Abstract
Denne filmen viser hvordan en atmosfærisk trykk plasmabrenner kan antennes av mikrobølgeeffekt uten ekstra tennere. Etter tenningen av plasmaet, er en stabil og kontinuerlig drift av plasma mulig og plasmabrenneren kan brukes til mange forskjellige anvendelser. På den ene siden, kan den varme (3600 K gasstemperatur) plasma anvendes for kjemiske prosesser, og på den annen side det kalde etterglød (temperaturer ned til nesten RT) kan anvendes for overflateprosesser. For eksempel kjemiske synteser er interessante volum prosesser. Her mikrobølgeplasmabrenner kan anvendes for dekomponering av avfallsgasser som er skadelige eller bidrar til global oppvarming, men for så å etse gasser i voksende industrisektorer som halvledergren. En annen anvendelse er dissosiasjonen av CO 2. Overskudds elektrisk energi fra fornybare energikilder kan benyttes for å dissosiere CO 2 til CO og O2. CO kan være ytterligere proInnfelte til gassform eller flytende høyere hydrokarboner og gir dermed kjemisk lagring av energi, syntetisk drivstoff eller plattform kjemikalier for den kjemiske industrien. Anvendelser av den etterglødning av plasmabrenneren er behandling av overflater for å øke adhesjonen av lakk, lim eller maling, og steriliseringen eller dekontaminering av forskjellige typer av overflater. Filmen vil forklare hvordan å tenne plasma utelukkende av mikrobølgeeffekt uten noen ekstra tennere, f.eks, elektriske gnister. Den mikrobølgeplasmabrenneren er basert på en kombinasjon av to resonatorer - en koaksial en som tilveiebringer tenningen av plasmaet, og et sylindrisk en som garanterer en kontinuerlig og stabil drift av plasma etter antennelse. Plasma kan brukes i en lang mikrobølgeovn gjennomsiktig tube for volum prosesser eller formet av åpninger for overflatebehandling formål.
Introduction
Atmosfæriske trykket mikrobølgeplasmabrennere tilbyr en rekke forskjellige applikasjoner. På den ene side kan de anvendes for kjemiske prosesser volum, og på den annen side deres etterglød plasma kan anvendes for behandling av overflater. Som overflatebehandling behandler behandling for å øke vedheft av lim, maling eller lakk eller dekontaminering eller sterilisering av overflater kan navngis. Den varme og reaktive plasma i seg selv kan brukes til volum prosesser som dekomponeringen av avgasser 1-7. Disse avfallsgasser er skadelige, bidra til global oppvarming og kan knapt bli degradert på konvensjonell måte. Men de trengte i voksende industrielle sektorer som for eksempel halvleder gren. Andre programmer er kjemisk syntese som dissosiasjon av CO 2 til CO og O 2 eller CH 4 til karbon og hydrogen 8,9. Overskudds elektrisk energi fra fornybare energikilder kan brukes til å distansere CO
Det er noen mikrobølge plasma fakler, men de fleste av dem har ulemper: De har bare svært små plasmavolum, trenger flere tennere, trenger kjøling av plasmareaktor eller kan kun brukes i pulsmodus 10-18. Den mikrobølgeplasmabrenner som presenteres i denne filmen har en tenning av plasma utelukkende med den medfølgende mikrobølgeeffekt uten ekstra tennere, samt en stabil og kontinuerlig drift uten kjøling av plasmareaktor for et bredt spekter av driftsparametre, og kan benyttes for alle de ovenfor nevnte anvendelser. Den mikrobølgeplasmabrenneren er basert på en kombinasjon av to resonatorer: en koaksial en og en sylindrisk en. Den sylindriske resonator har en lav kvalitet og er driftsed i den kjente E 010 -mode med den høyeste elektriske feltet i dets sentrum. Den koaksiale resonator er plassert under den sylindriske resonator og består av en bevegelig metallmunnstykke i kombinasjon med en tangentiell gasstilførsel. Den høye kvaliteten på koaksialresonator viser en meget smal, men dyp resonans kurve. På grunn av den høye kvalitet av den koaksiale resonator et høyt elektrisk felt kan nås som er nødvendig for tenningen av plasmaet. Imidlertid er den høye kvaliteten av den koaksiale resonator forbundet med en meget smal resonanskurve og dermed resonansfrekvensen har perfekt overens med frekvensen av den tilførte mikrobølgeovnen. Siden resonansfrekvensforskyvninger etter tenningen av plasmaet på grunn av permittiviteten av plasmaet, kan mikrobølgeovnen ikke lenger trenge inn i den koaksiale resonator. For kontinuerlig drift av plasma den sylindriske resonator med lav kvalitet og en bred resonanskurve er nødvendig.
En ytterligere aksial gasstilførselen via den metalliske dysen av den koaksiale resonator er mulig. Plasma blir antent og innesperret i en mikrobølgeovn-gjennomsiktig rør, for eksempel et kvartsrør. Permittiviteten av kvartsrøret også påvirker resonansfrekvensen. Da kvarts har en permittivitet på> 1, er volumet av den sylindriske resonator tilnærmet forstørret noe som fører til en lavere resonansfrekvens. Dette fenomenet må tas i betraktning når dimensjonene av det sylindriske resonator er utformet. En detaljert diskusjon om hvordan resonansfrekvensen påvirkes av den innsatte kvartsrøret kan finnes i referanse 23. Hvis en lang og utvidet kvartsrør benyttes, kan denne også virke som reaksjonskammeret for volum prosesser. Men for overflatebehandling plasmaet kan også være formet annerledes av forskjellige typer av dyser. Mikrobølgeovnen er levert via en rektangulær bølgeleder fra magnetron. For å unngå støy ordensforstyrrelser ved bruk av en lav rippel magne er recommavsluttet. Den magnetron som er brukt i filmen er en lav ripple en.
For tenningen av plasmaet høy kvalitet koaksial resonator brukes samtidig en stabil og kontinuerlig drift er anordnet ved den sylindriske resonator. For å oppnå at tenningen av plasmaet av den høye kvaliteten koaksial resonator resonansfrekvensen for denne resonator har perfekt overens med frekvensen av mikrobølge levert av brukt magnetron. Ettersom alle magnetroner ikke avgir sin mikrobølgefrekvens på nøyaktig den nominelle frekvens, og siden frekvensen er avhengig av utgangseffekten, har de magnetron som skal måles med en spektrumanalysator. Resonansfrekvensen for den koaksiale resonator kan justeres ved å flytte den metalliske dysen opp og ned. Denne resonansfrekvens kan måles, og dermed også justert til senderfrekvensen for den brukte magnetron med et nettverk analysator. For å oppnå den høye elektriske feltet ved spissen av munnstykket, som er nødvendig for tenningenav plasma, er en tre-stubb tuner nødvendig i tillegg. Denne tre stump tuner er et vanlig brukt mikrobølgeovn komponent. De tre spire tuner er montert mellom mikrobølgeovn plasmabrenner og magnetron. Etter at resonansfrekvensen for den koaksiale resonator er justert, blir den fremadgående effekt maksimert og reflektert effekt minimeres iterativt ved å justere stubber av tre stubben tuner.
Etter å ha justert resonansfrekvensen til den koaksiale resonatoren så vel som å ha maksimert termin krefter ved hjelp av de tre stubben tuner, kan plasmaet av mikrobølgeplasmabrenneren bli antent når mikrobølgeplasmabrenneren er forbundet med en magnetron. For tenningen av plasmaet minimum mikrobølgeeffekt på ca. 0,3 1 kW er tilstrekkelig. Plasma tenner i den koaksiale resonator. Etter antennelsen av plasmaet resonansfrekvensen for den koaksiale resonator er forskjøvet på grunn av den dielektriske permittiviteten av plasmaet og mikrobølgeovn kan ingenlenger trenge inn i den koaksiale resonator. Således plasma skifter fra den koaksiale modus til sin mye mer utvidet sylindrisk modus brenner fritt-stående over den metalliske dysen i sentrum av den sylindriske resonator. Siden kvaliteten av det sylindriske modus er svært lav, og derfor oppviser en bred resonanskurve, kan mikrobølge fremdeles trenge inn i den sylindriske resonator til tross for forskyvning av resonansfrekvensen på grunn av den dielektriske permittiviteten av plasmaet. Således oppnås en kontinuerlig og stabil drift av plasma i den sylindriske modus levert av mikrobølgeplasmabrenner. Men for å nå en fullstendig absorpsjon av den medfølgende mikrobølgeeffekt, de stubber av de tre spire tuner må justeres. Ellers den medfølgende mikrobølgeeffekt ikke er fullstendig absorbert av plasma, men noen prosent av den medfølgende mikrobølgeovn er reflektert og absorbert av vann belastning.
For å undersøke antenning av plasma i den koaksialemodus og deretter sin overgang til den utvidede sylindriske modus er plasma tenning observert av en høyhastighetskamera.
Den presenterte filmen viser hvordan frekvensavhengighet av magnetron skal måles, er resonansfrekvensen for den koaksiale resonator justert, hvor den fremadgående effekt er maksimert, og hvor plasmaet blir antent av den medfølgende mikrobølgeeffekt. Den høye hastigheten kamera opptaket vises også.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Måling av Magne
Merk: Den skjematisk av det eksperimentelle oppsett for måling av magnetron er vist i figur 1A.
- Koble magne til en isolator som består av en sirkulasjonspumpe og en vannbelastning med 10 skruer.
- Koble isolator til en retningsbestemt coupler med 10 skruer.
- Koble retningskopler til en andre vannbelastning med 10 skruer.
- Levere alle vann laster med vann.
- Kalibrere spektrum analysator med sin kalibreringsfunksjon i henhold til produsentens protokoll.
- Koble en 20 dB demper til spektrum analysator ved å plugge den 20 dB demper til spektrum analysator.
Merk: 20 dB demperen brukes til å beskytte spektrum analysator fra altfor høye makter over en W. - Koble den 20 dB demperen utstyrt spektrum analysator til slutten av koaksialkabel utstyrt med en BNC-kontakt ved å plugge coaksial kabel inn i 20 dB demperen.
- Koble enden av en koaksial kabel er utstyrt med et N-kontakten til retningskopleren ved å plugge den koaksiale kabelen til retnings kabelen.
- Slå på magne via strømforsyningen og spekteret for den utsendte mikrobølge vises på spektrumanalysator.
- Om nødvendig, justere den viste abscisse, koordinere og deres vedtak i henhold til bruksanvisningen til spektrum analysator.
- Å måle frekvensen av utgangs mikrobølgeovn i avhengighet av mikrobølgeeffekt, øker mikrobølgeeffekt fra 10% til maksimalt utgangseffekten i 5% til 10% i og for hvert trinn bestemme frekvensen av den maksimale amplitude av spekteret vises av spektrumanalysator.
Merk: Vanligvis er frekvensspekteret for en magnetron under 10% av sin maksimale utgangseffekt meget bred, oppviser mange forskjellige topper og derfor er ikke brukbare.
2. Justering avresonansfrekvensen
Merk: Den skjematisk av det eksperimentelle oppsett for måling og justering av resonansfrekvensen er vist i figur 2A.
- Kalibrere nettverk analysator med kalibreringssett for S11 drift (i henhold til produsentens protokoll).
- Koble koaksialkabelen via N-kontakten til den koaksiale del av en koaksial-til-rektangulær-wave guide overgang ved å plugge den koaksialkabel til koaksial-til-wave-guide-overgang.
- Koble den rektangulære delen av koaksial-til-rektangulær-wave guide overgang til en tre stump tuner med 10 skruer.
- Koble tre spire tuner til mikrobølgeplasmabrenner forsamlingen med 10 skruer.
- I nettverket analysator menyen bryteren til S11 drift.
- I nettverket analysator menyen bytte til VSWR modus eller logge modus.
- Iterativt å justere resonansfrekvensen til mikrobølgeplasmabrenneren sammenstillingen til den målte frekvens CNCY av magnetron med en utgangseffekt på 25% - 60% av den maksimale utgangseffekt ved å bevege munnstykket opp og ned. Resonansfrekvensen for mikrobølgeplasmabrenner enheten er gitt ved dip av S11 parametermåling som vist i figur 2B. Juster denne dip ved å bevege munnstykket opp og ned til den anbefalte frekvens.
- Når resonansfrekvensen blir justert ved å låse stillingen av dysen med låsemutteren.
- Øke forovermikrobølgeeffekt iterativt ved å justere de tre stubber av tre stubben tuner ved å bevege stubber opp og ned. Den mikrobølgeeffekt som absorberes av mikrobølgeplasmabrenner enheten er gitt ved dybden av dip av S11 parameter. Dermed maksimere denne dukkert ved å justere stubber av de tre spire tuner. Vanligvis er det tilstrekkelig at to av de tre stubber benyttes.
3. Tenning av Plasma
- Bruk UV beskyttelse briller siden plasma avgir UV radiasjon. Operere plasmalansen under lokal gass ventilasjon siden plasma produserer nitride oksider.
- Koble mikrobølgeplasmabrennerenheten med den justerte koaksial resonator (dysen er stengt), og den justerte tre stussen tuner til magne utstyrt med en isolator som består av en sirkulasjonspumpe som er koblet til en vannbelastning.
- Koble gasstilførselen til mikrobølgeplasmabrenneren.
- Slå på gasstilførselen til 5 til 20 slm.
- Siden mikrobølgestråling i høyere doser er skadelig spesielt for øynene, sjekk at det ikke er noen mikrobølge lekkasjer.
- For å gjøre dette, slå på mikrobølgeovnen på et svært lavt strømforbruk på 10% til 12% og sjekk alle mikrobølge tilkoblinger med en mikrobølgeovn meter for lekkasjer.
- Hvis det er noen lekkasjer fjerne dem helt før du øker mikrobølgeeffekt eller bruker mikrobølgeovn plasmabrenner.
- Hvis det ikke er noen lekkasjer slå på mikrobølgeovnen starter med lave potenser av 10% og øke microwave makt sakte innen 10 til 60 sekunder før plasma tenner i kvarts tube av mikrobølgeovn plasmabrenner.
- Nøye observere om og hvor plasma tenner, men vær forsiktig med muligens utstrålt mikrobølgeovn. Helst bruke et speil for observasjon av plasma tenning.
- Hvis ingen plasma tenner, slå av mikrobølgeeffekt og nøye sjekke om mikrobølgeeffekten er riktig koblet inn i koaksialresonator og ikke villedet til andre komponenter varme dem opp eller til å skade dem. Sjekk om noen komponenter får varmet opp.
- Hvis noen av komponentene blir varmet opp - dvs. den mikrobølgeeffekt misforstått - flytte alle stubber av tre tuner spire ut av bølgelederen og justere dem til å maksimere mikrobølgekobling til plasmabrenneren sammenstillingen som beskrevet i trinn 2.9. Deretter starte på nytt med trinn 3.1.
- Justere resonansfrekvensen til den koaksiale resonatoren av plasmabrenneren til senderfrekvensen for den magnetron ved en tilstrekkelig høy mikrobølgeeffekt på 25% til 60% av den maksimale utgangseffekt til nettverket analysatoren som beskrevet i trinn 2. For å forbedre tenningen, justere resonansfrekvensen til den koaksiale resonatoren som beskrevet i trinn 2 til en høyere utgangseffekt. Deretter starte på nytt med trinn 3.1.
- Hvis plasma tenner et sted i plasmabrenner og ikke automatisk bytte til den koaksiale eller sylindrisk modus, varierer den medfølgende mikrobølgeeffekt og gasstrømmen til det brenner i den sylindriske modus.
- Når den plasma-brenner i den sylindriske modus, iterativt justere stubber av tre stubben tuner ved å bevege dem opp og ned, slik at alt av den tilførte mikrobølgeeffekt er absorbert av plasma og den reflekterte mikrobølgeeffekt blir null.
Merk: Når en mikrobølgeovn diode er koblet til vannbelastning og til den tilsvarende inngang til styreenheten, blir den reflekterte mikrobølgeeffekt som vises på styreenheten for mikrobølgeeffektforsyningen.Hvordan du gjør dette er beskrevet i manualen av mikrobølgeovn strømforsyning. - Når høyere mikrobølge krefter på 1,5 kW eller mer, og lave gass strømninger på mindre enn 15 slm er brukt, sjekk nøye at plasma ikke berører veggene i kvarts tube. Kvartsrøret må ikke gløde hvor som helst.
- Hvis kvartsrøret lyser rødt, redusere mikrobølgeeffekt eller øke gasstrømmen før det forsvinner helt.
- Siden mikrobølger kan utstråles av plasmaet på grunn av ledningsevnen i plasma, sjekk med en mikrobølge-måler som den utstrålte mikrobølgeeffekt er under terskelen.
- Hvis den utstrålte mikrobølgeeffekt er over terskelen, skjerme plasma med en metallisk maskenett, hvor maskestørrelsen er mye mindre enn halvparten av den brukte mikrobølgebølgelengden.
4. High-speed kamera Movie av Plasma Ignition
Merk: Etter tenningen av plasmaet, og dens overgang til den sylindriske modus er i områdetnoen hundre millisekunder, kan denne fremgangsmåte best kan undersøkes ved hjelp av en høyhastighetskamera. Imidlertid er det ikke nødvendig å overholde tenningen ved hjelp av en høyhastighetskamera hver gang plasmaet blir antent.
- Plassere linsen i høyhastighetskamera foran mikrobølgeplasmabrenner ser gjennom den diagnostiske sliss på forsiden av plasmabrenneren.
- Juster til kameraet peker inn i den koaksiale resonatoren på spissen av den metalliske dysen.
- Fokuser kameraet på tuppen av den metalliske dyse.
- Starte opptaket med 1000 fps (bilder per sekund) av høyhastighetskamera.
- Tenn plasma som beskrevet i § 3.
5. Stabil og Kontinuerlig Plasma Operation
Merk: Når plasma har blitt antent i den sylindriske modus og tre spire tuner har blitt justert for å maksimere opptaket av mikrobølgeeffekten av plasma en stabil og dispenseretinuerlig drift av plasmabrenneren er mulig.
- Juster dimensjon - radial og aksial forlengelse - av plasma til ønsket dimensjon ved å variere den medfølgende mikrobølgeeffekt mellom 10% og maksimal utgangseffekt og gasstrømmen mellom 10 og 70 slm. Hold den radielle dimensjon er begrenset til diameteren av kvartsrøret. Plasma må ikke berøre veggen av kvartsrøret som betyr at kvartsrøret ikke må gløde.
- For å forme plasma til forskjellige former, bruker en kort kvartsrør som bare begrenser plasmaet inne i den sylindriske resonator og plassere en åpning på toppen av plasmabrenneren sammenstillingen.
- Om nødvendig, fest åpningene med noen skruer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
For å tilveiebringe en plasma-tenning uten ytterligere tennere, samt en stabil og kontinuerlig drift plasma med høy kvalitet koaksial resonator med justerbar resonansfrekvensen ble kombinert med en lav kvalitet sylindrisk resonator til en mikrobølgeplasmabrenner. Skjematisk av denne plasmabrenneren er presentert i figur 3. Plasmaet er begrenset til en mikrobølgetransparent røret, her et kvartsrør. Dette rør kan fungere som et reaksjonskammer for volumplasmaprosesser eller en plasma børste for overflatebehandlinger kan være dannet av en åpning. Mikrobølgeeffekten er styrt via en rektangulær bølgeleder fra magne til mikrobølgeplasmabrenner. Forskjellige typer gasser kan tilføres enten via den tangentielle gasstilførsel eller aksialt gjennom den metalliske dysen av den koaksiale resonatoren. Den mikrobølgeplasmabrenneren er utstyrt med en fremre spalte, slik at plasma inne i røret og tenningen kan bli undersøkt i detalj.
innhold "> For å garantere en tenning av plasma utelukkende av den medfølgende mikrobølgeeffekt en høy elektrisk felt på omtrent 3 til 6 MV / m er nødvendig. For å få en bedre forståelse av den elektriske feltfordeling, simuleringer av den elektriske feltfordeling, så vel som eigenmode analyse med kommersielt tilgjengelig simuleringsprogram COMSOL Multiphysics ble gjennomført. Modellering og simulering av elektriske felt distribusjoner av atmosfærisk trykk mikrobølgeovn plasmabrennere følger allerede detaljert innsikt og ført til ytterligere utbygginger og forbedringer når det gjelder for eksempel deres tenning eller kjøreoppførsel 19- 22.Den elektriske feltfordeling av den koaksiale modus så vel som av den felles sylindriske E 010-modus er vist i figur 4a og 4b, henholdsvis. Det elektriske feltet er vist i vilkårlige enheter, siden det elektriske feltet i den koaksiale resonator er mange times høyere i forhold til det elektriske feltet i den sylindriske resonator. Det kan sees at et høyt elektrisk felt på dysespissen er nådd med den koaksiale resonatoren, og den høyeste elektriske feltet av den sylindriske resonator er i sentrum av den sylindriske resonator. Resonansfrekvensen for den koaksiale resonator kan varieres ved posisjonen til den metalliske dysen. Simuleringsresultater for resonansfrekvenser for forskjellige dyse posisjoner for en mikrobølgeplasmabrenner med en sylindrisk resonator med en radius på 0,05 m og en høyde på 0,048 m er vist i diagrammet i figur 4C. Det kan sees at resonansfrekvensen for den sylindriske modus ikke blir påvirket av posisjonen til den metalliske dysen. Imidlertid er resonansfrekvensen til den koaksiale modus avhengig av munnstykkets posisjon og avtar når den metalliske dysen beveges oppad inn i det sylindriske resonator.
For å nå den nødvendige høy elektrisk field i den koaksiale resonator denne resonans-frekvensjusterbar koaksial resonator oppviser en høy kvalitet og en skarp og smal resonanskurve. Imidlertid krever en skarp og smal resonanskurve at resonansfrekvensen for den koaksiale resonator passer perfekt frekvensen av den tilførte mikrobølgeovnen. Siden vanligvis magnetroner ikke avgir mikrobølge til nominell frekvens, og siden frekvensen til mikrobølge er avhengig av utgangseffekten av mikrobølgeovnen, har frekvensavhengighet av magnetron som skal måles ved hjelp av en retningskobler, og en spektrumanalysator. Det eksperimentelle oppsett for å måle frekvensavhengighet av magne med en spektrumanalysator er skjematisk vist i figur 1a. Den målte frekvensavhengigheten til den benyttede magne er vist i diagrammet i figur 1B. Senterfrekvensen ble satt til 2,45 GHz, og videobåndbredde var 200 MHz. Det kan sees at ved en effekt på 200 W (10% avmaksimal utgangseffekt for magne) frekvensen av mikrobølgeovn er på 2,44638 GHz og øker når mikrobølgeeffekten økes. Ved maksimal utgangseffekt på 2 kW mikrobølgefrekvens når en verdi på 2,45213 GHz.
Resonansfrekvensen for mikrobølgeplasmabrenner kan måles med en nettverksanalysator og siden dysen er bevegelig resonansfrekvensen for den koaksiale resonator kan justeres. For å gjøre dette, har mikrobølgeplasmabrenneren sammenstillingen for å bli koblet til et nettverk analysator via en rektangulær-til-koaksial bølgelederovergang som vist i skjematisk i figur 2A. Ved å måle S11 parameter av mikrobølgeplasmabrenner montering resonansfrekvensen kan bestemmes. Den S11-parameteren representerer forholdet av inngangseffekten til den reflekterte effekt i avhengighet av frekvensen. Når en resonans er oppnådd, etablerer et elektrisk felt i resonatoren struktur fører til en redusert reflektertd mikrobølgeeffekt. Imidlertid er feltstyrken på innsiden av hulrommet direkte relatert til den faste bølge amplituden av mikrobølge gitt av nettverket analysator. En dip vises i S11-spektrum som svarer til resonansfrekvensen. En typisk måling av S11 parameter er vist i figur 2B. Her har en resonans er observert ved en frekvens på 2,846 GHz. Ved å bevege det metalliske dysen opp og ned, kan resonansfrekvensen for den koaksiale resonator varieres etter de simuleringer som er vist i figur 4C viste. Denne avhengigheten av resonansfrekvensen til den koaksiale resonatoren på den metalliske dysen posisjon kan måles ved hjelp av S11 parameter. En måling av resonansfrekvensen i avhengighet av munnstykkets stilling og de tilhørende Kongesimuleringsresultater er gjengitt i diagrammet i figur 2C. Dette diagrammet viser at det er god overensstemmelse mellom de simuleringsresultater og de målte verdier av de resonance frekvens. Den meget liten forskyvning av de to kurver kan forklares med meget små avvik fra geometri eller dimensjon av det fremstilte munnstykket i forhold til den som brukes for simuleringene. For å justere resonansfrekvensen til den koaksiale resonatoren til frekvensen av den tilførte mikrobølgeovn, har det metalliske dysen som skal iterativt beveges opp og ned inntil dip i S11-parameteren er plassert på den målte mikrobølgefrekvens. Da den metalliske dyse må være låst og termin makt kan maksimeres ved iterativt justere stubber av de tre spire tuner, slik at S11 parameter dukkert når sitt maksimum dybde. Den høye kvaliteten på resonatoren og maksimert frem strømledningen til færre mikrobølge refleksjoner og en høy elektrisk felt er etablert i resonatoren og det er derfor en dyp dukkert i S11 parameter resultater.
Etter mikrobølgeplasmabrenneren sammenstillingen er montert på magne og gasstilførselen er koblet til, plasmaeten lommelykt kan antennes og drives. Tenningen av plasmaet kan undersøkes best ved å observere tenningen med en høyhastighetskamera. Tenningen av plasma ble spilt inn på 1000 fps. Den presenterte plasma tenningen ble utført ved en mikrobølgeeffekt på 1 kW og en tilført gasstrøm på 15 slm luft. Bilder av hver fase av tenn er oppsummert i figur 5. Bildet på figur 5A viser sett ovenfra, ser ned på munnstykket i en vinkel gjennom den diagnostiske sliss på forsiden av den ute av funksjon plasmabrenner. Bunnen av den sylindriske resonator er i front. På midten fly kan du se begynnelsen av koaksialresonator. Spissen av dysen kan også sees. Bunnen av den sylindriske resonator ligger i bakgrunnen på nytt. Siden det fokuseres på dysespissen, er bunnen av den sylindriske resonator noe uklare. De andre bildene viser fasene i plasma tenning. Når mikrobølgeeffekten er turned på ved t = 0 msek, antenner plasma eller annet sted i den koaksiale resonatoren som det kan ses i figur 5B. Så, i løpet av 64 millisekunder, slynger plasma opp den metalliske dyse til spissen og deretter brenner rett på munnstykket i koaksial modus som figur 5C til 5E showet. Intensiteten av plasmaet vokser for følgende 692 msek som det er vist på figur 5F. Deretter, på grunn av den forskyvning av resonansfrekvensen på grunn av den brennende plasma i den koaksiale resonatoren 1 ms senere, begynner plasma for å bryte bort fra munnstykket, som vist i figur 5G og 5H. Den fullstendige avbrekk av plasma fra dysespissen er nådd etter 58 ms som vist på fig 5I. Plasma blir nå brenner fritt over den metalliske dysen i den sylindriske modus. Under den siste sekund, er de tre spire tuner justeres på nytt for å maksimere frem mikrobølgeeffekt. Dette fører til en increase av plasma som bildet i figur 5J viser. Imidlertid er plasma fortsatt brenner fritt ovenfor dysespissen uten kontakt til den. På grunn av den lave kvalitet på den sylindriske resonator plasmaet kan drives kontinuerlig og stabilt i dette sylindrisk resonator-modus.
Dimensjonen av plasmaet er avhengig av tilført mikrobølgeeffekt, og gass-strømmen. Bilder av plasma for mikrobølgekreftene 1 og 2 kW og gass strømmer på 10, 30 og 70 slm er presentert i Figur 6. Resonator med sin diagnostiske slit på sitt foran ligger i den nedre delen av bildene. Plasmaet er avgrenset i et kvartsrør i og over den sylindriske resonator. UV lys par inn i kvartsrøret som er grunnen til kvartsrøret viser en blålig glødende. Det kan sees at dimensjonene - radial, og også den aksiale forlengelse - av plasma øker med en økning av den tilførte mikrobølgeeffekt, mens en økning of gass-strømmen fører til en mindre plasmaflamme. Men målinger av gassen og elektrontemperaturen viser de maksimale temperaturer på T g = 3600 K og elektrontemperaturen T e = 5800 K er uavhengig av de ytre parametre, som leveres mikrobølgeeffekt og gasstrømmer, så vel som av det plasmavolum 19. Temperaturene ble oppnådd ved hjelp av optisk emisjonsspektroskopi. A 2 Σ + - X 2 Π γ -transition av den frie OH-radikal ble anvendt for bestemmelse av gasstemperaturen mens en Boltzmann-plot av atom oksygen linjer ble utført for estimatet av elektrontemperaturen. En detaljert beskrivelse av hvordan temperaturen er blitt målt, og det komplette temperaturfordelingene kan finnes i referanser 23 og 24.
For å behandle overflatene i etterglød av plasmaet, kan plasmaet være formet med forskjellige typer dyser. Figur 7 viser bilder av forskjellig formet plasmaer. Layouten er lik bildene av plasmaet avgrenset til et langt kvartsrør: den sylindriske resonator er ved bunnen av bildet; sin diagnostiske slit opplyst av plasma. Forskjellig form plasmaer kan sees brenning over topp-åpning. På bildet i figur 7A den avgrensa kvartsrøret ikke strekker seg utenfor resonatoren. Plasmaet kan brenne fritt over resonatoren. En forlenget plasma børsten kan være utformet med så spaltemunnstykke som vist på figur 7B. En plasma nålen kan oppnås ved hjelp av en åpning med et hull i midten. Dette er vist i figur 7C. Svært små og glatte gløden plasmaer er dannet av åpninger som har en smal spalte eller noen små hull arrangert i en sirkel som bildene i Figur 7D og 7E showet.
2816fig1.jpg "/>
Figur 1. Måling av magnetronet. Den skjematisk i (A) viser hvordan frekvensavhengighet av en magnetron av mikrobølgeeffekten kan måles ved hjelp av en spektrumanalysator. Frekvensen avhengighet av den brukte magne av utgangseffekten er avbildet i (B). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2. Måling av resonansfrekvensen. Den oppsett for måling og justering av resonansfrekvensen for mikrobølgeplasmabrenneren ved hjelp av et nettverk analyser er gitt i (A). (B) viser en typisk måling av S11 parameter. Dukkert i S11parameter reflekterer resonansfrekvensen for mikrobølgeplasmabrenner. Den målte avhengighet av resonansfrekvens på den metalliske dyse stilling og resultatene av de numeriske simuleringer er oppsummert i c). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3. Plasma lommelykt oppsett. Skjematisk av oppsettet av atmosfærisk mikrobølgeovn plasmabrenner. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4. Koaksial og sylindriske modus.Fordelingen av den elektriske feltstyrke er vist i (A) og (B). (A) viser fordelingen for den koaksiale modus, mens (b) viser en for den sylindriske modus. Diagrammet i (C) viser avhengigheten av resonansfrekvensen til både den koaksiale og den sylindriske modus på posisjonen av den metalliske dysen i plasmabrenneren. Resonatoren har en diameter på 0,05 m og en høyde på 0,0482 m. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 5. Tenning av plasmaet. Bilder av hver fase av tenningen av plasmaet registrert av et kamera med høy hastighet på 1000 bps, og ved en mikrobølgeeffekt på 1 kW og en gass-strøm av 15SLM luft. (A) ovenfra, ser ned på munnstykket i en vinkel gjennom den diagnostiske sliss på forsiden av den ute av funksjon plasmabrenner. (B) Tenning av plasma i den koaksiale resonator. (C) - (E) Opprulling av plasmaet til spissen av den metalliske dysen før den brenner i den koaksiale modus. (F) Plasma øker. (G) - (I) Den plasma bryter bort fra den metalliske dysen, og brenner fritt ovenfor dysespissen i den sylindriske modus. (J) Plasma øker på grunn av omlegging av tre stump tuner for å maksimere fremover makt. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 7. Forskjellige åpninger. Ved hjelp av forskjellig formede åpninger plasma kan dannes. (A) Det begrensningskvartsrøret strekker seg ikke utenfor resonatoren og plasma kan brenne fritt over resonatoren. (B) Den plasma formes til en børste med en spalteåpning. (C) En plasma nålen er dannet av en hullåpning.(D) En svært glatt plasma børste kan oppnås ved bruk av måle med en smal spalte og (E) en jevn plasma området er dannet av en åpning med noen små hull arrangert i en sirkel. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Den presenterte filmen forklarer hvordan en tenning av et atmosfærisk trykk mikrobølgeplasma uten ytterligere tennere kan realiseres, de grunnleggende prinsipper for denne mikrobølgeplasmabrenner, dens justering, tenningen av plasmaet, og dens stabil og kontinuerlig drift. Som beskrevet i innledningen, er det allerede forskjellige typer mikrobølgeplasmabrennere, men ingen av dem gir en tenning av plasma uten ytterligere tennere, samt en stabil og kontinuerlig drift plasma.
For å få en tenning av plasma uten ytterligere tennere ved atmosfæretrykk en høy elektrisk felt er nødvendig og derfor en resonator med høy kvalitet mens det for en kontinuerlig og stabil plasmaoperasjon en lav kvalitet blir nødvendig. Dette kan realiseres ved å kombinere en høy kvalitet koaksial resonator som sikrer tenningen av plasmaet, og en lav kvalitet sylindrisk resonator som gir en kontinuerlig ogstabil plasma drift.
Frekvensen av den tilførte mikrobølge har perfekt overens med resonansfrekvensen for den høye kvaliteten koaksial resonator slik at tilgjengelig strøm er koplet inn i resonanskammeret. Derfor er frekvensavhengighet av magne må være godt kjent og resonansfrekvensen for den koaksiale resonator må være justerbar. Den sender frekvensen til magne kan måles med en spektrumanalysator, mens resonansfrekvensen for den koaksiale resonator kan måles ved hjelp av et nettverk analysator og justert av det bevegelige munnstykket.
For å sikre tenning av plasma utelukkende av den medfølgende mikrobølgeovn, er det avgjørende at resonansfrekvensen for den koaksiale resonator passer perfekt til senderfrekvensen for magnetronet. Videre har mikrobølgeovnen for å koples helt inn i den koaksiale resonator av plasmabrenneren sammenstillingen som oppnås ved å maksimere den fremadgående effekt wed tre spire tuner. Hvis disse kritiske trinn ikke er utført nøye er det mulig at plasma ikke vil antennes eller at mikrobølgeovnen blir koplet inn i den eksperimentelle oppsettet sted hva som kunne føre til noen skade på disse delene. Dermed hvis ingen tenning av plasma er observert, disse trinnene må kontrolleres nøye en gang. Videre er det mulig at plasma tenner, men ikke skifter til den koaksiale eller sylindrisk modus av seg selv. I dette tilfelle plasmaet kan ofte slås først til den koaksiale modus og deretter til sylindermodus ved å variere gasstrømmen og den medfølgende mikrobølgeeffekt.
For å oppnå en mer automatisk tenning og drift av plasma en automatisk tre-stubb tuner som automatisk justerer sine stubber til maksimert frem strøm kan brukes i stedet for den manuelle en. Således kan justering av stubber for tenning av plasma og deretter justering for drift av plasmaet blir automatisk utført avdette tre spire tuner. For å oppnå plasma tenning uten ytterligere tennere og stabil og kontinuerlig drift av plasma presenteres smart kombinasjon av de to resonator-strukturer og presentert teknikk for måling av magne av en spektrumanalysator og måling og justering av resonansfrekvensen ved hjelp av en nettverk analysator er avgjørende.
Tenningen av plasma ble undersøkt i detalj med en høyhastighetskamera. Det viste seg at plasma tenner i den koaksiale resonatoren, vinder opp til spissen av munnstykket brenning i den koaksiale modus, øker i intensitet og volum, bryter vekk fra den metalliske dysen, øker ytterligere og deretter brenner fritt over den metalliske dysen i sylindriske modus. Etter tenningen av plasmaet, og dens overgang til den sylindriske modus plasmaet kan drives stabilt og kontinuerlig. Dimensjonen av plasmaet er avhengig av tilført mikrobølgeeffekt, og gass-strømmen og øknings når den tilføres mikrobølgeeffekt økes eller gasstrømmen reduseres. Videre kan plasmaet formes til nåler, børster eller glatte gløden plasmaer ved hjelp av åpningene.
Gasstrømmen og den mikrobølgeeffekt av det presenterte mikrobølgeplasmabrenneren er begrenset til ca. 100 slm og noen kilowatt som også begrenser volumet av plasmaet. Siden kvartsrøret ikke må skades den radiale diameter av plasma er begrenset til den indre diameter av kvartsrøret. Hvis en større plasmavolumet er nødvendig eller store gasstrømmer skal behandles, kan plasmakilden være opp-skalert ved hjelp av en lavere mikrobølgefrekvens, for eksempel 915 MHz i stedet for 2,45 GHz. Med 915 MHz mer mikrobølgeeffekt er tilgjengelig, fører til større plasmamengder som tillater større gassstrømmer som skal håndteres. Når imidlertid høyere krefter anvendes, er risikoen for skader, spesielt av det metalliske dysen, under tenningen av plasmaet, eller under drift øker og derfor another tenningsmekanismen må vurderes. Videre plasmaparametere, som elektron- og gasstemperaturen, er uavhengig av de ytre parametre som gasstrømmen og tilført mikrobølgeeffekt. Hvis således et atmosfærisk trykk plasma med forskjellige plasmaparametere er nødvendig, har en annen kilde som skal brukes, eller en som tilfredsstiller de nødvendige behov har til å være nylig utviklet.
Siden den presentatmosfæretrykk mikrobølgeovn plasmabrenner gir tenning av plasma uten ytterligere tennere, samt en stabil og kontinuerlig drift plasma, er plasmakilde egnet for mange industrielle anvendelser. Fordelen med tenningen av plasma uten ekstra tennere for industrielle prosesser, spesielt når en automatisk tre spire tuner er brukt, er at bare mikrobølgeovnen må være slått på og prosessen begynner å kjøre sikkert og automatisk. Videre, hvis en diskontinuerlig operasjon er nødvendig hvor prosessen er i gangi noen tid etterfulgt av Intermittency, kan plasmaprosessen startes hurtig, pålitelig og automatisk, og det er ingen slitasje av en ekstra tenningssystem. Volum prosesser som kjemisk syntese samt overflatebehandlinger med ettergløden plasma kan bli navngitt som anvendelser av mikrobølgeplasmabrenner. Studier av den vellykkede nedbrytning av skadelige avgasser, spesielt for klimagasser som perfluorerte forbindelser som er brukt i den voksende halvlederindustrien, på dissosiasjonen av CO2 til CO og O, så vel som for pyrolyse av metan til hydrogen og karbon har allerede blitt gjennomført. Videre ble afterglow plasmaer anvendes for behandling av overflater for å øke adhesjonen av lim og maling, og for dekontaminering og steriliseringsformål. For eksempel kan plasmakilde anvendes for rensing av overflaten av korkpropper for å nedbryte trichloroanisole, noe som fører til den såkalte kork lukt. En annen applicasjon er reduksjon av bakterier på overflater, som på emballasjematerialer eller på mat.
Den presenterte teknikk hvor senderfrekvensen for en høyfrekvent strøm måles ved hjelp av en spektrumanalysator og hvor resonansfrekvensen for en resonansstruktur måles og reguleres ved hjelp av et nettverk analysator kan også anvendes på andre høyfrekvens plasmakilder . Som et eksempel på en bitte liten mikromikrobølgeplasmastråle som er basert på en λ / 4-resonator kan navngis 25-27.
Endelig, vil presenteres filmen føre til ytterligere utbygginger og forbedringer av atmosfærisk trykk og / eller mikrobølgeplasmakilder.
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).
