Abstract
Esta película muestra cómo un soplete de plasma a presión atmosférica puede ser encendido por la energía de microondas sin encendedores adicionales. Después de la ignición del plasma, una operación estable y continua del plasma es posible y la antorcha de plasma se puede utilizar para muchas aplicaciones diferentes. Por un lado, la caliente (3600 K de temperatura de gas) de plasma se puede utilizar para procesos químicos y por otro lado el resplandor frío (temperaturas de hasta casi RT) se pueden aplicar para los procesos de superficie. Por ejemplo síntesis químicas son procesos volumen interesantes. Aquí la antorcha de plasma de microondas se puede utilizar para la descomposición de los gases residuales nocivos y contribuyen al calentamiento global, pero son necesarios como el grabado de gases en el crecimiento de los sectores de la industria como la rama de semiconductores. Otra aplicación es la disociación de CO 2. Excedente de energía eléctrica a partir de fuentes de energía renovables puede utilizarse para disociar CO 2 a CO y O2. El CO puede ser más prosar en hidrocarburos superiores gaseosos o líquidos, proporcionando así el almacenamiento químico de la energía, los combustibles sintéticos o químicos de plataforma para la industria química. Aplicaciones del resplandor de la antorcha de plasma son el tratamiento de superficies para aumentar la adherencia de la laca, el pegamento o la pintura, y la esterilización o descontaminación de los diferentes tipos de superficies. La película se explica cómo encender el plasma únicamente por la potencia de microondas sin ningún ignitores adicionales, por ejemplo, chispas eléctricas. La antorcha de plasma de microondas se basa en una combinación de dos resonadores - una coaxial que proporciona la ignición del plasma y una cilíndrica, que garantiza un funcionamiento continuo y estable del plasma después de la ignición. El plasma puede ser operado en un tubo transparente a largo microondas durante los procesos de volumen o en forma de por orificios para los propósitos de tratamiento de superficies.
Introduction
Sopletes de plasma de microondas presión atmosféricas ofrecen una variedad de aplicaciones diferentes. Por un lado se pueden utilizar para los procesos químicos de volumen y por otra parte su plasma resplandor puede ser aplicado para el tratamiento de superficies. Como tratamiento de la superficie procesa el tratamiento para aumentar la adherencia del pegamento, pintura o laca o la descontaminación o esterilización de superficies puede ser identificado. El propio plasma caliente y reactiva se puede utilizar para los procesos de volumen, como la descomposición de los gases residuales 1-7. Estos gases residuales son perjudiciales, contribuyen al calentamiento global y difícilmente pueden ser degradados convencionalmente. Sin embargo, se necesitan en el crecimiento de los sectores industriales, tales como la rama de semiconductores. Otras aplicaciones son la síntesis química como la disociación de CO 2 a CO y O 2 o CH 4 de carbono y 8,9 hidrógeno. Excedente de energía eléctrica a partir de fuentes de energía renovables puede utilizarse para disociar CO
Hay algunas antorchas de plasma de microondas, pero la mayoría de ellos tienen desventajas: Sólo tienen volúmenes de plasma muy pequeñas, necesitan ignitores adicionales, necesitan refrigeración del reactor de plasma o sólo pueden funcionar en modo pulsado 10-18. La antorcha de plasma de microondas presentado en esta película ofrece una ignición del plasma únicamente con la potencia de microondas proporcionan sin ignitores adicionales, así como una operación estable y continua sin ningún enfriamiento del reactor de plasma para una amplia gama de parámetros de funcionamiento y se puede utilizar para todas las aplicaciones mencionadas anteriormente. La antorcha de plasma de microondas se basa en una combinación de dos resonadores: una coaxial y una cilíndrica. El resonador cilíndrico tiene una baja calidad y es operated en el conocido E 010 -mode con el campo eléctrico más alto en el centro. El resonador coaxial se encuentra por debajo del resonador cilíndrico y consiste en una boquilla metálica móvil en combinación con un suministro de gas tangencial. La alta calidad del resonador coaxial presenta una curva de resonancia muy estrecha pero profunda. Debido a la alta calidad del resonador coaxial un campo eléctrico de alta puede llegar a que es necesario para el encendido del plasma. Sin embargo, la alta calidad del resonador coaxial está asociado con una curva de resonancia muy estrecho y por lo tanto la frecuencia de resonancia tiene para adaptarse perfectamente a la frecuencia de las microondas suministrado. Dado que los cambios de frecuencia de resonancia después de la ignición del plasma debido a la permitividad del plasma, el horno de microondas ya no puede penetrar en el resonador coaxial. Para el funcionamiento continuo del plasma se necesita el resonador cilíndrico con una calidad baja y una curva de resonancia amplia.
Un suministro de gas axial adicional a través de la boquilla metálica del resonador coaxial es posible. El plasma se enciende y confinado en un tubo transparente a las microondas, por ejemplo un tubo de cuarzo. La permitividad del tubo de cuarzo también afecta a la frecuencia de resonancia. Dado que el cuarzo tiene una permitividad de> 1, el volumen del resonador cilíndrico es prácticamente ampliada que conduce a una frecuencia de resonancia más baja. Este fenómeno tiene que ser considerado cuando las dimensiones del resonador cilíndrico están diseñados. Una discusión detallada sobre cómo la frecuencia de resonancia se ve afectada por el tubo de cuarzo insertado se puede encontrar en la referencia 23. Si se utiliza un tubo de cuarzo largo y prolongado, este también puede actuar como la cámara de reacción para los procesos de volumen. Sin embargo, para los tratamientos de superficie del plasma también puede tener una forma distinta por diferentes tipos de orificios. El microondas se suministra a través de una guía de ondas rectangular de la magnetrón. Para evitar la contaminación acústica el uso de un magnetrón ondulación baja es recommterminado. El magnetrón que se utiliza en la película es un mínimo de un ondulación.
Para el encendido del plasma se utiliza el resonador coaxial de alta calidad mientras una operación estable y continua es proporcionada por el resonador cilíndrico. Para lograr el encendido del plasma por el resonador coaxial de alta calidad la frecuencia de resonancia de este resonador tiene que coincidir perfectamente la frecuencia de las microondas suministrada por el magnetrón utilizado. Dado que todos los magnetrones no emiten su frecuencia de microondas exactamente a la frecuencia nominal y puesto que la frecuencia depende de la potencia de salida, el magnetrón tiene que ser medido con un analizador de espectro. La frecuencia de resonancia del resonador coaxial se puede ajustar moviendo la boquilla metálica arriba y hacia abajo. Esta frecuencia de resonancia se puede medir y por lo tanto también ajustada a la frecuencia de envío del magnetrón se utiliza con un analizador de red. Para alcanzar el campo eléctrico de alta en la punta de la boquilla, requerida para la ignicióndel plasma, se necesita un sintonizador de tres stub en adición. Este tres sintonizador talón es un componente de microondas de uso común. El sintonizador de tres stub se monta entre la antorcha de plasma de microondas y el magnetrón. Después se ajusta la frecuencia de resonancia del resonador coaxial, la potencia hacia adelante se maximiza y minimiza la potencia reflejada por iterativamente ajustar el talones del sintonizador de tres trozo.
Después de haber ajustado la frecuencia de resonancia del resonador coaxial, así como de haber maximizado los poderes hacia adelante por medio del sintonizador de tres stub, el plasma de la antorcha de plasma de microondas puede ser encendido cuando la antorcha de plasma de microondas está conectado a un magnetrón. Para el encendido de la potencia de microondas de plasma de un mínimo de alrededor de 0,3 a 1 kW es suficiente. El plasma se enciende en el resonador coaxial. Después de la ignición del plasma la frecuencia de resonancia del resonador coaxial se desplaza debido a la permitividad dieléctrica del plasma y el horno de microondas puede noya penetrar en el resonador coaxial. Por lo tanto, los interruptores de plasma desde el modo coaxial en su modo cilíndrica mucho más extendida quema libremente de pie encima de la boquilla metálica en el centro del resonador cilíndrico. Dado que la calidad de la modalidad cilíndrica es muy baja y por lo tanto exhibe una curva de resonancia amplia, el horno de microondas todavía puede penetrar en el resonador cilíndrico a pesar del desplazamiento de la frecuencia de resonancia debido a la permitividad dieléctrica del plasma. Por lo tanto, un funcionamiento continuo y estable del plasma en el modo cilíndrico está provisto por la antorcha de plasma de microondas. Sin embargo, para llegar a una absorción completa de la potencia de microondas suministrada, los talones de los tres sintonizador de talón tienen que ser reajustado. De lo contrario, la potencia de microondas suministrada no está completamente absorbida por el plasma, pero un porcentaje del microondas proporcionada es reflejada y absorbida por la carga de agua.
Para examinar la ignición del plasma en el coaxialmodo y luego su transición al modo cilíndrica extendida, el encendido de plasma es observada por una cámara de alta velocidad.
La película presentada mostrará cómo se mide la dependencia de la frecuencia del magnetrón, la frecuencia de resonancia del resonador coaxial se ajusta, cómo se maximiza la potencia hacia adelante y cómo el plasma se enciende por la potencia de microondas suministrado. La grabación de la cámara de alta velocidad se muestra también.
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Protocol
1. Medición del magnetrón
Nota: El esquemática de la configuración experimental para medir el magnetrón se representa en la Figura 1A.
- Conecte el magnetrón de un aislante que consiste en un dispositivo de circulación y una carga de agua con 10 tornillos.
- Conecte el aislante a un acoplador direccional con 10 tornillos.
- Conecte el acoplador direccional a una segunda carga de agua con 10 tornillos.
- Proporcione todas las cargas de agua con agua.
- Calibrar el analizador de espectro con su función de calibración de acuerdo con el protocolo del fabricante.
- Conectar un atenuador de 20 dB para el analizador de espectro conectando el atenuador de 20 dB para el analizador de espectro.
Nota: El atenuador de 20 dB se utiliza para proteger el analizador de espectro de muy altas potencias por encima de 1 W. - Conectar el atenuador 20 dB equipado analizador de espectro para el extremo del cable coaxial equipado con un conector BNC enchufando el cocable axial en el atenuador 20 dB.
- Conectar el extremo del cable coaxial equipado con un conector N al acoplador direccional conectando el cable coaxial al cable direccional.
- Encender el magnetrón a través de la fuente de alimentación y el espectro de las microondas emitida se muestra en el analizador de espectro.
- Si es necesario, ajuste el eje de abscisas se muestra, ordenada y su resolución de acuerdo con el manual del analizador de espectro.
- Para medir la frecuencia de la salida de microondas en dependencia de la potencia de microondas, aumentar la potencia de microondas desde el 10% hasta el máximo de la potencia de salida en 5% a 10% pasos y por cada paso de determinar la frecuencia de la amplitud máxima del espectro mostrado por el analizador de espectro.
Nota: Por lo general, el espectro de frecuencia de un magnetrón por debajo del 10% de su potencia de salida máxima es muy amplio, presenta muchos picos diferentes y por lo tanto no es utilizable.
2. Ajuste deLa frecuencia de resonancia
Nota: El esquemática de la configuración experimental para medir y ajustar la frecuencia de resonancia se representa en la Figura 2A.
- Calibrar el analizador de red con el kit de calibración para la operación S11 (de acuerdo con el protocolo del fabricante).
- Conectar el cable coaxial a través de la N-conector coaxial a la parte de una transición guía-coaxial-to-onda rectangular conectando el cable coaxial a la guía de ondas a la transición coaxial-a-ser.
- Conecte la parte rectangular de la transición guía-coaxial-a-onda rectangular a un sintonizador tres talón con 10 tornillos.
- Conecte el sintonizador de tres de empalme hacia el conjunto de la antorcha de plasma de microondas con 10 tornillos.
- En el interruptor menú analizador de red a la operación S11.
- En el menú de analizador de red cambiar al modo de ROE o al modo de registro.
- Iterativamente ajustar la frecuencia de resonancia del conjunto de la antorcha de plasma de microondas para la medición frequency del magnetrón en una potencia de salida de 25% - 60% de la potencia máxima de salida moviendo la boquilla hacia arriba y hacia abajo. La frecuencia de resonancia del conjunto de la antorcha de plasma de microondas está dada por la inclinación de la medición de parámetros S11 tal como se representa en la figura 2B. Ajuste este dip moviendo la boquilla hacia arriba y hacia abajo a la frecuencia recomendada.
- Cuando se ajusta la frecuencia de resonancia, bloquear la posición de la boquilla con la tuerca de bloqueo.
- Aumentar la potencia de microondas hacia adelante de forma iterativa mediante el ajuste de los tres trozos de el sintonizador de tres stub moviendo el talones de arriba y abajo. La potencia de microondas absorbida por el conjunto de antorcha de plasma de microondas está dada por la profundidad de la inmersión del parámetro S11. Por lo tanto, maximizar esta inmersión ajustando los talones del sintonizador tres trozo. Comúnmente, es suficiente que dos de los tres trozos se utilizan.
3. Encendido del plasma
- Use lentes de protección UV ya que el plasma emite radiaciones UVción. Opere la antorcha de plasma bajo ventilación local de gas ya que el plasma produce óxidos de nitruro.
- Conectar el conjunto de antorcha de plasma de microondas con el resonador coaxial ajustado (boquilla está bloqueado) y el sintonizador de tres ajustada de empalme hacia el magnetrón equipado con un aislante que consta de un circulador conectado a una carga de agua.
- Conectar el suministro de gas a la antorcha de plasma de microondas.
- Abra el suministro de gas a 5 a 20 slm.
- Dado que la radiación de microondas en dosis más elevadas es perjudicial especialmente para los ojos, compruebe que no hay fugas de microondas.
- Para ello, encender el microondas a una potencia muy baja de 10% a 12% y compruebe todas las conexiones de microondas con un medidor de microondas para fugas.
- Si hay cualquier fuga que eliminar completamente antes de aumentar la potencia de microondas u operar la antorcha de plasma de microondas.
- Si no hay fugas de encender el microondas a partir de bajas potencias de 10% y aumentar el micrófonopoder rowave lentamente dentro de 10 a 60 segundos hasta que el plasma se enciende en el tubo de cuarzo de la antorcha de plasma de microondas.
- Observe cuidadosamente si y donde el plasma se enciende pero ten cuidado con microondas posiblemente radiadas. Utilizar preferentemente un espejo para la observación de la ignición del plasma.
- Si no plasma enciende, apague la potencia de microondas y comprobar cuidadosamente si la potencia de microondas se acopla correctamente en el resonador coaxial y no equivocada a otros componentes calentarlos o incluso hacerles daño. Compruebe si algunos componentes se están calentados.
- Si algún componente se calienta para arriba - es decir, la potencia de microondas es un error - se mueven todos los talones del sintonizador tres trozo de la guía de ondas y ajustarlos para maximizar el acoplamiento de microondas en el conjunto de la antorcha de plasma como se describe en el paso 2.9. A continuación, empezar de nuevo con el paso 3.1.
- Ajustar la frecuencia de resonancia del resonador coaxial de la antorcha de plasma a la frecuencia de envío de la magnetron en una salida de potencia de microondas suficiente alto de 25% a 60% de la potencia máxima de salida con el analizador de red como se describe en el paso 2. Para mejorar el encendido, ajustar la frecuencia de resonancia del resonador coaxial como se describe en el paso 2 a una mayor potencia de salida. A continuación, empezar de nuevo con el paso 3.1.
- Si el plasma se enciende en algún lugar de la antorcha de plasma y no cambia automáticamente al modo coaxial o cilíndrica, variar el flujo de potencia de microondas y el gas suministrado hasta que se apague en el modo cilíndrico.
- Cuando el plasma se quema en el modo cilíndrico, iterativamente ajustar el talones del sintonizador de tres stub moviendo hacia arriba y hacia abajo de manera que toda la potencia de microondas suministrada es absorbida por el plasma y la potencia de microondas reflejada se convierte en cero.
Nota: Si un diodo de microondas está conectado a la carga de agua y a la entrada correspondiente de la unidad de control, la potencia de microondas reflejada se muestra en la unidad de control de la potencia de microondas de suministro.Cómo hacer esto se describe en el manual de la potencia de microondas de suministro. - Cuando se utilizan altas potencias de microondas de 1,5 kW o más y los flujos bajos de gas de menos de 15 slm, comprobar cuidadosamente que el plasma no toca las paredes del tubo de cuarzo. El tubo de cuarzo no debe brillar en cualquier lugar.
- Si el tubo de cuarzo se ilumina en rojo, reduzca la potencia de microondas o aumentar el flujo de gas hasta que desaparece por completo.
- Dado que las microondas pueden ser irradiadas por el plasma debido a la conductividad del plasma, verifique con un metro de microondas que la potencia de microondas radiada está por debajo del umbral.
- Si la potencia de microondas radiada está por encima del umbral, proteger el plasma con una malla metálica en el que el tamaño de malla es mucho menor que la mitad de la longitud de onda de microondas utilizado.
4. Cámara de alta velocidad de la película de la ignición de plasma
Nota: Puesto que la ignición del plasma y su transición al modo cilíndrica está en el intervalo dealgunos cientos de milisegundos, este proceso puede ser mejor investigados por medio de una cámara de alta velocidad. Sin embargo, no es necesario observar el proceso de encendido por medio de una cámara de alta velocidad cada vez que el plasma se enciende.
- Coloque la lente de la cámara de alta velocidad en frente de la antorcha de plasma de microondas mirando a través de la rendija de diagnóstico en la parte delantera de la antorcha de plasma.
- Ajuste hasta que la cámara está señalando en el resonador coaxial en la punta de la boquilla metálica.
- Enfoque la cámara en la punta de la boquilla metálica.
- Inicie la grabación con 1000 fps (fotogramas por segundo) de la cámara de alta velocidad.
- Encender el plasma como se describe en la sección 3.
5. Funcionamiento de plasma estable y continua
Nota: Cuando el plasma ha sido encendido en el modo cilíndrico y el sintonizador de tres stub se ha ajustado para maximizar la absorción de la potencia de microondas por el plasma de un establo y Continoperación superfluo de la antorcha de plasma es posible.
- Ajustar la dimensión - la radial y axial de extensión - del plasma a la dimensión deseada mediante la variación de la potencia de microondas suministrado entre 10% y la potencia de salida máxima y el flujo de gas entre 10 y 70 slm. Mantenga la dimensión radial limitada al diámetro del tubo de cuarzo. El plasma no debe tocar la pared del tubo de cuarzo que significa que el tubo de cuarzo no debe brillar.
- Para dar forma el plasma a diferentes formas, usar un tubo de cuarzo corto que sólo limita el plasma en el interior del resonador cilíndrico y colocar un orificio en la parte superior del conjunto de antorcha de plasma.
- Si es necesario, fije los orificios con algunos tornillos.
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Representative Results
Para proporcionar una ignición del plasma sin ningún ignitores adicionales, así como una operación de plasma estable y continua un resonador coaxial de alta calidad con una frecuencia de resonancia ajustable se combinó con una baja calidad del resonador cilíndrico a una antorcha de plasma de microondas. El esquema de esta antorcha de plasma se presenta en la Figura 3. El plasma está confinado en un tubo transparente a las microondas, aquí un tubo de cuarzo. Este tubo puede actuar como una cámara de reacción para los procesos de plasma de volumen o un cepillo de plasma para tratamientos de superficie puede estar formado por un orificio. La potencia de microondas se guía a través de una guía de ondas rectangular de la magnetrón a la antorcha de plasma de microondas. Diferentes tipos de gases pueden ser suministrados a través de ya sea el suministro de gas tangencial o axialmente a través de la boquilla metálica del resonador coaxial. La antorcha de plasma de microondas está equipado con una ranura frontal, de modo que el plasma dentro de la antorcha y el encendido puede ser investigado en detalle.
contenido "> Para garantizar un encendido del plasma únicamente por la potencia de microondas suministrado un alto campo eléctrico se necesita aproximadamente 3 a 6 MV / m. Para tener una mejor comprensión de la distribución del campo eléctrico, las simulaciones de la distribución del campo eléctrico, así como el análisis de modo propio con el software de simulación disponibles comercialmente COMSOL Multiphysics se llevaron a cabo. Modelado y simulación de distribuciones de campo eléctrico de antorchas de plasma de microondas presión atmosférica prestados ya una detallada comprensión y dado lugar a nuevos desarrollos y mejoras con respecto a, por ejemplo, su comportamiento de encendido o el funcionamiento del 19 al 22.La distribución del campo eléctrico del modo coaxial, así como de la cilíndrica común E modo 010 se representa en la figura 4a y 4b, respectivamente. El campo eléctrico se muestra en unidades arbitrarias, ya que el campo eléctrico en el resonador coaxial es muchos times más alta en comparación con el campo eléctrico en el resonador cilíndrico. Se puede observar que un campo eléctrico de alta en la punta de la boquilla se alcanza con el resonador coaxial y el campo eléctrico más alto del resonador cilíndrico está en el centro del resonador cilíndrico. La frecuencia de resonancia del resonador coaxial se puede variar la posición de la boquilla metálica. Los resultados de la simulación para las frecuencias de resonancia para diferentes posiciones de las boquillas para una antorcha de plasma de microondas con un resonador cilíndrico con un radio de 0,05 m y una altura de 0,048 m se muestran en el diagrama en la Figura 4C. Se puede observar que la frecuencia de resonancia del modo cilíndrico no se ve afectada por la posición de la boquilla metálica. Sin embargo, la frecuencia de resonancia del modo coaxial depende de la posición de la boquilla y disminuye cuando la boquilla metálica se mueve hacia arriba en el resonador cilíndrico.
Para llegar a la alta fi eléctrica requeridacampo en el resonador coaxial de este resonador coaxial de resonancia de frecuencia ajustable exhibe una alta calidad y una curva de resonancia fuerte y estrecha. Sin embargo, una curva de resonancia fuerte y estrecha requiere que la frecuencia de resonancia del resonador coaxial coincide perfectamente la frecuencia de las microondas suministrado. Dado que por lo general magnetrones no emiten el microondas a su frecuencia nominal y puesto que la frecuencia de las microondas depende de la potencia de salida del microondas, la dependencia de la frecuencia del magnetrón tiene que ser medido por medio de un acoplador direccional y un analizador de espectro. El montaje experimental para medir la dependencia de la frecuencia del magnetrón con un analizador de espectro se da esquemáticamente en la Figura 1a. La dependencia de la frecuencia medida del magnetrón utilizado se muestra en el diagrama en la Figura 1B. La frecuencia central se fijó a 2,45 GHz y el ancho de banda de vídeo era 200 MHz. Se puede ver que a una potencia de 200 W (10% dela potencia máxima de salida del magnetrón) la frecuencia de las microondas está en 2,44638 GHz y aumenta cuando se aumenta la potencia de microondas. En la potencia de salida máxima de 2 kW la frecuencia de microondas alcanza un valor de 2,45213 GHz.
La frecuencia de resonancia de la antorcha de plasma de microondas se puede medir con un analizador de red y desde la boquilla es móvil la frecuencia de resonancia del resonador coaxial se puede ajustar. Para ello, el conjunto de antorcha de plasma de microondas tiene que ser conectado a un analizador de red a través de una transición de guía de ondas rectangular a coaxial como se muestra en el esquema en la Figura 2A. Al medir el parámetro S11 del conjunto de antorcha de plasma de microondas la frecuencia de resonancia puede ser determinada. El parámetro S11 representa la relación de la potencia de entrada a la potencia reflejada en la dependencia de la frecuencia. Cuando se alcanza una resonancia, establece un campo eléctrico en la estructura de resonador que conduce a una reducida reflected potencia de microondas. Sin embargo, la intensidad de campo dentro de la cavidad está directamente relacionada con la amplitud de la onda fija de la microondas proporcionada por el analizador de red. Una inmersión aparece en el espectro S11 que corresponde a la frecuencia de resonancia. Una medición típica del parámetro S11 se representa en la figura 2B. Aquí se observa una resonancia a una frecuencia de 2,846 GHz. Al mover la boquilla metálica arriba y hacia abajo, la frecuencia de resonancia del resonador coaxial se puede variar según las simulaciones muestran en la figura 4C mostraron. Esta dependencia de la frecuencia de resonancia del resonador coaxial en la posición de la boquilla metálica se puede medir por medio del parámetro S11. Una medición de la frecuencia de resonancia en dependencia de la posición de la boquilla y los pertenecientes resultados de la simulación se presentan en el diagrama en la Figura 2C. Este diagrama muestra que hay una buena concordancia entre los resultados de la simulación y los valores medidos de los resfrecuencia onancia. El muy pequeño cambio de las dos curvas se puede explicar por muy pequeñas desviaciones de la geometría o dimensión de la tobera fabricado en comparación con la utilizada para las simulaciones. Para ajustar la frecuencia de resonancia del resonador coaxial a la frecuencia de las microondas suministrada, la boquilla metálica tiene que ser iterativamente movido arriba y abajo hasta que el baño en el parámetro S11 está ubicada en la frecuencia de microondas medido. Entonces la boquilla metálica tiene que ser bloqueado y el poder hacia adelante puede ser maximizada por iterativamente ajustar el talones del sintonizador de tres talón de modo que el parámetro S11 de inmersión alcanza su profundidad máxima. La alta calidad del resonador y el maximizado avance de la corriente a menos reflexiones de microondas y un campo eléctrico de alta se establece en el resonador que es por un baño profundo de los resultados de los parámetros S11.
Después de que el conjunto de antorcha de plasma de microondas está montado en el magnetrón y el suministro de gas está conectado, el plasmauna antorcha puede inflamarse y operado. El encendido del plasma se puede investigar mejor mediante la observación de la ignición con una cámara de alta velocidad. El encendido del plasma se registró a 1000 fps. El encendido de plasma presentado se realizó a una potencia de microondas de 1 kW y un flujo de gas suministrado de aire 15 slm. Las imágenes de cada fase de la ignición se resumen en la Figura 5. La imagen en la Figura 5A muestra la vista desde arriba, mirando hacia abajo en la boquilla en un ángulo a través de la rendija de diagnóstico en la parte delantera de la antorcha de plasma inoperantes. La parte inferior del resonador cilíndrico está en la parte delantera. En el plano medio se puede ver el principio del resonador coaxial. La punta de la boquilla también puede ser visto. La parte inferior del resonador cilíndrico está situado en el fondo de nuevo. Puesto que el foco está en la punta de la boquilla, la parte inferior del resonador cilíndrico es algo borrosa. Las otras imágenes muestran las fases de la ignición del plasma. Cuando se enciende la potencia de microondased en en t = 0 ms, el plasma se enciende en algún lugar en el resonador coaxial como se puede ver en la Figura 5B. Luego, durante 64 milisegundos, el plasma termina la boquilla metálica hasta la punta y luego se quema directamente a la punta de la boquilla en el modo coaxial como la Figura 5C a 5E espectáculo. La intensidad del plasma crece para los siguientes 692 mseg como se muestra en la Figura 5F. Entonces, debido al cambio de la frecuencia de resonancia provocada por la quema de plasma en el resonador coaxial 1 mseg después, el plasma empieza a separarse de la punta de la boquilla como se muestra en la Figura 5G y 5H. La ruptura completa de distancia del plasma desde la punta de la boquilla se alcanza después de 58 ms como se representa en la Figura 5I. El plasma está quemando libremente encima de la boquilla metálica en el modo cilíndrico. Durante el último segundo, el sintonizador tres talón se reajusta para maximizar la potencia de microondas hacia adelante. Esto conduce a un incRease del plasma como la imagen de la Figura 5J muestra. Sin embargo, el plasma sigue ardiendo libremente por encima de la punta de la boquilla sin contacto a la misma. Debido a la baja calidad del resonador cilíndrico el plasma puede ser operado continuamente y de forma estable en este modo resonador cilíndrico.
La dimensión del plasma depende de la potencia de microondas suministrado y el flujo de gas. Fotos de la plasma para potencias de microondas de 1 y 2 kW y gas fluye de 10, 30 y 70 slm se presentan en la Figura 6. El resonador con su ranura de diagnóstico en su parte delantera se encuentra en la parte inferior de las fotos. El plasma está confinado en un tubo de cuarzo dentro y por encima del resonador cilíndrico. Parejas de luz UV en el tubo de cuarzo que es por eso que el tubo de cuarzo exhibe un brillante azulada. Se puede observar que las dimensiones - radial y también la extensión axial - del aumento de plasma con un aumento de la potencia de microondas suministrada mientras que un aumento of el flujo de gas conduce a una llama de plasma más pequeño. Sin embargo, las mediciones de la temperatura del gas y de electrones muestran las temperaturas máximas de T g = 3.600 K y temperatura de los electrones T e = 5800 K son independientes de los parámetros exteriores, los flujos de potencia de microondas y del gas suministrado, así como del volumen de plasma 19. Las temperaturas se obtienen por medio de espectroscopia de emisión óptica. El A 2 Σ + - X 2 Π γ -Transición de la libre radical OH se utilizó para la determinación de la temperatura del gas, mientras que un Boltzmann-trama de líneas oxígeno atómico se llevó a cabo para la estimación de la temperatura de los electrones. Una descripción detallada de cómo se han medido las temperaturas y las distribuciones de temperatura completos se pueden encontrar en las referencias 23 y 24.
Para tratar superficies en el resplandor del plasma, el plasma puede ser formado con diferentes tipos de orificios. La Figura 7 representa fotos de plasmas de diferentes formas. El diseño es similar a las fotos del plasma confinado en un tubo de cuarzo largo: el resonador cilíndrico está en la parte inferior de la imagen; su hendidura de diagnóstico iluminada por el plasma. A diferencia plasmas forma se pueden ver quema por encima de la abertura superior. En la foto en la Figura 7A el tubo de cuarzo de confinamiento no se extiende fuera del resonador. El plasma puede quemar libremente por encima del resonador. Un cepillo de plasma extendida puede estar formada con orificio como hendidura como se representa en la Figura 7B. Una aguja de plasma se puede lograr mediante el uso de un orificio con un agujero en su centro. Esto se muestra en la Figura 7C. Pequeñas y lisas plasmas de fosforescencia Muy están formados por orificios que tienen una estrecha rendija o algunos pequeños agujeros dispuestos en un círculo que las fotos de la Figura 7D y 7E espectáculo.
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Figura 1. Medición del magnetrón. El esquema en (A) muestra cómo la dependencia de la frecuencia de un magnetrón de la potencia de salida de microondas se puede medir por medio de un analizador de espectro. La dependencia de la frecuencia del magnetrón utilizado de la potencia de salida se representa en (B). Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2. Medición de la frecuencia de resonancia. La configuración para la medición y el ajuste de la frecuencia de resonancia de la antorcha de plasma de microondas por medio de un analizador de red se da en (A). (B) muestra una medición típica del parámetro S11. El baño en la S11parámetro refleja la frecuencia de resonancia de la antorcha de plasma de microondas. La dependencia de medición de la frecuencia de resonancia en la posición de la boquilla metálica y los resultados de las simulaciones numéricas se resumen en c). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3. Configuración de la antorcha de plasma. Esquemático del montaje de la antorcha de plasma atmosférico microondas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4. coaxial y el modo cilíndrico.La distribución de la intensidad de campo eléctrico se representa en (A) y (B). (A) muestra la distribución para el modo coaxial, mientras que (B) muestra el uno para el modo cilíndrico. El diagrama en (C) muestra la dependencia de la frecuencia de resonancia tanto de la coaxial y el modo cilíndrico en la posición de la boquilla metálico en la antorcha de plasma. El resonador tiene un diámetro de 0,05 metros y una altura de 0,0482 m. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5. La ignición del plasma. Las imágenes de cada fase de la ignición del plasma registrada por una cámara de alta velocidad a 1000 fps y a una potencia de microondas de 1 kW y un flujo de gas de 15aire slm. (A) Vista desde arriba, mirando hacia abajo en la boquilla en un ángulo a través de la rendija de diagnóstico en la parte delantera de la antorcha de plasma inoperantes. (B) de encendido del plasma en el resonador coaxial. (C) - (E) Disolución del plasma a la punta de la boquilla metálica hasta que se quema en el modo coaxial. (F) Los aumentos de plasma. (G) - (I) El plasma se separa de la boquilla metálica y quemaduras libremente por encima de la punta de la boquilla en el modo cilíndrico. (J) Las plasma aumenta debido al reajuste del sintonizador tres talón para maximizar la potencia de entrada. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 7. Diferentes orificios. Mediante el uso de orificios de diferente forma el plasma se pueden formar. (A) El tubo de cuarzo de confinamiento no se extiende fuera del resonador y el plasma puede quemar libremente por encima del resonador. (B) El plasma se forma en un cepillo con un orificio de hendidura. (C) Una aguja de plasma está formado por un orificio de agujero.(D) Un cepillo de plasma muy suave se puede lograr mediante el uso de un orificio con una estrecha ranura y (E) una zona lisa plasma está formado por un orificio con algunos pequeños agujeros dispuestos en un círculo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta cifra.
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Discussion
La película presentada explica cómo una ignición de un plasma de microondas presión atmosférica sin ningún ignitores adicionales se puede realizar, los principios básicos de esta antorcha de plasma de microondas, su ajuste, el proceso de ignición del plasma y su operación estable y continua. Como se describe en la introducción, ya hay diferentes tipos de sopletes de plasma de microondas pero ninguno de los proporcionan una ignición del plasma sin ningún ignitores adicionales así como la operación de plasma estable y continua.
Para obtener una ignición del plasma sin ningún ignitores adicionales a presión atmosférica un campo eléctrico de alta es necesario y por lo tanto, mientras que para una operación de plasma continuo y estable se necesita una calidad bajo un resonador con una alta calidad. Esto puede realizarse mediante la combinación de un resonador coaxial de alta calidad que garantiza el encendido del plasma y un resonador cilíndrico de baja calidad que proporciona una continua yoperación de plasma estable.
La frecuencia de las microondas suministrada tiene que coincidir perfectamente la frecuencia de resonancia del resonador coaxial de alta calidad de manera que la potencia suministrada se acopla en la cámara de resonancia. Por lo tanto la dependencia de la frecuencia del magnetrón tiene que ser bien conocido y la frecuencia de resonancia del resonador coaxial tiene que ser ajustable. La frecuencia de envío del magnetrón se puede medir con un analizador de espectro mientras que la frecuencia de resonancia del resonador coaxial se puede medir por medio de un analizador de red y se ajusta por la tobera móvil.
Para garantizar la ignición del plasma únicamente por el horno de microondas suministrado, es crucial que la frecuencia de resonancia del resonador coaxial coincide perfectamente la frecuencia de envío del magnetrón. Además, el horno de microondas tiene que ser acoplado completamente en el resonador coaxial del conjunto de antorcha de plasma que se logra mediante la maximización de la potencia hacia adelante won el sintonizador tres trozo. Si estos pasos críticos no se llevan a cabo cuidadosamente, es posible que el plasma no se enciende o que el horno de microondas se acopla en la configuración experimental en algún lugar lo que podría dar lugar a un cierto daño de estas partes. Por lo tanto, si no se observa la ignición del plasma, estos pasos tienen que ser controlados cuidadosamente de nuevo. Además, es posible que el plasma se enciende pero no cambiar al modo coaxial o cilíndrica por sí mismo. En este caso el plasma comúnmente se puede conectar primero al modo coaxial y luego al modo cilíndrica variando el flujo de gas y la potencia de microondas suministrado.
Para obtener un encendido más automático y la operación del plasma un sintonizador de tres stub automático que ajusta automáticamente sus talones al poder maximizado hacia adelante se puede utilizar en lugar de la manual. Así, el ajuste de la stubs para la ignición del plasma y después del ajuste para la operación del plasma se llevan a cabo automáticamente poreste sintonizador tres trozo. Para conseguir la ignición de plasma sin ningún ignitores adicionales y operación de plasma estable y continua, la combinación presentada inteligente de las dos estructuras de resonador y la técnica presentada de la medición del magnetrón por un analizador de espectro y la medición y el ajuste de la frecuencia resonante por medio de una analizador de redes son cruciales.
El encendido del plasma fue investigado en detalle con una cámara de alta velocidad. Se reveló que el plasma se enciende en el resonador coaxial, vientos de hasta la punta de la boquilla de la quema en el modo coaxial, los aumentos en la intensidad y el volumen, se separa de la boquilla metálico, aumenta aún más y luego se quema libremente encima de la boquilla metálico en la modo cilíndrico. Después de la ignición del plasma y su transición al modo cilíndrico el plasma puede ser operado de forma estable y continua. La dimensión del plasma depende de la potencia de microondas suministrada y el flujo de gas y el aumentos cuando la potencia de microondas suministrada se incrementa o el flujo de gas disminuye. Además, el plasma puede ser en forma de agujas, cepillos o plasmas de fosforescencia suaves mediante el uso de orificios.
El flujo de gas y la potencia de microondas de la antorcha de plasma de microondas presentado se limitan a alrededor de 100 slm y algunos kilovatios que también limita el volumen del plasma. Dado que el tubo de cuarzo no debe dañarse el diámetro radial del plasma es limitada al diámetro interior del tubo de cuarzo. Si se requiere un volumen de plasma más grande o grandes flujos de gas tiene que ser tratada, la fuente de plasma puede ser de hasta escalado mediante el uso de una frecuencia de microondas inferior, por ejemplo 915 MHz en lugar de 2,45 GHz. Con 915 MHz más potencia de microondas está disponible, dando lugar a volúmenes de plasma más grandes que permiten flujos de gas más grandes para ser manejados. Sin embargo, cuando se utilizan potencias superiores, el riesgo de daño, especialmente de la boquilla metálica, durante el encendido del plasma o durante la operación aumenta y por lo tanto anoTher mecanismo de encendido tiene que ser considerado. Además, los parámetros del plasma, como electrones y temperatura del gas, son independientes de los parámetros exteriores como flujo de gas y potencia de microondas suministrado. Por lo tanto, si se necesita un plasma de presión atmosférica con diferentes parámetros del plasma, una fuente diferente tiene que ser utilizado o uno que satisfaga las necesidades requeridas tiene que ser desarrollados recientemente.
Puesto que la presión atmosférica antorcha de plasma de microondas presentado proporciona la ignición del plasma sin ningún ignitores adicionales así como la operación de plasma estable y continua, la fuente de plasma es adecuado para muchas aplicaciones industriales. La ventaja de la ignición del plasma sin ningún ignitores adicionales para los procesos industriales, especialmente cuando se utiliza un sintonizador de tres stub automático, es que sólo el horno de microondas tiene que estar encendido y el proceso comienza a ejecutar de forma fiable y automática. Por otra parte, si se necesita una operación discontinua donde se está ejecutando el procesodurante algún tiempo seguido por intermitencia, el proceso de plasma puede reiniciarse rápidamente, fiable y de forma automática y no hay desgaste de un sistema de encendido adicional. Volumen procesos como la síntesis química, así como tratamientos superficiales con plasma resplandor pueden ser nombrados como las aplicaciones de la antorcha de plasma de microondas. Los estudios sobre la degradación de éxito de los gases residuales nocivos, especialmente para gases de efecto invernadero como compuestos perfluorados que se utilizan en la industria de semiconductores creciente, en la disociación de CO 2 a CO y O, así como en la pirólisis de metano a hidrógeno y carbono ya tienen llevado a cabo. Además, se utilizaron los plasmas de fosforescencia para el tratamiento de superficies para aumentar la adherencia del pegamento y la pintura y para los propósitos de descontaminación y esterilización. Por ejemplo, la fuente de plasma se puede utilizar para la descontaminación de la superficie de los tapones de corcho para degradar tricloroanisol, lo que provoca la llamada contaminación del corcho. Otra applicación es la reducción de los gérmenes en las superficies, como en los materiales de embalaje o en alimentos.
La técnica presentada cómo la frecuencia de envío de una fuente de alimentación de alta frecuencia se mide por medio de un analizador de espectro y cómo la frecuencia de resonancia de una estructura resonante se mide y se ajusta por medio de un analizador de red también se puede aplicar a otras fuentes de plasma de alta frecuencia . Como ejemplo, un diminuto micro chorro de plasma de microondas que se basa en un λ / 4-resonador puede ser nombrado 25-27.
Por último, la película presenta dará lugar a otros desarrollos y mejoras de la presión atmosférica y / o fuentes de plasma de microondas.
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Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 2 kW magnetron | Muegge | MH2000S 211BA | |
| 2 kW power supply | Muegge | ML2000D-111TC | |
| insulator - circulator with water load | Muegge | MW1003A-210EC | |
| water load | Muegge | MW1002E-260EC | |
| three stub tuner | Muegge | MW2009A-260ED | |
| orifices | homemade | ||
| microwave plasma torch | homemade | ||
| spectrum analyzer | Agilent | E4402B | |
| network analyzer | Anritsu | MS4662A | |
| calibration kit | Anritsu | model 3753 | |
| directional coupler | homemade | ||
| 20 dB attenuator | Weinschee engineering | 20 dB AA57u8 | |
| coaxial to rectangular wave guide transition | Muegge | MW5002A-260YD | |
| adaptor 7-16 to N connector | Telegärtner | 7-16/N Adaptor | |
| coaxial cable | Rosenberger Hochfrequenztechnik | LU7_070_800 | |
| high speed camera | Photron | fastcam SA5 | |
| lens | Revueflex | makro revuenon 1:3.5/28mm | |
| local gas ventilation | Industrievertrieb Henning | ACD220 | |
| UV protection glasses | uvex | HC-F9178265 | |
| microwave leakage tester | conrad electronic | not available | |
| microwave survey meter | Holaday industries inc. | 81273 |
References
- 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).
