Abstract
Este filme mostra como uma tocha de plasma pressão atmosférica podem ser inflamados por energia de microondas sem igniters adicionais. Após a ignição do plasma, uma operação estável e contínua do plasma é possível e o maçarico de plasma pode ser utilizado para muitas aplicações diferentes. Por um lado, a quente (temperatura de 3600 K gás) o plasma pode ser utilizado em processos químicos e, por outro lado, a pós-luminescência frio (temperaturas até quase RT) pode ser aplicada aos processos de superfície. Por exemplo sínteses químicas são processos de volume interessantes. Aqui, o maçarico de plasma de microondas pode ser utilizada para a decomposição de gases residuais que são prejudiciais e contribuem para o aquecimento global, mas que são necessários como gravura gases nos sectores em crescimento da indústria como o ramo de semicondutores. Outra aplicação é a dissociação de CO 2. Energia elétrica excedente a partir de fontes renováveis de energia pode ser usada para dissociar CO 2 para CO e O2. O CO pode ser ainda mais processed de hidrocarbonetos líquidos ou gasosos mais elevados proporcionando assim o armazenamento de energia química, combustíveis sintéticos ou produtos químicos de plataforma para a indústria química. Aplicações de pós-luminescência do maçarico de plasma são o tratamento de superfícies para aumentar a aderência da laca, de cola ou de tinta, e a esterilização ou desinfecção de diferentes tipos de superfícies. O filme irá explicar como inflamar o plasma unicamente por energia de microondas sem igniters adicionais, por exemplo, faíscas elétricas. O maçarico de plasma de microondas é baseada numa combinação de dois ressonadores - um coaxial que fornece a ignição do plasma e um cilíndrico, que garante um funcionamento contínuo e estável de plasma, após a ignição. O plasma pode ser operado em um tubo transparente de microondas durante muito tempo processos de volume ou em forma de orifícios para fins de tratamento de superfície.
Introduction
Tochas de plasma de microondas pressão atmosférica oferecem uma variedade de diferentes aplicações. Por um lado, eles podem ser usados para os processos químicos de volume e, por outro lado, a sua pós-luminescência de plasma pode ser aplicado para o tratamento de superfícies. Como tratamento de superfície processa o tratamento para aumentar a aderência da cola, tinta ou verniz ou de descontaminação ou de esterilização de superfícies pode ser chamado. O próprio plasma quente e reactivo pode ser utilizado para processos de volume, como a decomposição dos gases residuais 1-7. Estes gases residuais são prejudiciais, contribuir para o aquecimento global e dificilmente pode ser degradada convencionalmente. No entanto, eles são necessários no crescimento sectores industriais, tais como o ramo de semicondutores. Outras aplicações são a síntese química, como a dissociação de CO 2 para CO e O 2 ou CH 4 a carbono e 8,9 de hidrogênio. Energia elétrica excedente a partir de fontes renováveis de energia pode ser usada para dissociar CO
Existem alguns maçaricos de plasma de micro-ondas, mas a maioria deles tem desvantagens: eles só têm volumes muito pequenos de plasma, precisa de escorvas adicionais, necessitam de arrefecimento do reactor de plasma ou só pode ser operado em modo pulsado 10-18. O maçarico de plasma de microondas, apresentou neste filme oferece uma ignição do plasma apenas com a energia de microondas fornecida sem os dispositivos de ignição adicionais, bem como uma operação estável e contínua, sem qualquer arrefecimento do reactor de plasma para uma larga gama de parâmetros de operação e pode ser utilizada para todas as aplicações acima mencionadas. O maçarico de plasma de microondas é baseada numa combinação de dois ressonadores: um coaxial e um cilíndrico. O ressonador cilíndrico tem uma baixa qualidade e é operated no bem conhecido E 010 -mode com o maior campo elétrico em seu centro. O ressonador coaxial situa-se abaixo do ressonador cilíndrica e é constituído por um bocal metálico móvel em combinação com uma fonte de gás tangencial. A elevada qualidade do ressonador coaxial apresenta uma curva de ressonância muito estreita, mas de profundidade. Devido à alta qualidade do ressonador coaxial de um campo eléctrico de alta pode ser atingido, o que é necessário para a ignição do plasma. No entanto, a alta qualidade do ressonador coaxial está associada com uma curva de ressonância muito estreita e, por conseguinte, a frequência de ressonância tem de corresponder perfeitamente a frequência das micro-ondas fornecido. Uma vez que os deslocamentos de frequência de ressonância após a ignição do plasma devido à permissividade do plasma, o forno de microondas não pode penetrar no ressonador coaxial. Para a operação contínua do plasma é necessário o ressonador cilíndrica com uma baixa qualidade e uma curva de ressonância larga.
Uma fonte de gás axial adicional através do bocal metálico do ressonador coaxial é possível. O plasma é inflamado e fechada num tubo de microondas-transparente, por exemplo um tubo de quartzo. A permissividade do tubo de quartzo, também afecta a frequência de ressonância. Uma vez que o quartzo tem uma permissividade de> 1, o volume do ressonador é praticamente cilíndrica alargada que leva a uma menor frequência de ressonância. Este fenómeno tem de ser considerado quando as dimensões do ressonador são desenhados cilíndrica. Uma discussão detalhada sobre a forma como a frequência de ressonância é afectada pelo tubo de quartzo inserido pode ser encontrado na referência 23. Se um tubo de quartzo e de longa estendida é utilizado, este pode também actuar como da câmara de reacção para os processos de volume. No entanto, os tratamentos de superfície para o plasma pode também ter uma forma diferente por diferentes tipos de orifícios. O forno é fornecida através de uma guia de onda rectangular a partir do magnetrão. Para evitar a poluição sonora a utilização de um baixo magnetron ripple é recommterminou. O magnetron que é usado no filme é uma baixa ondulação.
Para a ignição do plasma do ressonador coaxial de alta qualidade é usado enquanto uma operação estável e contínuo é fornecido pelo ressonador cilíndrica. Para conseguir a ignição do plasma pelo ressonador coaxial de alta qualidade a frequência de ressonância do ressonador este tem de corresponder perfeitamente a frequência das micro-ondas do magnetrão é fornecida por usado. Uma vez que todos os magnetrões não emitem a sua frequência de microondas a exactamente a frequência nominal e uma vez que a frequência é dependente da potência de saída, o magnetrão tem de ser medido com um analisador de espectro. A frequência de ressonância do ressonador coaxial pode ser ajustada movendo o bocal metálico cima e para baixo. Esta frequência de ressonância pode ser medida e, portanto, também ajustado para a frequência de envio do magnetrão utilizado com um analisador de rede. Para chegar ao campo eléctrico de alta na ponta do bocal, necessária para a igniçãodo plasma, é necessário um sintonizador três ramal em adição. Este três sintonizador topo é um componente de microondas utilizada. O sintonizador três esboço é montado entre o maçarico de plasma de microondas e o magnetrão. Após a frequência de ressonância do ressonador coaxial é ajustada, o poder para a frente é maximizada e a potência refletida minimizado pela iteratively ajustando os tocos do sintonizador de três stub.
Depois do ajuste da frequência de ressonância do ressonador coaxial, bem como tendo maximizada os poderes para a frente por meio do sintonizador três esboço, o plasma do maçarico de plasma de microondas pode ser inflamada quando o maçarico de plasma de micro-ondas é ligado a um magnetrão. Para a ignição do plasma de um consumo mínimo de energia de microondas de cerca de 0,3 a 1 kW é suficiente. O plasma inflama no ressonador coaxial. Depois da ignição do plasma a frequência de ressonância do ressonador coaxial é deslocada devido à permissividade dieléctrica do plasma e microondas pode nenhumamais penetrar no ressonador coaxial. Assim, os interruptores de plasma de modo coaxial em seu modo cilíndrico muito mais extensas queima livre-situando-se acima do bocal metálico no centro do dispositivo de ressonância cilíndrica. Uma vez que a qualidade do modo cilíndrico é muito baixo e, por conseguinte, apresenta uma curva de ressonância larga, o forno de microondas ainda pode penetrar no ressonador cilíndrica apesar da mudança da frequência de ressonância devido à permissividade dieléctrica do plasma. Assim, um funcionamento contínuo e estável de plasma no modo cilíndrico é fornecido por o maçarico de plasma de microondas. No entanto, para alcançar uma completa absorção da energia de microondas fornecida, os topos do sintonizador três topo tem que ser reajustada. Caso contrário, a energia de microondas fornecida não é completamente absorvida pelo plasma, mas uma percentagem de microondas fornecida é reflectida e absorvida pela carga de água.
Para examinar a ignição do plasma no coaxialo modo e, em seguida, a sua transição para o modo cilíndrico prolongado, a ignição do plasma é observado por uma câmara de alta velocidade.
O filme apresentado irá mostrar como a dependência do magnetrão frequência é medida, a frequência de ressonância do ressonador coaxial é ajustado, como a potência de entrada seja maximizada e a forma como o plasma é inflamado pela energia de microondas fornecida. A gravação da câmera de alta velocidade também é mostrado.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Medição da Magnetron
Nota: O esquema da montagem experimental para a medição do magnetrão é representada na Figura 1A.
- Conecte o magnetron para um isolante que consiste em um circulador e uma carga de água com 10 parafusos.
- Ligue o isolador de um acoplador direccional com 10 parafusos.
- Conecte o acoplador direcional para uma segunda carga de água com 10 parafusos.
- Fornecer todas as cargas de água com água.
- Calibrar o analisador de espectro com a sua função de calibração de acordo com o protocolo do fabricante.
- Conecte um dB atenuador 20 para o analisador de espectro, ligando a 20 dB atenuador para o analisador de espectro.
Nota: A 20 dB atenuador é usado para proteger o analisador de espectro de muito altas potências acima de 1 W. - Ligue o atenuador 20 dB equipado analisador de espectro para a extremidade do cabo coaxial equipada com um conector BNC ligando o coaxial do cabo para o atenuador de 20 dB.
- Ligar a extremidade do cabo coaxial equipada com um conector N para o acoplador direccional, ligando o cabo coaxial ao cabo direccional.
- Ligar o magnetrão através da fonte de alimentação e o espectro de microondas emitida é exibida no analisador de espectro.
- Se necessário, ajustar a abscissa exibido, coordenar e sua resolução de acordo com o manual do analisador de espectro.
- Para medir a frequência das micro-ondas na dependência da saída da potência de microondas, aumentar a potência de micro-ondas de 10% para o máximo de potência de saída de 5% a 10% de passo e para cada passo de determinar a frequência a amplitude máxima do espectro exibida pelo analisador de espectro.
Nota: Normalmente, o espectro de um magnetrão abaixo de 10% da sua potência máxima de saída de frequência é muito ampla, apresenta muitos picos diferentes e, portanto, não é utilizável.
2. Ajuste dea frequência de ressonância
Nota: O esquema da montagem experimental para medir e ajustar a frequência de ressonância é descrita na Figura 2A.
- Calibra-se o analisador de rede com o kit de calibração para a operação S11 (de acordo com o protocolo do fabricante).
- Conecte o cabo coaxial através do N-conector para a parte coaxial de uma transição guia coaxial-to-rectangular-ondas, conectando o cabo coaxial à onda-guide-transição coaxial para.
- Conecte a parte retangular da transição guia coaxial-to-rectangular-ondas para um sintonizador de três stub com 10 parafusos.
- Ligue o sintonizador de três stub para o conjunto da tocha de plasma de microondas com 10 parafusos.
- Na chave de menu analisador de rede para operação S11.
- No menu de analisador de rede mudar para o modo VSWR ou modo de registrar.
- Iterativamente ajustar a frequência de ressonância do conjunto de tocha de plasma de microondas para o Freque medidoNCY do magnetrão com uma potência de saída de 25% - 60% da potência máxima de saída, movendo o bocal para cima e para baixo. A frequência de ressonância do conjunto do maçarico de plasma de microondas é dada pela inclinação da medição de parâmetros S11, como representado na Figura 2B. Ajuste este mergulho movendo o bico para cima e para baixo com a freqüência recomendada.
- Quando a frequência de ressonância é ajustado, bloquear a posição do bocal com a porca de bloqueio.
- Aumente a potência de microondas para a frente de forma iterativa, ajustando os três tocos do sintonizador três stub movendo o tocos cima e para baixo. A energia de microondas absorvida pela montagem da tocha de plasma de microondas é dada pela profundidade do mergulho do parâmetro S11. Assim, maximizar este mergulho, ajustando os tocos do sintonizador de três stub. Geralmente, é suficiente que dois dos três topos são utilizados.
3. Ignição do Plasma
- Use óculos de proteção UV desde o plasma emite radia UVção. Operar a tocha plasma sob ventilação de gás local desde o plasma produz óxidos de nitreto.
- Ligue o conjunto da tocha de plasma de microondas com o ressonador coaxial ajustado (bocal é bloqueado) e ajustado o sintonizador três derivação para o magnetrão equipado com um isolante que consiste de um dispositivo de circulação ligado a uma carga de água.
- Ligue o fornecimento de gás para a tocha de plasma de microondas.
- Ligue o fornecimento de gás para 5-20 SLM.
- Como a radiação de microondas em doses mais elevadas é prejudicial especialmente para os olhos, verifique se existem fugas de microondas.
- Para isso, ligue o forno a uma potência muito baixa, de 10% para 12% e verifique todas as conexões de microondas com um medidor de microondas para detectar eventuais fugas.
- Se houver quaisquer fugas removê-los completamente antes de aumentar a potência de microondas ou a funcionar a tocha de plasma de microondas.
- Se existem fugas ligar o microondas começando com baixas potências de 10% e aumentar o micpoder rowave lentamente dentro de 10 a 60 segundos até o plasma inflama no tubo de quartzo da tocha de plasma de micro-ondas.
- Observar atentamente se e onde o plasma inflama, mas tome cuidado com microondas possivelmente irradiados. De preferência, use um espelho para a observação da ignição plasma.
- Se nenhum plasma inflama, desligue a energia de microondas e verificar cuidadosamente se a energia de microondas é devidamente associado no ressonador coaxial e não equivocada de outros componentes aquecendo-os para cima ou até mesmo prejudicá-los. Verifique se alguns componentes estão a ficar aquecido.
- Se algum componente se aquece up - ou seja, o poder de microondas é equivocada - mover todos os topos do sintonizador três stub fora do guia de ondas e ajustá-los para maximizar o acoplamento de microondas para o conjunto da tocha plasma como descrito no passo 2.9. Em seguida, começar de novo com o passo 3.1.
- Ajustar a frequência de ressonância do ressonador coaxial do maçarico de plasma para o envio de frequência do magNetron a uma suficiente alta potência de microondas, de 25% a 60% da potência máxima de saída com o analisador de rede, tal como descrito no passo 2. Para melhorar a ignição, ajustar a frequência de ressonância do ressonador coaxial como descrito no passo 2 para uma maior potência de saída. Em seguida, começar de novo com o passo 3.1.
- Se o plasma inflama em algum lugar da tocha de plasma e não muda automaticamente para o modo coaxial ou cilíndrico, variar o fluxo de energia de microondas e gás fornecido até que arde no modo cilíndrico.
- Quando o plasma queima no modo cilíndrico, ajustar iterativamente os talões do sintonizador três topo, movendo-os para cima e para baixo de modo a que toda a energia de microondas fornecida é absorvida pelo plasma e da potência das microondas reflectidas torna-se zero.
Nota: Se um diodo de micro-ondas é ligado à carga de água e para a entrada correspondente da unidade de controlo, a potência do microondas reflectidas é indicado no aparelho de micro-ondas a potência de alimentação de controle.Como fazer isso é descrito no manual da potência de microondas de abastecimento. - Quando os poderes de microondas mais elevados de 1,5 kW ou mais, e os fluxos de gás de baixa de menos de 15 slm são usados, verifique cuidadosamente se o plasma não toca nas paredes do tubo de quartzo. O tubo de quartzo não deve brilhar em qualquer lugar.
- Se o tubo de quartzo brilha em vermelho, diminuir a potência de microondas ou aumentar o fluxo de gás até que ela desapareça completamente.
- Uma vez que as microondas podem ser irradiada pelo plasma devido à condutividade do plasma, verificar com um medidor micro-ondas que a energia de microondas irradiada é inferior ao limiar.
- Se a energia de microondas irradiada é acima do limiar, proteger o plasma com uma malha metálica onde o tamanho da malha é muito menor do que a metade do comprimento de onda de microondas utilizado.
4. de alta velocidade da câmera de filme do Ignition Plasma
Observação: Uma vez que a ignição do plasma e a sua transição para o modo cilíndrico é na gama dealgumas centenas de milissegundos, esse processo pode ser melhor investigados por meio de uma câmera de alta velocidade. No entanto, não é necessário observar o processo de ignição por meio de uma câmara de alta velocidade cada vez que o plasma é inflamado.
- Coloque a lente da câmara de alta velocidade em frente do maçarico de plasma de microondas que olha através da abertura de diagnóstico na parte da frente do maçarico de plasma.
- Ajuste até que a câmara está a apontar para o ressonador coaxial na ponta do bocal metálico.
- Concentre-se a câmera na ponta do bico metálico.
- Iniciar a gravação com 1000 fps (frames por segundo) com a câmara de alta velocidade.
- Acenda o plasma como descrito na seção 3.
5. estável e contínuo Operação Plasma
Nota: Quando o plasma foi inflamado no modo cilíndrico e o sintonizador três topo foi ajustado para maximizar a absorção da energia de microondas por um plasma estável e continoperação horia do maçarico de plasma é possível.
- Ajustar a dimensão - a extensão radial e axial - do plasma para a dimensão desejada através da variação da potência de microondas fornecida entre 10% e a potência de saída máxima e o fluxo de gás entre 10 e 70 sLm. Manter a dimensão radial limitada ao diâmetro do tubo de quartzo. O plasma não deve tocar a parede do tubo de quartzo que significa que o tubo de quartzo não deve brilhar.
- Para formar o plasma de diferentes formas, utilizar um tubo de quartzo curto que apenas limita o plasma no interior do ressonador cilíndrica e colocar um orifício no topo do conjunto da tocha de plasma.
- Se necessário, fixar os orifícios com alguns parafusos.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Para proporcionar uma ignição de plasma sem quaisquer dispositivos de ignição adicionais assim como uma operação contínua e estável no plasma um ressonador coaxial de alta qualidade com uma frequência de ressonância ajustável foi combinada com uma baixa qualidade do ressonador cilíndrica a uma tocha de plasma de micro-ondas. O esquema desta maçarico de plasma é apresentado na Figura 3. O plasma é confinada num tubo de microondas-transparente, aqui um tubo de quartzo. Este tubo pode funcionar como uma câmara de reacção para os processos do plasma ou do volume de plasma para uma escova de tratamentos de superfície pode ser formado por um orifício. A energia de microondas é guiada através de uma guia de onda rectangular a partir do magnetrão para o maçarico de plasma de microondas. Diferentes tipos de gases podem ser fornecidos quer através do fornecimento de gás tangencial ou axialmente através do bocal metálico do ressonador coaxial. O maçarico de plasma de micro-ondas é equipado com uma ranhura frontal, de modo a que o plasma no interior do maçarico e a ignição pode ser investigado em pormenor.
conteúdo "> Para garantir uma ignição do plasma unicamente pela energia de microondas fornecido um campo eléctrico elevado de cerca de 3 a 6 MV / m é necessário. Para obter uma melhor compreensão da distribuição do campo eléctrico, simulações da distribuição do campo eléctrico, bem como análise Eigenmodos com o software de simulação disponíveis comercialmente COMSOL Multiphysics foram realizados. Modelagem e simulação de distribuições de campo elétrico de tochas de plasma de microondas pressão atmosférica fornecido já percepções detalhadas e levou a novos desenvolvimentos e melhorias em relação, por exemplo, a sua ignição ou operação comportamento 19- 22.A distribuição do campo eléctrico do modo coaxial, bem como do modo cilíndrico comum E 010 está indicado na Figura 4a e 4b, respectivamente. O campo eléctrico é apresentada em unidades arbitrárias, uma vez que o campo eléctrico no ressonador coaxial é muitas times maior em comparação com o campo eléctrico no ressoador cilíndrica. Pode ver-se que um campo eléctrico de alta na ponta do bico é alcançado com o ressonador coaxial e o campo eléctrico mais elevado do ressonador é cilíndrica no centro do dispositivo de ressonância cilíndrica. A frequência de ressonância do ressonador coaxial pode ser variada pela posição do bico metálico. Os resultados das simulações para as frequências de ressonância para as diferentes posições de bocal para um maçarico de plasma de microondas com um ressonador cilíndrica com um raio de 0,05 m e uma altura de 0,048 m são mostrados no diagrama na Figura 4C. Pode ser visto que a frequência de ressonância do modo cilíndrico não é afectada pela posição do bico metálico. No entanto, a frequência de ressonância do modo coaxial é dependente da posição do bico, e diminui quando o bocal metálico é movido para cima para dentro do ressonador cilíndrica.
Para chegar ao alto fi elétrica necessáriaeld no ressonador coaxial esta ressonador coaxial de ressonância de frequência ajustável-exibe uma elevada qualidade e uma curva de ressonância afiado e estreito. No entanto, uma curva de ressonância afiado e estreito requer que a frequência de ressonância do ressonador coaxial corresponde perfeitamente a frequência das micro-ondas fornecido. Uma vez que geralmente magnetrões não emitem a microondas a sua frequência nominal e uma vez que a frequência das micro-ondas é dependente da potência do microondas saída, a dependência da frequência do magnetrão tem de ser medido por meio de um acoplador direccional e um analisador de espectro. A montagem experimental para medir a dependência frequência do magnetron com um analisador de espectro é esquematicamente apresentado na Figura 1-A. A dependência da frequência medida da Magnetron utilizada é mostrada no diagrama na Figura 1B. A freqüência central foi definida para 2,45 GHz e a largura de banda de vídeo era de 200 MHz. Pode ser visto que a uma potência de 200 W (10% dea potência máxima de saída do magnetron) a freqüência de microondas é a 2,44638 GHz e aumenta quando a energia de microondas é aumentada. Na potência máxima de saída de 2 kW a freqüência de microondas atinge um valor de 2,45213 GHz.
A frequência de ressonância do maçarico de plasma de microondas pode ser medido com um analisador de rede e uma vez que o bico é móvel a frequência de ressonância do ressonador coaxial pode ser ajustado. Para fazê-lo, o conjunto do maçarico de plasma de microondas tem que ser ligado a um analisador de rede através de um guia de ondas rectangular transição para coaxial como mostrado no esquema na Figura 2A. Ao medir o parâmetro S11 da montagem da tocha de plasma de microondas a frequência de ressonância pode ser determinada. O parâmetro S11 representa a razão entre a potência de entrada para a energia reflectida na dependência da frequência. Quando uma ressonância é atingida, um campo eléctrico estabelece na estrutura do ressonador que conduz a uma reduzida reflected energia de microondas. No entanto, a intensidade do campo dentro da cavidade está directamente relacionada com a amplitude da onda fixo de microondas fornecida pelo analisador de rede. Um mergulho aparece no espectro S11, que corresponde à frequência de ressonância. A medição do parâmetro típico S11 está representado na Figura 2B. Aqui uma ressonância é observado com uma frequência de 2,846 GHz. Ao mover o bocal metálico cima e para baixo, a frequência de ressonância do ressonador coaxial pode ser variada como as simulações representados na Figura 4C mostrou. Esta dependência da frequência de ressonância do ressonador coaxial sobre a posição do bocal metálico pode ser medido por meio do parâmetro S11. A medição da frequência de ressonância na dependência da posição do bico, e os resultados da simulação pertencentes são apresentados no diagrama na Figura 2C. Este diagrama mostra que há uma boa concordância entre os resultados da simulação e os valores medidos das resfrequência onance. O muito pequeno deslocamento das duas curvas pode ser explicada por muito pequenos desvios da geometria ou dimensão do bocal fabricado em comparação com a utilizada para as simulações. Para ajustar a frequência de ressonância do ressonador coaxial para a frequência das micro-ondas fornecido, o bocal metálico tem de ser movido de forma iterativa cima e para baixo até que o mergulho no parâmetro S11 está localizado na frequência de microondas medido. Em seguida, o bico metálico tem de ser bloqueada e o poder para a frente pode ser maximizado iteratively ajustando os tocos do sintonizador de três stub para que o parâmetro dip S11 atinge sua profundidade máxima. A alta qualidade do ressonador e maximizada para a frente cabo de energia ao menor número de reflexões de microondas e um campo elétrico de alta está estabelecido no ressonador é por isso que um mergulho profundo nos resultados dos parâmetros S11.
Após a montagem da tocha de plasma de microondas é montado para o magnetrão e o fornecimento de gás é ligada, o plasmauma tocha pode ser inflamado e operado. A ignição do plasma pode ser melhor investigado através da observação da ignição com uma câmara de alta velocidade. A ignição do plasma foi registada a 1.000 fps. A ignição plasma apresentado foi realizado em uma potência de microondas de 1 kW e um fluxo de gás fornecido de ar 15 SLM. As imagens de cada fase de ignição encontram-se resumidos na Figura 5. A imagem na Figura 5A mostra a vista de cima, olhando para baixo sobre o bocal num ângulo de diagnóstico através da fenda na parte da frente do maçarico de plasma inoperacional. O fundo do ressonador é cilíndrica na parte da frente. No plano médio pode ver o início do ressonador coaxial. A ponta do bocal pode também ser visto. O fundo do ressonador cilíndrica está localizado no fundo de novo. Uma vez que o foco é sobre a ponta do bocal, o fundo do ressonador cilíndrico é ligeiramente desfocada. As outras imagens mostram as fases da ignição do plasma. Quando a energia de microondas é transformared sobre a t = 0 ms, o plasma inflama algures no ressonador coaxial como pode ser visto na Figura 5B. Em seguida, durante 64 ms, o plasma enrola-se o bocal metálico até a sua ponta e, em seguida queima linear na ponta do bocal coaxial no modo como a Figura 5C a 5E mostram. A intensidade do plasma cresce para os 692 mseg seguintes, como é mostrado na Figura 5F. Então, devido à mudança da frequência de ressonância de plasma causado pela queima no ressonador coaxial de 1 ms mais tarde, o plasma começa a afastar-se da ponta do bico, como mostrado na Figura 5G e 5H. A ruptura completa longe do plasma a partir da ponta do bocal é atingida após 58 ms, como representado na figura 5I. O plasma é agora queima livre acima do bocal metálico no modo cilíndrico. Durante o último segundo, o sintonizador de três stub é reajustado para maximizar a potência de microondas para a frente. Isto leva a um increase do plasma como a imagem na Figura 5J mostra. No entanto, o plasma ainda está queimando livremente acima da ponta do bico, sem contato com ele. Devido à baixa qualidade do ressonador cilíndrica do plasma pode ser operado continuamente e de forma estável neste modo ressonador cilíndrica.
A dimensão de plasma depende da potência de microondas e fornecido o fluxo de gás. Fotografias do plasma para potências de microondas de 1 e 2 kW e fluxos de gás 10, 30 e 70 sLm são apresentados na Figura 6. O ressonador com a sua fenda de diagnóstico na sua frente se encontra na parte inferior das fotografias. O plasma é confinado dentro de um tubo de quartzo no interior e acima do ressonador cilíndrica. Casais de luz UV para o tubo de quartzo que é por isso que o tubo de quartzo exibe um brilhante azulado. Pode ser visto que as dimensões - radial e também a extensão axial - o aumento de plasma com um aumento da potência de microondas fornecido enquanto o aumentof o fluxo do gás leva a um menor chama de plasma. No entanto, as medições da temperatura do gás de electrões e mostra as temperaturas máximas de T g = 3600 K e temperatura dos electrões e t = 5,800 K são independentes dos parâmetros exteriores, os fluxos de energia de microondas e de gás fornecido, assim como do volume de plasma 19. As temperaturas foram obtidos por meio de espectroscopia de emissão óptica. A A 2 Σ + - X 2 Π γ -transition do radical OH livre foi utilizada para a determinação da temperatura de gás, enquanto a Boltzmann-plot de linhas de oxigênio atômico foi conduzido para a estimativa da temperatura eletrônica. Uma descrição detalhada de como as temperaturas foram medidas e as distribuições de temperatura completos podem ser encontrados em referências 23 e 24.
Para o tratamento de superfícies, no pós-luminescência do plasma, o plasma pode ser moldada com diferentes tipos de orifícios. A Figura 7 descreve fotos de plasmas de diferentes formatos. A disposição é semelhante às fotografias do plasma confinado a um tubo de quartzo longa: o ressoador é cilíndrica na parte inferior da imagem; a sua fenda de diagnóstico iluminado pelo plasma. Diferentemente plasmas em forma pode ser visto queimando acima do top-abertura. Na fotografia na Figura 7A o tubo de quartzo confinando não se estender para fora do ressonador. O plasma pode queimar livremente acima do ressonador. Uma escova de plasma alargado pode ser formado com orifícios de ranhura, como representado na figura 7B. Uma agulha de plasma pode ser conseguido através de um orifício com um furo no seu centro. Isto é mostrado na Figura 7C. Muito pequenas e lisas plasmas arrebol são formadas por orifícios que têm uma fenda estreita ou alguns pequenos buracos dispostos em um círculo como as fotos em Figura 7D e 7E show.
2816fig1.jpg "/>
Figura 1. Medição do magnetrão. O esquemática em (A) mostra como a dependência de um magnetrão de micro-ondas a potência de saída de frequência pode ser medida por meio de um analisador de espectro. A dependência da Magnetron usado da potência de saída é retratado em (B) de freqüência. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2. Medição da frequência de ressonância. A instalação para a medição e ajustamento da frequência de ressonância do maçarico de plasma de microondas por meio de um analisador de rede é dada em (A). (B) apresenta uma medição típica do parâmetro S11. O mergulho na S11parâmetro indica a frequência de ressonância do maçarico de plasma de microondas. A dependência de medição da frequência de ressonância sobre a posição do bico metálico e os resultados das simulações numéricas são resumidos em c). Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3. Instalação da tocha de plasma. Esquemático da configuração da tocha de plasma de microondas atmosférica. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4. coaxial e de modo cilíndrico.A distribuição da intensidade do campo eléctrico é descrito em (A) e (B). (A) mostra a distribuição para o modo coaxial ao mesmo tempo (B) mostra a outra para o modo cilíndrico. O diagrama em (C) mostra a dependência da frequência de ressonância de ambos os coaxial e o modo cilíndrico na posição do bocal metálico no maçarico de plasma. O ressonador tem um diâmetro de 0,05 me uma altura de 0,0482 m. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5. A ignição do plasma. As imagens de cada fase da ignição do plasma gravado com uma câmara de alta velocidade a 1000 fps e com uma potência de microondas de 1 kW e um caudal de gás de 15ar SLM. (A) Vista de cima, olhando para baixo sobre o bocal num ângulo de diagnóstico através da fenda na parte da frente do maçarico de plasma inoperacional. (B) A ignição do plasma no ressonador coaxial. (C) - (E) Dissolução do plasma para a ponta do bocal metálico até que arde no modo coaxial. (F) Os aumentos de plasma. (L) - (I) O plasma rompe com o bocal metálico e queimaduras livremente acima da ponta do bocal no modo cilíndrico. (J) Os aumentos de plasma, devido ao reajuste do sintonizador três stub para maximizar o poder para a frente. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 7. Diferentes orifícios. Através da utilização de orifícios de diferentes formatos do plasma pode ser formado. (A) O tubo de quartzo confinando não se estender para fora do ressonador e o plasma pode queimar livremente acima do ressonador. (B) O plasma é moldado em uma escova com um orifício tipo ranhura. (C) Uma agulha de plasma é formado por um orifício de furo.(D) A escova de plasma muito suave pode ser conseguido através de um orifício com uma fenda estreita e (E) uma área de plasma liso é formado por um orifício com alguns pequenos buracos dispostos em um círculo. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior esta figura.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
O filme apresentado explica como uma ignição de um plasma de microondas pressão atmosférica sem igniters adicionais podem ser realizados, os princípios básicos dessa tocha plasma de microondas, a sua regulação, o processo de ignição do plasma e do seu funcionamento estável e contínua. Como descrito na introdução, já existem diferentes tipos de maçaricos de plasma de micro-ondas, mas nenhum deles proporcionar um sistema de ignição do plasma sem quaisquer dispositivos de ignição adicionais assim como a operação de plasma estável e contínua.
Para obter um sistema de ignição do plasma sem quaisquer dispositivos de ignição adicionais à pressão atmosférica num campo eléctrico de alta e, por conseguinte, é necessário um ressoador com uma alta qualidade, enquanto para um funcionamento contínuo e estável de plasma é necessária uma baixa qualidade. Isto pode ser realizado através da combinação de um ressonador coaxial de alta qualidade que garante a ignição do plasma e um ressonador cilíndrica de baixa qualidade, que proporciona uma contínua eoperação estável no plasma.
A freqüência de microondas fornecido tem para combinar perfeitamente com a frequência de ressonância do ressonador coaxial de alta qualidade para que o poder previsto é acoplado na câmara de ressonância. Portanto a dependência da frequência do magnetrão tem de ser bem conhecida e a frequência de ressonância do ressonador coaxial tem de ser ajustável. A frequência de envio do magnetrão pode ser medido com um analisador de espectro enquanto que a frequência de ressonância do ressonador coaxial pode ser medida por meio de um analisador de rede e ajustado por o bocal móvel.
Para garantir a ignição do plasma exclusivamente pela microondas fornecido, é crucial que a frequência de ressonância do ressonador coaxial combina perfeitamente com a frequência de envio do magnetron. Além disso, o forno tem de ser acoplado totalmente para dentro do ressonador coaxial da montagem da tocha de plasma que é conseguido através da maximização da potência para a frente wom o sintonizador de três stub. Se estes passos não são críticos conduzida cuidadosamente, é possível que o plasma não se inflamar ou que a microondas é acoplado na montagem experimental em algum lugar o que poderia conduzir a algum dano dessas peças. Assim, se ausência de ignição do plasma é observado, estes passos têm de ser cuidadosamente verificada novamente. Além disso, é possível que o plasma se inflamar, mas não muda para o modo coaxial cilíndrico ou por si só. Neste caso, o plasma pode geralmente ser comutado para o primeiro modo coaxial e, em seguida, para o modo cilíndrico, variando o fluxo de gás e da potência de microondas fornecida.
Para obter uma ignição mais automático e operação do plasma de um sintonizador de três stub automático, que ajusta automaticamente seus tocos para maximizada para a frente poder pode ser usado em vez do manual. Assim, o ajustamento das pontas para a ignição do plasma e depois do ajustamento para a operação do plasma é automaticamente realizada poreste sintonizador três stub. Para atingir a ignição plasma sem igniters adicionais e operação de plasma estável e contínua a combinação apresentada inteligente das duas estruturas ressonador e a técnica apresentada da medição do magnetron por um analisador de espectro e a medição e de ajuste da freqüência de ressonância por meio de um analisador de rede são cruciais.
A ignição do plasma foi investigado em pormenor, com uma câmara de alta velocidade. Revelou-se que o plasma se inflamar no ressonador coaxial, enrola-se para a ponta do bico de queima no modo coaxial, os aumentos na intensidade e volume, rompe com o bocal metálico, aumenta ainda mais e, em seguida queima livremente acima do bocal metálico na modo cilíndrico. Depois da ignição do plasma e a sua transição para o modo cilíndrico o plasma pode ser operado de forma estável e contínua. A dimensão de plasma depende da potência de microondas e fornecido o fluxo de gás e aumentos quando a energia de microondas fornecida é aumentada ou o fluxo de gás é diminuída. Além disso, o plasma pode ser em forma de agulhas, escovas ou plasmas de pós-luminescência lisas usando orifícios.
O fluxo de gás e da potência de microondas do maçarico de plasma de microondas, apresentou estão limitados a cerca de 100 sLm e alguns quilowatts que também limita o volume do plasma. Uma vez que o tubo de quartzo não deve ser danificado o diâmetro radial do plasma é limitada ao diâmetro interior do tubo de quartzo. Se um volume maior de plasma é necessária ou grandes fluxos de gás tem de ser tratada, a fonte de plasma pode ser em maior escala usando um forno de microondas de frequência mais baixa, por exemplo de 915 MHz em vez de 2,45 GHz. Com mais de 915 MHz da potência de microondas está disponível, o que leva a maiores volumes de plasma, que permitem fluxos maiores de gás a ser tratada. No entanto, quando são utilizadas potências mais elevadas, o risco de danos, em particular do bocal metálico, durante a ignição do plasma ou durante a operação e, consequentemente, aumenta anoterap mecanismo de ignição tem que ser considerada. Além disso, os parâmetros do plasma, como o electrão e temperatura do gás, são independentes dos parâmetros exteriores, como o fluxo de gás e da potência de microondas fornecida. Assim, se for necessário um plasma à pressão atmosférica, com diferentes parâmetros de plasma, uma fonte diferente tem de ser utilizada ou uma que satisfaça as necessidades requeridas deve ser recém-desenvolvidos.
Uma vez que o maçarico de plasma de microondas a pressão atmosférica apresentada fornece ignição do plasma sem quaisquer dispositivos de ignição adicionais assim como a operação de plasma estável e contínua, a fonte de plasma é adequado para muitas aplicações industriais. A vantagem da ignição do plasma sem quaisquer dispositivos de ignição adicionais para processos industriais, especialmente quando um sintonizador três topo automático é usado, é que apenas o forno de microondas tem a ser ligado e o processo começa a ser executado de forma fiável e automaticamente. Além disso, se uma operação descontínua é necessário que o processo está em execuçãodurante algum tempo seguida por intermitência, o processo pode ser reiniciado de plasma de forma rápida, fiável e automaticamente e não há desgaste no sistema de ignição adicional. Volume como processos de síntese química, assim como tratamentos de superfície com o plasma pós-luminescência podem ser denominado pedido de maçarico de plasma de microondas. Os estudos sobre a degradação bem sucedida de gases residuais prejudiciais, especialmente de gases de efeito de estufa, como compostos perfluorados que são utilizados na indústria de semicondutores, a crescente sobre a dissociação de CO 2 a CO e O, bem como sobre a pirólise de metano de hidrogénio e carbono já têm foram realizados. Além disso, os plasmas de pós-luminescência foram usadas para o tratamento de superfícies para aumentar a aderência da cola e tintas e para efeitos de descontaminação e esterilização. Por exemplo, a fonte de plasma pode ser utilizada para a descontaminação da superfície das rolhas de cortiça para degradar tricloroanisol, que faz com que o chamado gosto a rolha. Outra applicção é a redução de germes nas superfícies, como em materiais de embalagem ou na comida.
A técnica apresentada como a frequência de envio de uma fonte de alimentação de alta frequência é medida por meio de um analisador de espectro e como a frequência ressonante de uma estrutura ressonante é medido e ajustado por meio de um analisador de rede também pode ser aplicado a outras fontes de plasma de alta frequência . Como um exemplo, um pequeno micro jacto de plasma de microondas que se baseia em um λ / 4-ressonador pode ser denominado 25-27.
Por fim, o filme apresentou conduzirá a novos desenvolvimentos e melhorias de pressão atmosférica e / ou fontes de plasma de microondas.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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
- Hong, Y. C., et al. Microwave plasma torch abatement of NF3 and SF6. Phys. Plasma. 13, 033508 (2006).
- Kabouzi, Y., et al. Abatement of perfluorinated compounds using microwave plasmas at atmospheric pressure. J. Appl. Phys. 93 (12), 9483-9496 (2003).
- Kabouzi, Y., Moisan, M. Pulsed Microwave Discharges Sustained at Atmospheric Pressure: Study of Contraction and Filamentation Phenomena. IEEE Transaction on Plasma Science. 33, 292-293 (2005).
- Hong, Y. C., Uhm, H. S. Abatement of CF4 by atmospheric-pressure microwave torch. Phys. Plasma. 10 (8), 3410-3414 (2003).
- Leins, M., et al. Development and Characterisation of a Microwave-heated Atmospheric Plasma Torch. Plasma Process. Polym. 6, 227-232 (2009).
- Alberts, L., Kaiser, M., Leins, M., Reiser, M. über die Möglichkeit des Abbaus von C-haltigen Abgasen mit atmosphärischen Mikrowellen-Plasmen. Proc. UMTK, VDI-Berichte 2040 P3. , 217-221 (2008).
- Leins, M., et al. Entwicklung und Charakterisierung einer Mikrowellen-Plasmaquelle bei Atmosphärendruck für den Abbau von VOC-haltigen Abgasen. Proc. UMTK, VDI-Berichte 2040 P3. , (2008).
- Fridman, A. Plasma Chemistry. , Cambridge University Press. New York. (2008).
- Azizov, R. I., et al. The nonequilibrium plasma chemical process of decomposition of CO2 in a supersonic SHF discharge. Sov. Phys. Dokl. 28, 567-569 (1983).
- Moisan, M., Zakrzewski, Z., Pantel, R., Leprince, P. A. Waveguide-Based Launcher to Sustain Long Plasma Columns Through the Propagation of an Electromagnetic Surface Wave. IEEE Transaction on Plasma Science. 3, 203-214 (1984).
- Moisan, M., Pelletier, J. Microwave Excited Plasmas. , Elsevier. New York. (1992).
- Moisan, M., Sauvé, G., Zakrzewski, Z., Hubert, J. An atmospheric pressure waveguide fed microwave plasma torch: the TIA design. Plasma. Sources Sci. Technol. 3, 584-592 (1994).
- Jin, Q., Zhu, C., Borer, M. W., Hieftje, G. M. A microwave plasma torch assembly for atomic emission spectrometry. Spectorchim. Acta Part B. 46, 417-430 (1991).
- Baeva, M., Pott, A., Uhlenbusch, J. Modelling of NOx removal by a pulsed microwave discharge. Plasma Sources Sci. Technol. 11, 135-141 (2002).
- Korzec, D., Werner, F., Winter, R., Engemann, J. Scaling of microwave slot antenna (SLAN): a concept for efficient plasma generation. Plasma Sources Sci. Technol. 5, 216-234 (1996).
- Tendero, C., Tixier, C., Tristant, P., Desmaison, J., Leprince, P. h Atmospheric pressure plasmas: A review. Spectorchimica Acta Part B. 61, 2-30 (2006).
- Ehlbeck, J., Ohl, A., Maaß, M., Krohmann, U., Neumann, T. Moving atmospheric microwave plasma for surface and volume treatment. Surface and Coatings Technology. 174-175, 493-497 (2003).
- Pipa, A. V., Andrasch, M., Rackow, K., Ehlbeck, J., Weltmann, K. -D. Observation of microwave volume plasma ignition in ambient air. Plasma Sources Sci. Technol. 21 (3), 035009 (2012).
- Baeva, M., et al. Puls microwave discharge at atmospheric pressure for NOx decomposition. Plasma Sources Sci. Technol. 11, 1-9 (2002).
- Pott, J. Experimentelle und theoretische Untersuchung gepulster Mikrowellenplasmen zur Abgasreinigung in Gemischen aus Stickstoff, Sauerstoff und Stickstoffmonoxid. , Düsseldorf. (2002).
- Rackow, K., et al. Microwave-based characterization of an athmospheric pressure microwave-driven plasma source for surface treatment. Plasma Sources Sci. Technol. 20, 1-9 (2011).
- Nowakowska, H., Jasinski, M., Mizeraczyk, J. Electromagnetic field distributions waveguide-based axial-type microwave plasma source. Eur. Phys. J. D. , 1-8 (2009).
- Leins, M., Walker, M., Schulz, A., Schumacher, U., Stroth, U. Spectroscopic Investigation of a Microwave-Generated Atmospheric Pressure Plasma Torch. Contrib. Plasma Phys. 52 (7), 615-628 (1002).
- Leins, M. Development and Spectroscopic Investigation of a Microwave Plasma Source for the Decomposition of Waste Gases. , Stuttgart. (2010).
- Langbein, C. Entwicklung und Optimierung eines mikrowellenbasierten Atmosphärendruck-Mikroplasmas für lokale Oberflächenbehandlungen. , Stuttgart. (2008).
- Kamm, C. Spektroskopische Untersuchung eines Mikrowellen-Mikroplasma-Brenners. , Stuttgart. (2011).
- Weinrauch, I. Spektroskopische Charakterisierung eines Mikrowellen-Mikroplasmabrenners für die lokale Oberflächenbehandlung. , Stuttgart. (2012).
