à l'intérieur de la cavité est directement liée à l'amplitude de l'onde fixe de la micro-onde fournie par l'analyseur de réseau. Un creux apparaît dans le spectre S11 qui correspond à la fréquence de résonance. Une mesure typique du paramètre S11 est représenté sur la figure 2B. Ici, on observe une résonance à une fréquence de 2,846 GHz. En déplaçant la buse métallique de haut en bas, la fréquence de résonance du résonateur coaxial peut être variée comme les simulations décrites à la figure 4C montrent. Cette dépendance de la fréquence de résonance du résonateur coaxial de la position de buse métallique peut être mesurée à l'aide du paramètre S11. Une mesure de la fréquence de résonance en fonction de la position de la buse et les résultats de simulation sont présentés en relevant le diagramme de la figure 2C. Ce diagramme montre qu'il ya un bon accord entre les résultats de simulation et les valeurs mesurées des resonance fréquence. La très faible décalage des deux courbes se explique par de très petits écarts de la géométrie ou la dimension de la buse fabriqué par rapport à celui utilisé pour les simulations. Pour ajuster la fréquence de résonance du résonateur coaxial à la fréquence de l'onde hyperfréquence fournie, la buse métallique doit être déplacé de manière itérative de haut en bas jusqu'à ce que le creux dans le paramètre S11 est situé à la fréquence de micro-ondes mesurée. Ensuite, la buse métallique doit être verrouillé et l'attaquant de puissance peut être maximisée en ajustant de manière itérative les talons du tuner trois stub sorte que le paramètre DIP S11 atteint sa profondeur maximale. La haute qualité du résonateur et la puissance maximisée avant plomb à moins de reflets à micro-ondes et un champ électrique élevé est établi dans le résonateur et ce est pourquoi un plongeon profond dans les résultats de paramètres S11.

Après l'assemblage de la torche à plasma micro-ondes est monté sur le magnétron et l'alimentation en gaz est relié, le plasmaune torche peut être allumé et utilisé. L'allumage du plasma peut être étudiée plus en observant le contact avec une caméra à grande vitesse. L'allumage du plasma a été enregistré à 1000 fps. L'allumage du plasma présentée a été réalisée à une puissance de micro-ondes de 1 kW et un débit de gaz de l'air fourni 15 slm. Les images de chaque phase de l'allumage sont résumés dans la figure 5. L'image sur la figure 5A montre la vue de dessus, regardant vers le bas sur la buse en formant un angle à travers la fente de diagnostic à l'avant de la torche à plasma inopérationnel. Le fond du résonateur est cylindrique à l'avant. Dans le plan mi vous pouvez voir le début du résonateur coaxial. La pointe de la buse peut aussi être vu. Le fond du résonateur cylindrique est situé dans le fond de nouveau. Comme l'accent est mis sur la pointe de buse, la partie inférieure du résonateur cylindrique est quelque peu floue. Les autres images montrent les phases de l'allumage du plasma. Lorsque la puissance de micro-ondes est tournered sur à t = 0 ms, le plasma se allume quelque part dans le résonateur coaxial comme on le voit sur ​​la figure 5B. Puis, pendant 64 ms, le plasma serpente jusqu'à la buse métallique jusqu'à son extrémité, puis brûle droite à la pointe de la buse dans le mode coaxial la figure 5C à 5E spectacle. L'intensité du plasma se développe pour les 692 ms suivantes comme il est montré sur la figure 5F. Puis, en raison du décalage de la fréquence de résonance provoquée par le plasma en combustion dans le résonateur coaxial 1 ms plus tard, le plasma commence à se détacher de la pointe de buse comme représenté sur la figure 5G et 5H. La rupture totale du plasma à partir de la pointe de la buse est atteint après 58 ms comme le montre la figure 5I. Le plasma est en train de brûler librement au-dessus de la buse dans le mode métallique cylindrique. Au cours de la dernière seconde, le tuner trois tampon est ajusté pour maximiser la puissance des micro-ondes vers l'avant. Cela conduit à une increase du plasma que l'image de la figure 5J montre. Cependant, le plasma est encore brûlant librement au-dessus de la pointe de buse sans contact à elle. En raison de la faible qualité du résonateur cylindrique le plasma peut être actionné en continu et de manière stable dans ce mode de résonateur cylindrique.

La dimension du plasma dépend de la puissance micro-ondes fourni et le flux de gaz. Photos du plasma pour des puissances de micro-ondes de 1 et 2 kW et de gaz flux de 10, 30 et 70 slm sont présentés à la figure 6. Le résonateur avec son diagnostic à sa fente avant est situé dans la partie inférieure de photos. Le plasma est confiné dans un tube en quartz à l'intérieur et au-dessus du résonateur cylindrique. lumière UV couples dans le tube de quartz qui est pourquoi le tube de quartz présente un brillant bleuté. On voit que les dimensions - radial et également l'extension axiale - de l'augmentation de plasma avec une augmentation de la puissance micro-ondes fournie tandis qu'une augmentation of l'écoulement de gaz conduit à une flamme de plasma plus petits. Cependant, des mesures de la température du gaz et électron montrent les températures maximales de T g = 3600 K et la température d'électrons T e = 5800 K sont indépendant des paramètres extérieurs, les flux d'énergie à micro-ondes et le gaz fournis, ainsi que du volume de plasma 19. Les températures ont été obtenues par spectroscopie d'émission optique. Le A 2 Σ + - X 2 Π γ -transition du radical OH libre est utilisé pour la détermination de la température du gaz tandis qu'une portion de Boltzmann-lignes atomiques d'oxygène été menée pour l'estimation de la température des électrons. Une description détaillée sur la façon dont les températures ont été mesurés et les distributions de température complets peuvent être trouvés dans les références 23 et 24.

Pour traiter les surfaces dans la rémanence du plasma, le plasma peut être modelé avec différents types d'orifices. La figure 7 illustre photos de plasmas de forme différente. L'aménagement est similaire aux photos du plasma confiné dans un tube de quartz longue: le résonateur cylindrique se trouve au bas de l'image; sa fente de diagnostic éclairée par le plasma. Contrairement plasmas forme peuvent être vus brûler dessus du haut-ouverture. Sur la photo de la figure 7A du tube de quartz de confinement ne se étend pas à l'extérieur du résonateur. Le plasma peut brûler librement au-dessus du résonateur. Une brosse de plasma étendue peut être formé avec diaphragme fente comme le montre la figure 7B. Une aiguille de plasma peut être obtenue en utilisant un orifice d'un trou en son centre. Ceci est représenté sur la figure 7C. Petites et lisses plasmas de rémanence Très sont formés par des orifices qui ont une fente étroite ou quelques petits trous disposés en cercle que les photos de la figure 7D et 7E spectacle.

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Figure 1. Mesure du magnétron. Le schéma (A) montre la dépendance de fréquence d'un magnétron de la puissance de sortie de micro-ondes peut être mesurée au moyen d'un analyseur de spectre. La dépendance de fréquence du magnétron utilisé de la puissance de sortie est représenté en (B). Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 2
Figure 2. Mesure de la fréquence de résonance. La configuration pour la mesure et le réglage de la fréquence de résonance de la torche à plasma à micro-ondes au moyen d'un analyseur de réseau est donné dans (A). (B) représente une mesure typique du paramètre S11. Le plongeon dans la S11paramètre reflète la fréquence de résonance de la torche à plasma micro-ondes. La dépendance mesurée de la fréquence de résonance de la position de la buse métallique et les résultats des simulations numériques sont résumées dans c). Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 3
Figure 3. Configuration de la torche à plasma. Schématique de la configuration de la torche plasma micro-ondes atmosphérique. Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 4
Figure 4. et le mode coaxial cylindrique.La répartition de l'intensité du champ électrique est représenté en (A) et (B). (A) montre la distribution pour le mode coaxial alors que (B) représente l'une pour le mode d'cylindrique. Le schéma de la (C) montre la dépendance de la fréquence de résonance à la fois du mode coaxial et cylindrique de la position de la buse métallique dans la torche à plasma. Le résonateur a un diamètre de 0,05 m et une hauteur de 0,0482 m. Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 5
Figure 5. L'allumage du plasma. Les images de chaque phase de l'allumage du plasma enregistrée par une caméra à haute vitesse à 1000 images par seconde et à une puissance de micro-ondes de 1 kW et un débit de gaz de 15slm air. (A) Vue d'en haut, regardant vers le bas sur la buse en formant un angle à travers la fente de diagnostic à l'avant de la torche à plasma inopérationnel. (B) l'allumage du plasma dans le résonateur coaxial. (C) - (E) Dissolution du plasma à l'extrémité de l'embout métallique jusqu'à ce qu'elle brûle dans le mode coaxial. (F) Les augmentations de plasma. (G) - (I) Le plasma se détache de la buse métallique et brûle librement au-dessus de la pointe de buse dans le mode cylindrique. (J) Les augmentations de plasma en raison de la révision de l'accordeur de trois stub de maximiser la puissance de l'avant. Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 6
Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 7
Figure 7. Les différents orifices. En utilisant des orifices de formes différentes du plasma peuvent être formés. (A) Le tube de quartz de confinement ne se étend pas à l'extérieur du résonateur et le plasma peut brûler librement au-dessus du résonateur. (B) Le plasma est formé dans une brosse avec un orifice en forme de fente. (C) Une aiguille de plasma est formée par un orifice de trou.(D) Une brosse à plasma très lisse peut être obtenu en utilisant un orifice avec une fente étroite et (E) une zone de plasma lisse est formée par un orifice avec quelques petits trous disposés en cercle. Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

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Discussion

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Le film présenté explique comment une inflammation d'une pression atmosphérique plasma micro-ondes sans allumeurs supplémentaires peut être réalisé, les principes de base de cette torche à plasma micro-onde, son ajustement, le processus d'allumage du plasma et son fonctionnement stable et continue. Comme décrit dans l'introduction, il existe déjà différents types de torches à plasma à micro-ondes, mais aucun de ceux fournissent un allumage du plasma sans allumeurs supplémentaires ainsi que des opérations de plasma stable et continu.

Pour obtenir un allumage du plasma sans allumeurs supplémentaires à la pression atmosphérique d'un champ électrique élevé est nécessaire, et donc un résonateur avec une haute qualité tandis que pour un fonctionnement continu et stable plasma faible qualité est nécessaire. Ceci peut être réalisé par la combinaison d'un résonateur coaxial haute qualité qui garantit l'allumage du plasma et un résonateur cylindrique de faible qualité qui fournit une constante etopération de plasma stable.

La fréquence des micro-ondes fournie doit correspondre parfaitement à la fréquence de résonance du résonateur coaxial haute qualité de sorte que la puissance fournie est couplée dans la chambre de résonance. Par conséquent, la dépendance de fréquence du magnétron doit être bien connu et la fréquence de résonance du résonateur coaxial doit être réglable. La fréquence d'émission du magnétron peut être mesurée avec un analyseur de spectre tandis que la fréquence de résonance du résonateur coaxial peut être mesurée au moyen d'un analyseur de réseau et ajusté par la buse mobile.

Pour garantir l'allumage du plasma par micro-ondes uniquement fourni, il est indispensable que la fréquence de résonance du résonateur coaxial correspond parfaitement à la fréquence d'émission du magnétron. De plus, la micro-onde doit être couplé à fond dans le résonateur coaxial de l'ensemble de torche à plasma qui est obtenu en optimisant la force vers l'avant wvec le tuner trois moignon. Si ces étapes critiques ne sont pas menées avec soin, il est possible que le plasma ne se allume pas ou que le micro-ondes est couplée dans la configuration expérimentale quelque part ce pourrait conduire à des dommages de ces pièces. Ainsi, si pas d'allumage du plasma est observée, ces étapes doivent être vérifiés à nouveau soigneusement. En outre, il est possible que le plasma se allume mais ne passe pas au mode coaxial cylindrique ou par lui-même. Dans ce cas, le plasma peut généralement être commuté au mode première coaxial et ensuite en mode cylindrique en faisant varier le débit de gaz et la puissance micro-ondes fourni.

Pour obtenir un allumage plus automatique et le fonctionnement du plasma d'un tuner automatique trois stub qui ajuste automatiquement ses talons au pouvoir maximiser l'avant peut être utilisé à la place de la manuelle. Ainsi, l'ajustement des rondins pour l'allumage du plasma et ensuite l'ajustement pour le fonctionnement du plasma sont automatiquement effectuée parce tuner trois moignon. Pour réaliser l'allumage du plasma sans allumeurs supplémentaires et du fonctionnement de plasma stable et continue la combinaison présentée à puce des deux structures de résonateur et la technique présentée de la mesure du magnétron par un analyseur de spectre et la mesure et le réglage de la fréquence de résonance au moyen d'un analyseur de réseau sont cruciales.

L'allumage du plasma a été étudiée en détail avec une caméra à grande vitesse. Il a révélé que le plasma se enflamme dans le résonateur coaxial, vents jusqu'à la pointe de la combustion de la buse dans le mode coaxial, augmentation de l'intensité et le volume, se détache de la buse métallique, augmente encore, puis brûle librement au-dessus de la buse métallique dans la Mode cylindrique. Après l'allumage du plasma et son passage à l'état cylindrique le plasma peut être actionné de manière stable et en continu. La dimension du plasma dépend de la puissance micro-ondes fourni et le flux de gaz et d'augmentations lorsque la puissance de micro-ondes fournie est augmentée ou le débit de gaz diminue. En outre, le plasma peut être façonné à des aiguilles, des brosses ou plasmas de rémanence lisses en utilisant des orifices.

Le débit de gaz et la puissance micro-ondes de la torche à plasma micro-ondes présente sont limitées à environ 100 slm et quelques kilowatts, ce qui limite également le volume du plasma. Etant donné que le tube de quartz doit pas être endommagé au diamètre radial du plasma est limitée au diamètre intérieur du tube de quartz. Si un volume de plasma plus grand est requis ou d'importants flux de gaz doit être traitée, la source de plasma peut être mis à l'échelle en utilisant une fréquence de micro-onde inférieure, par exemple 915 MHz au lieu de 2,45 GHz. Avec 915 MHz plus de puissance de micro-ondes est disponible, ce qui conduit à de plus grands volumes de plasma qui permettent de plus grands débits de gaz à traiter. Toutefois, lorsque des puissances plus élevées sont utilisées, les risques de dommages, en particulier de la buse de métal, au cours de l'allumage du plasma ou pendant le fonctionnement et par conséquent augmente anoMécanisme d'allumage ther doit être considérée. De plus, les paramètres du plasma, comme les électrons et la température du gaz, sont indépendants des paramètres externes tels que l'écoulement de gaz et une puissance de micro-ondes fournie. Ainsi, si un plasma à pression atmosphérique avec des paramètres plasmatiques différents est nécessaire, une autre source doit être utilisé ou celle qui répond aux besoins requis doit être nouvellement développés.

Étant donné que la torche à plasma micro-onde à la pression atmosphérique fournit présenté allumage du plasma sans allumeurs supplémentaires ainsi que des opérations de plasma stable et continue, la source de plasma est approprié pour de nombreuses applications industrielles. L'avantage de l'allumage du plasma sans allumeurs supplémentaires pour les procédés industriels, en particulier quand un tuner automatique trois stub est utilisé, ce est que seul le micro-ondes doit être allumé et le processus commence à courir de manière fiable et automatiquement. En outre, si un fonctionnement discontinu est requise lorsque le processus est en cours d'exécutionpendant un certain temps suivie par intermittence, le processus de plasma peut être redémarré rapidement, automatiquement et fiable et il n'y a pas d'attrition d'un système d'allumage supplémentaire. procédés pour volume comme la synthèse chimique, ainsi que des traitements de surface avec le plasma de rémanence peuvent être nommés comme des applications de la torche à plasma micro-ondes. Les études sur la dégradation réussie de gaz d'échappement nocifs, en particulier pour l'effet de serre tels composés perfluorés qui sont utilisés dans l'industrie du semi-conducteur de plus en plus, sur la dissociation de CO 2 en CO et O ainsi que sur la pyrolyse du méthane en hydrogène et de carbone ont déjà été réalisée. En outre, les plasmas de rémanence ont été utilisés pour le traitement de surfaces pour augmenter l'adhérence de la colle et de la peinture et à des fins de décontamination et de stérilisation. Par exemple, la source de plasma peut être utilisé pour la décontamination de la surface des bouchons de liège pour dégrader trichloroanisole, ce qui provoque ce qu'on appelle le goût de bouchon. Un autre application est la réduction des germes sur les surfaces, comme sur les matériaux d'emballage ou sur les aliments.

La technique présentée comment la fréquence d'envoi d'une alimentation haute fréquence est mesurée au moyen d'un analyseur de spectre et comment la fréquence de résonance d'une structure de résonance est mesurée et ajustée au moyen d'un analyseur de réseau peut également être appliquée à d'autres sources de plasma à haute fréquence . A titre d'exemple un petit jet de plasma micro-onde micro minuscule qui est basé sur un λ / 4-résonateur peut être nommé 25-27.

Enfin, le film présenté mènera à des développements et d'améliorations de la pression atmosphérique et / ou sources de plasma à micro-ondes.

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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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References

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  27. Weinrauch, I. Spektroskopische Charakterisierung eines Mikrowellen-Mikroplasmabrenners für die lokale Oberflächenbehandlung. Stuttgart. (2012).
Comment Ignite une pression atmosphérique à micro-ondes de la flamme plasma sans aucune Allumeurs supplémentaires
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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

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