Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Engineering

Sådan Ignite en Atmosfærisk tryk Mikroovn Plasma Torch uden yderligere Tændrørene

doi: 10.3791/52816 Published: April 16, 2015

Abstract

Denne film viser, hvordan et atmosfærisk tryk plasmabrænder kan antændes af mikrobølgeeffekt uden ekstra tændere. Efter antændelse af plasmaet, en stabil og kontinuerlig drift af plasmaet er muligt og plasmabrænderen kan anvendes til mange forskellige applikationer. På den ene side kan den varme (3.600 K gastemperatur) plasma anvendes til kemiske processer og på den anden side kold efterglød (temperaturer ned til næsten RT) kan anvendes for overfladevand processer. For eksempel kemiske synteser er interessante volumen processer. Her mikrobølgeovn plasmabrænderen kan anvendes til nedbrydning af røggasser, som er skadelige og bidrage til global opvarmning, men er nødvendige som ætsning gasser voksende industrisektorer som halvleder gren. En anden anvendelse er dissociation af CO 2. Overskud elektrisk energi fra vedvarende energikilder kan anvendes til at adskille CO2 til CO og O2. CO kan yderligere proforarbejdet til gasformige eller flydende højere kulbrinter og derved leverer kemisk lagring af energien, syntetiske brændstoffer eller kemikalier platform for den kemiske industri. Anvendelser af efterglød af plasmabrænderen er behandling af overflader for at forøge vedhæftningen af ​​lak, lim eller maling, og sterilisering eller dekontaminering af forskellige slags overflader. Filmen vil forklare, hvordan at antænde plasma alene ved mikrobølgeeffekt uden yderligere sprængkapsler, f.eks elektriske gnister. Mikrobølgeovnen plasmabrænder er baseret på en kombination af to resonatorer - en koaksial en, der giver antændelse af plasmaet og en cylindrisk, som garanterer en kontinuerlig og stabil drift af plasma efter tændingen. Plasmaet kan betjenes i en lang mikrobølgetransparent rør til volumen processer eller formet af åbninger til overfladebehandling formål.

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Atmosfærisk tryk mikroovn plasmabrændere tilbyder en række forskellige anvendelser. På den ene side kan de bruges til kemiske volumen processer og på den anden side deres efterglød plasma kan anvendes til behandling af overflader. Som overfladebehandling behandling til at øge vedhæftning af lim, maling eller lak eller dekontaminering eller sterilisation af overflader kan navngives. Den varme og reaktiv plasma selv kan anvendes til volumen processer som nedbrydning af affaldsgasser 1-7. Disse spildgasser er skadelige, bidrage til den globale opvarmning, og kan næppe nedbrydes konventionelt. Men de er nødvendige i voksende industrisektorer såsom halvleder filial. Andre anvendelser er kemisk syntese som dissociation af CO 2 til CO og O 2 eller CH 4 til kulstof og brint 8,9. Overskud elektrisk energi fra vedvarende energikilder kan anvendes til at adskille CO O2. CO kan forarbejdes yderligere til højere carbonhydrider, der kan anvendes som syntetiske brændstoffer til transport, da kemikalier til den kemiske industri eller som kemisk oplagring platform.

Der er nogle mikroovn plasmabrændere men de fleste af dem har ulemper: De har kun meget små mængder plasmaferese, brug for yderligere sprængkapsler, behøver køling af plasma reaktor eller kan kun betjenes i pulserende tilstand 10-18. Mikrobølge plasmabrænder præsenteres i denne film tilbyder en antændelse af plasmaet udelukkende den medfølgende mikrobølgeeffekt uden yderligere tændere samt en stabil og kontinuerlig drift uden køling af plasma reaktor til en bred vifte af driftsparametre og kan bruges for alle de ovennævnte applikationer. Mikrobølgeovnen plasmabrænder er baseret på en kombination af to resonatorer: en koaksial en og en cylindrisk. Den cylindriske resonator har en lav kvalitet og er DRIFTed i den kendte E 010 -mode med den højeste elektriske felt i midten. Den koaksiale resonator er placeret under den cylindriske resonator og består af en bevægelig metallisk dyse i kombination med en tangential gasforsyning. Den høje kvalitet af den koaksiale resonator udviser en meget snæver, men dyb resonans kurve. På grund af den høje kvalitet af den koaksiale resonator en høj elektrisk felt kan nås, som er nødvendig for tænding af plasmaet. Imidlertid er den høje kvalitet af den koaksiale resonator forbundet med en meget smal resonans kurve og derfor resonansfrekvensen har passer perfekt til frekvensen af ​​den tilførte mikrobølgeovn. Da resonansfrekvensen skift efter antændelse af plasmaet på grund af permittivitet af plasmaet, kan mikrobølgeovnen ikke længere trænge ind i koaksiale resonator. For kontinuerlig drift af plasmaet er behov for cylindrisk resonator med en lav kvalitet og en bred resonans kurve.

En yderligere aksial gasforsyning via metalliske dyse af koaksial resonator er mulig. Plasmaet antændes og indesluttet i en mikrobølgeovn-gennemsigtigt rør, for eksempel et kvartsrør. Permittiviteten af ​​kvartsrøret påvirker også resonansfrekvensen. Da kvarts har en permittivitet> 1, mængden af ​​det cylindriske resonator er næsten forstørret hvilket fører til en lavere resonansfrekvens. Dette fænomen skal overvejes, når dimensionerne af de cylindriske resonator er udformet. En detaljeret diskussion om, hvordan resonansfrekvens er påvirket af det indsatte kvartsrøret kan findes i reference 23. Hvis der anvendes en lang og udvidet kvartsrør, kan det også fungere som reaktionskammeret for volumen processer. Men for overfladebehandlinger plasmaet kan også være udformet forskelligt af forskellige slags åbninger. Mikrobølgeovnen tilføres via en rektangulær bølgeleder fra magnetronen. For at undgå støjgener anvendelse af en lav ripple magnetron er anbefasluttede. Den magnetron som anvendes i filmen er en lav ripple én.

For antændelse af plasmaet den høje kvalitet koaksial resonator bruges, mens en stabil og kontinuerlig drift er leveret af den cylindriske resonator. For at opnå antændelse af plasmaet med den høje kvalitet koaksial resonator resonansfrekvens denne resonator har passer perfekt frekvensen af ​​mikrobølgeovnen, som den anvendte magnetron. Eftersom alle magnetroner ikke afgiver deres mikrobølgefrekvens på nøjagtigt den nominelle frekvens, og da frekvensen er afhængig af udgangseffekten, magnetronen skal måles med en spektrumanalysator. Resonansfrekvensen af ​​den koaksiale resonator kan justeres ved at bevæge det metalliske dysen op og ned. Kan måles Denne resonansfrekvens og dermed også tilpasset til at sende frekvens af det anvendte magnetron med et netværk analysatoren. For at nå det høje elektriske felt på spidsen af ​​dysen, der kræves for tændingenaf plasma, er der behov for en tre stub tuner ud. Denne tre stub tuner er et almindeligt anvendt mikrobølge komponent. De tre stub tuner er monteret mellem mikrobølge plasmabrænderen og magnetronen. Efter resonansfrekvens koaksial resonator justeres, er den fremadgående effekt maksimeres, og den reflekterede effekt minimeres ved iterativt at justere stubs af de tre stub tuner.

Efter at have justeret resonansfrekvens koaksial resonator samt have maksimeret forward beføjelser ved hjælp af de tre stub tuner kan plasmaet af mikrobølge plasmabrænderen antændes, når mikrobølgeovnen plasmabrænderen er forbundet med en magnetron. Til antændelse af plasmaet en mikrobølgeeffekt på ca. 0,3 til 1 kW minimum er tilstrækkelig. Plasmaet antænder i koaksial resonator. Efter antændelse af plasmaet resonansfrekvens koaksialresonatoren forskydes på grund af den dielektriske permittivitet af plasmaet og mikrobølgeovnen kan ikkelængere trænge ind i koaksiale resonator. Således plasma skifter fra den koaksiale tilstand i dens meget mere udvidet cylindrisk tilstand brændende frit stående over metallisk dyse i centrum af den cylindriske resonator. Da kvaliteten af ​​den cylindriske tilstand er meget lav, og derfor udviser en bred resonans kurve kan mikrobølgeovnen stadig trænge ind i den cylindriske resonator trods af forskydning af resonansfrekvensen på grund af den dielektriske permittivitet af plasmaet. Således er en kontinuerlig og stabil drift af plasmaet i den cylindriske tilstand fra mikrobølgeovnen plasmabrænderen. Men for at nå frem til en fuldstændig absorption af den medfølgende mikrobølgeeffekt, de stubbe i tre stub tuner skal justeres. Ellers tilføres mikrobølgeeffekt er ikke fuldstændig absorberet af plasma, men en vis procentdel af billede mikrobølge reflekteres og absorberes af vand belastning.

For at undersøge antændelse af plasmaet i koaksialmode og derefter sin overgang til den udvidede cylindriske tilstand er plasma tænding observeret af en høj hastighed kamera.

De præsenterede filmen vil vise, hvordan frekvensen afhængighed af magnetronen måles, er resonansfrekvens koaksial resonator justeret, hvordan fremdrift er maksimeret, og hvordan plasmaet antændes af den medfølgende mikrobølgeeffekt. Den høje hastighed kamera optagelse vises også.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1. Måling af magnetronen

Bemærk: den skematiske af forsøgsopstillingen til måling magnetronen er afbildet i figur 1A.

  1. Slut magnetron til en isolator, der består af en cirkulationspumpe og en vand belastning med 10 skruer.
  2. Slut isolator til en retningsbestemt kobler med 10 skruer.
  3. Slut direktionel kobler til en anden vand belastning med 10 skruer.
  4. Levering af vand belastninger med vand.
  5. Kalibrer spektrum analysator med kalibrering funktion i henhold til producentens protokol.
  6. Tilslut en 20 dB dæmperen til spektrum analysator ved at sætte 20 dB dæmperen til spektrum analysator.
    Bemærk: 20 dB attenuator bruges til at beskytte spektrum analysator fra for høje beføjelser over 1 W.
  7. Tilslut 20 dB dæmperen udstyret spektrum analysator til enden af ​​koaksialkablet udstyret med en BNC-stik ved at sætte coaksial kabel i 20 dB dæmperen.
  8. Tilslut enden af ​​koaksialkabel udstyret med et N-stikket til retningsbestemt kobling ved at sætte koaksialkablet til retningsbestemt kabel.
  9. Tænd magnetron via strømforsyningen og spektret af den udsendte mikrobølge vises på spektrumanalysator.
  10. Om nødvendigt justeres den viste abscissen, koordinere og deres opløsning i henhold til vejledningen til spektrum analysator.
  11. For at måle frekvensen af ​​outputtet mikrobølge i afhængighed af mikrobølgeeffekt, øge mikrobølgeeffekt fra 10% til et maksimum af udgangseffekten i 5% til 10% trin og for hvert trin at bestemme frekvensen af ​​den maksimale amplitude af spektret vises af spektrum analysator.
    Bemærk: Normalt frekvensspektret af en magnetron under 10% af sin maksimale udgangseffekt er meget bredt, udviser mange forskellige toppe og er derfor ikke brugbar.

2. Justering afresonansfrekvensen

Bemærk: den skematiske af forsøgsopstillingen til måling og justering af resonansfrekvensen er afbildet i figur 2A.

  1. Kalibrer netværk analysator med kittet kalibrering for S11 drift (ifølge producentens protokol).
  2. Slut koaksialkabel via N-stikket til koaksial del af en koaksial-til-rektangulær-wave guide overgang ved at sætte koaksialkabel til den koaksiale-til-wave-guide-overgang.
  3. Tilslut den rektangulære del af coaxial-til-rektangulær-wave guide overgang til en tre stub tuner med 10 skruer.
  4. Tilslut tre stub tuner til mikrobølgeovnen plasmabrænderen forsamling med 10 skruer.
  5. I netværket menu analysator skifte til S11 operation.
  6. I netværket menu analysatoren skifte til VSWR tilstand eller til at logge tilstand.
  7. Iterativt justere resonansfrekvensen af ​​mikrobølge plasmabrænderen samling til den målte frequeNCY af magnetronen ved en udgangseffekt på 25% - 60% af den maksimale udgangseffekt ved at flytte dysen op og ned. Den resonansfrekvens mikrobølgeplasma brænderkonstruktionen er givet ved dip S11 parameter måling af som vist i figur 2B. Juster denne dip ved at flytte dysen op og ned til den anbefalede frekvens.
  8. Når resonansfrekvensen indstilles, låse positionen af ​​dysen med låsemøtrikken.
  9. Forøg fremad mikrobølgeeffekt iterativt ved at justere de tre stubbe af tre stub tuner ved at flytte stubs op og ned. Den mikrobølgeeffekt absorberes af mikrobølge plasmabrænder samling er givet ved dybden af ​​dip af S11 parameter. Således maksimere denne dukkert ved at justere stubbe af de tre stub tuner. Sædvanligvis er det tilstrækkeligt, at to af de tre stubs anvendes.

3. Tænding af Plasma

  1. Bær UV-beskyttelse briller da plasmaet udsender UV Radiation. Betjen plasmabrænderen under lokal gas ventilation, da plasma producerer nitrid oxider.
  2. Tilslut mikrobølgeovn plasmabrænder forsamling med den justerede koaksial resonator (dyse er låst), og den justerede tre stub tuner til magnetronen er udstyret med en isolator, der består af en cirkulationspumpe tilsluttet en vand belastning.
  3. Tilslut gasforsyningen til mikrobølgeovnen plasmabrænderen.
  4. Tænd for gasforsyningen til 5 til 20 SLM.
  5. Da mikrobølgestråling i højere doser er skadeligt især for øjnene, kontrollere, at der er ingen mikroovn lækager.
    1. For at gøre dette, tænd mikrobølgeovnen på en meget lav effekt på 10% til 12%, og find ud af alle mikrobølge forbindelser med en mikrobølgeovn meter for lækager.
    2. Hvis der er nogen lækager fjerne dem helt, før at øge mikrobølgeeffekt eller betjener mikrobølge plasmabrænderen.
  6. Hvis der ikke er utætheder tænde mikrobølge startende med lave beføjelser 10% og øge microwave magt langsomt inden for 10 til 60 sek, indtil plasmaet antændes i kvartsrøret af mikrobølge plasmabrænderen.
  7. Observere omhyggeligt, om og hvor plasma antænder men vær forsigtig med evt udstrålede mikrobølger. Brug helst et spejl til observation af plasma tænding.
  8. Hvis der ikke plasma antændes, sluk mikrobølgeeffekt og nøje kontrollere, om mikrobølgeeffekt er korrekt koblet til den koaksiale resonator og ikke misforstået til andre komponenter opvarme dem op eller endda skade dem. Kontroller, om nogle komponenter er at blive varmet op.
    1. Hvis nogen komponent bliver varmet op - dvs. mikrobølgeeffekt er forkert - flytte alle stubs af tre stub tuner ud af bølgelederen og justere dem til at maksimere mikrobølgeovn kobling i plasmabrænderen samling som beskrevet i trin 2.9. Start derefter igen med trin 3.1.
    2. Juster resonansfrekvens koaksial resonator af plasmabrænderen til afsendelse frekvensen af ​​magnetron på et højt nok mikrobølge udgangseffekt på 25% til 60% af den maksimale udgangseffekt med nettet analysator som beskrevet i trin 2. For at forbedre tændingen justere resonansfrekvensen af ​​den koaksiale resonator som beskrevet i trin 2 til en højere udgangseffekt. Start derefter igen med trin 3.1.
  9. Hvis plasma antænder et sted i plasmabrænderen og ikke automatisk skifter til den koaksiale eller cylindrisk tilstand, varierer den medfølgende mikrobølgeeffekt og gasstrømmen, indtil det brænder i den cylindriske tilstand.
  10. Når plasmaet brænder i den cylindriske tilstand iterativt justere stubs af de tre stub tuner ved at bevæge dem op og ned, således at alle de medfølgende mikrobølgeeffekt absorberes af plasmaet og den reflekterede mikrobølgeeffekt bliver nul.
    Bemærk: Hvis en mikrobølgeovn diode er forbundet til vandet belastning og til den tilsvarende indgang på styreenheden, er den reflekterede mikrobølgeeffekt vises styreenhed mikrobølge strømforsyning.Hvordan dette er beskrevet i vejledningen til mikrobølgeovnen strømforsyning.
  11. Når der anvendes højere mikroovn beføjelser 1,5 kW og lave gasstrømme på under 15 slm, kontrollere omhyggeligt, at plasma ikke rører væggene af kvarts rør. Det kvarts rør må ikke glød nogen steder.
  12. Hvis kvarts rør lyser rødt, mindske mikrobølgeeffekt eller øge gasstrømmen, indtil den forsvinder helt.
  13. Da mikrobølger kan udstråles af plasmaet på grund af ledningsevne af plasmaet, check med en mikrobølgeovn meter at den udstrålede mikrobølgeeffekt ligger under grænsen.
  14. Hvis den udstrålede mikrobølgeeffekt er over tærsklen, skjold plasma med et metalnet, hvor maskestørrelsen er meget mindre end halvdelen af ​​den anvendte mikrobølgeovn bølgelængde.

4. High-speed kamera film af Plasma Ignition

Bemærk: Da antændelse af plasmaet og overgangen til den cylindriske tilstand er i områdetnogle hundrede millisekunder, kan denne proces bedst undersøges ved hjælp af en høj hastighed kameraet. Det er imidlertid ikke nødvendigt at observere tændingen processen ved hjælp af et high speed kamera hver gang plasmaet antændes.

  1. Placer linse højhastigheds kamera foran mikrobølgeovnen plasmabrænderen kigge gennem diagnostiske slids på forsiden af ​​plasmabrænderen.
  2. Juster indtil kameraet peger i den koaksiale resonator på spidsen af ​​det metalliske dysen.
  3. Fokus kameraet på spidsen af ​​den metalliske dysen.
  4. Start optagelsen med 1.000 fps (frames per sekund) i den høje hastighed kamera.
  5. Ignite plasmaet som beskrevet i afsnit 3.

5. stabil og vedvarende Plasma Operation

Bemærk: Når plasmaet er antændt i den cylindriske tilstand, og tre stub tuner er blevet justeret for at maksimere absorptionen af ​​mikrobølgeeffekt ved plasma en stabil og forterlig drift af plasmabrænderen er mulig.

  1. Juster dimension - den radiale og aksiale udvidelse - af plasmaet til den ønskede dimension ved at variere den medfølgende mikrobølgeeffekt mellem 10% og den maksimale udgangseffekt og gasstrømmen mellem 10 og 70 SLM. Hold radiale dimension er begrænset til diameteren af ​​kvartsrøret. Plasmaet må ikke røre væggen af ​​kvartsrøret hvilket betyder, at kvartsrøret ikke må gløde.
  2. For at forme plasmaet til forskellige former, bruge et kort kvartsrør som kun indeslutter plasmaet inde i den cylindriske resonator og placere en åbning på toppen af ​​plasmabrænderen forsamling.
  3. Hvis det er nødvendigt, fastgør åbningerne med nogle skruer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

For at tilvejebringe en plasma tænding uden yderligere tændere samt en stabil og vedvarende plasma drift høj kvalitet koaksial resonator med en indstillelig resonansfrekvens blev kombineret med en lav kvalitet cylindrisk resonator til en mikrobølgeovn plasmabrænder. Den skematiske denne plasmabrænder er præsenteret i figur 3. Plasmaet er begrænset i en mikrobølgeovn-transparent rør, her et kvartsrør. Dette rør kan virke som et reaktionskammer for volumen plasma processer eller et plasma børste til overfladebehandlinger kan dannes ved en åbning. Den mikrobølgeeffekt er styret via en rektangulær bølgeleder fra magnetronen til mikrobølgeovnen plasmabrænderen. Forskellige typer gasser kan tilføres via enten tangential gasforsyning eller aksialt gennem den metalliske dyse af koaksial resonator. Mikrobølgeovnen plasmabrænder er udstyret med en frontal slids, således at plasmaet inde i brænderen og tændingen kan undersøges nærmere.

indhold "> For at sikre en antændelse af plasmaet udelukkende den medfølgende mikrobølgeeffekt en høj elektrisk felt på ca. 3 til 6 MV / m er nødvendig. For at få en bedre forståelse af det elektriske felt distribution, simuleringer af det elektriske felt distribution samt som Eigenmode analyse med markedsførte simuleringssoftware COMSOL Multiphysics blev gennemført. Modellering og simulering af elektriske felter fordelinger af atmosfærisk tryk mikrobølge plasmabrændere leveret allerede detaljerede indsigter og førte til yderligere udvikling og forbedringer af eksempelvis deres tænding eller drift adfærd 19- 22.

Det elektriske felt fordeling af koaksial tilstand samt den fælles cylindriske E 010 tilstand er afbildet i figur 4a og 4b hhv. Den elektriske felt vises i arbitrære enheder, idet det elektriske felt i den koaksiale resonator er mange times højere sammenlignet med det elektriske felt i den cylindriske resonator. Det kan ses, at en høj elektrisk felt ved dysespidsen er nået med den koaksiale resonator og den højeste elektriske felt af den cylindriske resonator er i centrum af den cylindriske resonator. Resonansfrekvensen af ​​den koaksiale resonator kan varieres ved positionen af ​​det metalliske dysen. Simuleringen resultater for resonansfrekvenser for forskellige dyse positioner for en mikrobølgeovn plasmabrænder med en cylindrisk resonator med en radius på 0,05 m og en højde på 0,048 m er vist i diagrammet i figur 4C. Det kan ses, at resonansfrekvensen af ​​den cylindriske tilstand ikke påvirkes af positionen af ​​det metalliske dysen. Imidlertid resonansfrekvens koaksial tilstand er afhængig af dysen stilling og aftager, når det metalliske dysen bevæges opad ind i den cylindriske resonator.

For at nå den krævede høj elektrisk field i koaksial resonator denne resonans-frekvens-justerbar koaksial resonator udviser en høj kvalitet og en skarp og smal resonans kurve. En skarp og smal resonanskurven kræver imidlertid, at resonansfrekvensen for den koaksiale resonator passer perfekt frekvensen af ​​den medfølgende mikrobølgeovn. Da normalt magnetroner ikke afgiver mikrobølgeovn til deres nominelle frekvens, og da frekvensen af ​​mikrobølgeovnen er afhængig af udgangseffekten fra mikrobølgeovnen, hyppigheden afhængighed af magnetronen skal måles ved hjælp af en retningsbestemt kobler og en spektrumanalysator. Den eksperimentelle opsætning til at måle frekvensen afhængighed af magnetronen med en spektrumanalysator er skematisk angivet i figur 1a. Den målte frekvens afhængighed af det udnyttede magnetron er vist i diagrammet i figur 1B. Centret frekvens var sat til 2,45 GHz og videoen båndbredde var 200 MHz. Det kan ses, at ved en effekt på 200 W (10% afden maksimale udgangseffekt magnetronen) hyppigheden af ​​mikrobølgeovnen er 2,44638 GHz og øger når mikrobølgeeffekt øges. Ved den maksimale udgangseffekt på 2 kW mikrobølgeovnen frekvens når en værdi på 2,45213 GHz.

Den resonansfrekvens mikrobølgeovn plasmabrænderen kan måles med et netværk analysator og da dysen er bevægeligt resonansfrekvens koaksial resonator kan justeres. For at gøre dette, mikrobølge plasmabrænderen samling skal forbindes til et netværk analysator via en rektangulær-til-koaksial bølgeleder overgang som vist skematisk i figur 2A. Ved at måle S11 parameter for mikrobølgeplasma brænderkonstruktionen resonansfrekvensen kan bestemmes. Den S11 parameter repræsenterer forholdet mellem den indgående strøm til den reflekterede effekt i afhængighed af frekvensen. Når en resonans er nået, et elektrisk felt etablerer i resonator struktur fører til en reduceret reflected mikrobølgeeffekt. Imidlertid feltstyrken inde i hulrummet er direkte relateret til den faste bølge amplitude af mikrobølgeovn billede af netværket analysatoren. En dip vises i S11-spektrum, der svarer til resonansfrekvensen. En typisk måling af S11 parameter er afbildet i figur 2B. Her en resonans observeres ved en frekvens på 2.846 GHz. Ved at bevæge det metalliske dysen op og ned, kan resonansfrekvensen for den koaksiale resonator varieres som afbildet i figur 4C simuleringer viste. Denne afhængighed af resonansfrekvensen af ​​den koaksiale resonator på metallisk dyse position kan måles ved hjælp af S11 parameter. En måling af resonansfrekvensen i afhængighed af dysens position og dertilhørende simulation resultater præsenteres i diagrammet i figur 2C. Dette diagram viser, at der er god overensstemmelse mellem resultaterne af simulationen og de målte værdier af RESonance frekvens. Den meget lille forskydning af de to kurver kan forklares ved meget små afvigelser af geometrien eller dimension af den fremstillede dyse i forhold til den, der anvendes til simulationer. For at justere resonansfrekvensen af ​​den koaksiale resonator til frekvensen af ​​den tilførte mikrobølgeovn, metallisk dyse skal iterativt bevæges op og ned, indtil dip i S11 parameter er placeret på den målte mikrobølgefrekvens. Derefter metallisk dyse skal låses, og fremdrift kan maksimeres ved iterativt at justere stubs af de tre stub tuner, så at S11 parameter dip når sin maksimale dybde. Den høje kvalitet af resonator og maksimeret frem magt føre til færre mikroovn refleksioner og en høj elektrisk felt er etableret i resonator hvilket er grunden til en dyb dukkert i S11 parameter resultater.

Efter mikrobølgeovn plasmabrænder er monteret til magnetronen og gasforsyningen er tilsluttet, plasmen fakkel kan antændes og drives. Tændingen af ​​plasmaet kan undersøges bedst ved at observere tændingen med en høj hastighed kameraet. Tændingen af ​​plasmaet er optaget ved 1000 fps. De præsenterede plasma tænding blev udført ved en mikrobølgeovn på 1 kW og en medfølgende gas flow på 15 slm luft. Billeder af hver fase af tændingen er opsummeret i figur 5. Billedet i figur 5A viser set ovenfra, ser ned på dysen i en vinkel gennem diagnostiske slids foran uanvendelige plasmabrænderen. Bunden af ​​den cylindriske resonator er i fronten. I midten plan kan man se begyndelsen af ​​koaksial resonator. Spidsen af ​​dysen kan også ses. Bunden af ​​den cylindriske resonator er beliggende i baggrunden igen. Da fokus er på dysespidsen, bunden af ​​den cylindriske resonator er noget sløret. De andre billeder viser faserne i plasma antændelse. Når mikrobølgeeffekt er tured på ved t = 0 ms plasma antænder sted i koaksial resonator som det kan ses i figur 5B. Derefter, plasma snor i 64 ms op det metalliske dysen til spidsen, og derefter brænder lige ved dysespidsen i koaksial mode som den figur 5C til 5E show. Intensiteten af plasmaet vokser for følgende 692 msek, som det er vist i figur 5F. Derefter, på grund af forskydning af resonansfrekvens forårsaget af brændende plasma i koaksial resonator 1 millisekund senere, plasma begynder at bryde væk fra dysespidsen som vist i figur 5g og 5h. Den komplette pause væk af plasmaet fra dysespidsen nås efter 58 msek som vist i figur 5I. Plasmaet nu brænder frit over metallisk dyse i den cylindriske tilstand. Under den sidste sekund, de tre stub tuner justeres for at maksimere fremad mikrobølgeeffekt. Dette fører til en increase af plasmaet som billedet i figur 5J viser. Imidlertid er plasma stadig brænder frit over dysespidsen uden kontakt til den. På grund af den ringe kvalitet af den cylindriske resonator plasmaet kan betjenes kontinuerligt og stabilt i denne cylindriske resonator tilstand.

Dimensionen af ​​plasmaet, afhænger af den medfølgende mikrobølgeeffekt og gasstrømmen. Billeder af plasma til mikroovn beføjelser 1 og 2 kW og gasstrømme på 10, 30 og 70 SLM er vist i figur 6. Den resonator med sin diagnostiske slids ved sin forreste ligger i den nedre del af billederne. Plasmaet er begrænset i et kvartsrør inden for og over den cylindriske resonator. UV-lys par i kvartsrøret, hvorfor kvartsrøret udviser en blålig lysende. Det kan ses, at dimensionerne - radial og også den aksiale forlængelse - af plasmaet stigning med en stigning i den medfølgende mikrobølgeeffekt mens en stigning of gasstrømmen fører til en mindre plasmaflammen. Men målinger af temperatur gassen og elektron viser de maksimale temperaturer på Tg = 3.600 K og elektron temperatur T e = 5.800 K er uafhængige af de ydre parametre, der leveres mikrobølge magt og gasstrømme samt af plasmavolumen 19. Temperaturerne blev opnået ved hjælp af optiske emission spektroskopi. A 2 Σ + - X 2 Π γ -transition af den frie OH radikaler blev anvendt til bestemmelse af temperaturen af gassen, mens en Boltzmann-plot af atomare ilt linjer blev gennemført for skønnet over elektron temperatur. En detaljeret beskrivelse af, hvordan temperaturerne er blevet målt og de fuldstændige temperatur distributioner kan findes i referencer 23 og 24.

Til behandling af overflader i efterglød af plasmaet, kan plasmaet blive udformet med forskellige former for åbninger. Figur 7 viser fotos af forskelligt formede plasmaer. Layoutet ligner billederne af plasmaet begrænset til en lang kvartsrør: den cylindriske resonator er i bunden af ​​billedet; dets diagnostiske slids belyst af plasma. Forskelligt formede plasmaer kan ses brændende over top-åbning. På billedet i figur 7A den omsluttende kvartsrøret ikke strækker sig uden for resonatoren. Plasmaet kan brænde frit over resonatoren. En udvidet plasma børste kan dannes med så spalteåbning som vist i figur 7B. En plasma nål kan opnås ved anvendelse af en åbning med et hul i midten. Dette er vist i figur 7C. Meget små og glatte Afterglow plasmaer er dannet af åbninger, der har en smal spalte eller nogle små huller arrangeret i en cirkel som fotos i figur 7D og 7E show.

2816fig1.jpg "/>
Figur 1. Måling af magnetron. Den skematiske i (A) viser, hvordan frekvensen afhængighed af en magnetron af mikrobølge udgangseffekt kan måles ved hjælp af en spektrumanalysator. Hyppigheden afhængighed af det anvendte magnetron af udgangseffekten er afbildet i (B). Klik her for at se en større udgave af dette tal.

Figur 2
Figur 2. Måling af resonansfrekvensen. Opsætningen til måling og justering af resonansfrekvensen af mikrobølge plasmabrænderen ved hjælp af et netværk analysator er givet i (A). (B) viser en typisk måling af S11 parameter. Den dukkert i S11parameter afspejler resonansfrekvens mikrobølgeovn plasmabrænderen. Den målte afhængighed af resonansfrekvensen på metalliske dysen stilling og resultaterne af de numeriske simuleringer er sammenfattet i c). Klik her for at se en større udgave af dette tal.

Figur 3
Figur 3. plasmabrænder setup. Skematisk af opsætningen af den atmosfæriske mikrobølge plasmabrænderen. Klik her for at se en større udgave af dette tal.

Figur 4
Figur 4. koaksiale og cylindriske tilstand.Fordelingen af den elektriske feltstyrke er afbildet i (A) og (B). (A) viser fordelingen for koaksial tilstand, mens (B) viser den for den cylindriske tilstand. Diagrammet i (C) viser afhængigheden af resonansfrekvensen af både koaksial og den cylindriske tilstand på positionen af det metalliske dysen i plasmabrænderen. Resonatoren har en diameter på 0,05 m og en højde på 0,0482 m. Klik her for at se en større udgave af dette tal.

Figur 5
Figur 5. antændelse af plasmaet. Billeder af hver fase af antændelse af plasmaet registreres af en højhastigheds kamera på 1.000 bps og en mikrobølgeovn på 1 kW og en gasstrøm på 15slm luft. (A) Set fra oven, ser ned på dysen i en vinkel gennem diagnostiske slids foran uanvendelige plasmabrænderen. (B) Tænding af plasmaet i koaksial resonator. (C) - (E) Afvikling af plasmaet til spidsen af det metalliske dysen indtil det brænder i koaksial tilstand. (F) plasma stiger. (G) - (I) plasma bryder væk fra metalliske dysen og forbrændinger frit over dysespidsen i den cylindriske tilstand. (J) De plasma øges som følge af omlægning af tre stub tuner at maksimere fremdrift. Klik her for at se en større udgave af dette tal.

Figur 6
Klik her for at se en større udgave af dette tal.

Figur 7
Kan dannes Figur 7. Forskellige åbninger. Ved hjælp af forskelligt formede åbninger plasmaet. (A) den omsluttende kvartsrør ikke strækker sig uden for resonatoren og plasmaet kan brænde frit over resonatoren. (B) Plasmaet formes til en børste med en spalteåbning. (C) En plasma nål er dannet af en hul åbning.(D) en meget glat plasma børste kan opnås ved anvendelse af en åbning med en smal spalte og (E) en glat plasma område er dannet af en åbning med nogle små huller, der er anbragt i en cirkel. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

De præsenterede filmen forklarer, hvordan en antændelse af et atmosfærisk tryk mikrobølgeovn plasma uden yderligere tændere kan realiseres, de grundlæggende principper i denne mikrobølgeovn plasmabrænder, dens indstilling, tændingen processen med plasma og dets stabile og vedvarende drift. Som beskrevet i indledningen, der allerede forskellige typer af mikrobølgeovne plasmabrændere, men ingen af ​​dem giver en antændelse af plasmaet uden yderligere tændere samt stabil og vedvarende plasma drift.

For at opnå en antændelse af plasmaet uden yderligere tændere ved atmosfærisk tryk er nødvendig og derfor en resonator med en høj kvalitet, samtidig i en sammenhængende og stabil plasma operation er brug for en lav kvalitet en høj elektrisk felt. Dette kan realiseres ved at kombinere en høj kvalitet koaksial resonator som garanterer antændelse af plasmaet og en lav kvalitet cylindrisk resonator som tilvejebringer en kontinuerlig ogstabil plasma drift.

Hyppigheden af ​​den medfølgende mikrobølge har passer perfekt til resonansfrekvensen af ​​den høje kvalitet koaksial resonator, således at den medfølgende effekt koblet ind i resonanskamret. Derfor frekvensbetingede magnetronen skal velkendt og resonansfrekvensen af ​​den koaksiale resonator skal være justerbar. Den udsendende frekvens magnetronen kan måles med en spektrumanalysator mens kan måles resonansfrekvensen for den koaksiale resonator ved hjælp af et netværk analysator og justeres ved den bevægelige dyse.

For at sikre antændelse af plasmaet udelukkende af medfølgende mikroovn, er det afgørende, at resonansfrekvensen af ​​den koaksiale resonator passer perfekt afsendelse frekvensen af ​​magnetron. , Mikrobølgeovn Endvidere skal kobles helt ind i koaksial resonator af plasmabrænderen samling, som opnås ved at maksimere den fremadgående effekt wed de tre stub tuner. Hvis ikke udføres disse kritiske trin omhyggeligt, er det muligt, at plasma ikke vil antænde eller at mikrobølgeovnen er koblet ind forsøgsopstillingen eller andet sted, hvad der kunne føre til nogle skader af disse dele. Så hvis der ikke observeres nogen antændelse af plasmaet, har disse trin for at kontrollere omhyggeligt igen. Endvidere er det muligt, at plasmaet antændes men ikke skifter til den koaksiale eller cylindrisk tilstand af sig selv. I dette tilfælde kan plasmaet sædvanligvis skiftes først til koaksial tilstand og derefter til den cylindriske tilstand ved at variere gasstrømmen og den medfølgende mikrobølgeeffekt.

For at opnå en mere automatisk tænding og drift af plasmaet automatisk tre stub tuner, som automatisk tilpasser sine stubs til maksimeret fremdrift kan anvendes i stedet for den manuelle én. Således justering af stubbene for antændelse af plasmaet og derefter justering for driften af ​​plasmaet automatisk udføres afdenne tre stub tuner. For at opnå plasma tænding uden yderligere tændrørene og stabil og vedvarende plasma drift præsenteret smarte kombination af de to resonator strukturer og præsenterede teknik til måling af magnetronen med et spektrum analysator og måling og justering af resonansfrekvensen ved hjælp af en netværk analysator er afgørende.

Tændingen af ​​plasmaet blev undersøgt i detaljer med en høj hastighed kameraet. Det viste, at plasmaet antændes i koaksial resonator, vind op til spidsen af ​​dysen brændende i koaksial tilstand, stigninger i intensitet og volumen, bryder væk fra metalliske dysen, øger yderligere og derefter brænder frit over metallisk dyse i cylindrisk tilstand. Efter antændelse af plasmaet og overgangen til den cylindriske tilstand plasmaet kan drives stabilt og kontinuerligt. Dimensionen af ​​plasmaet, afhænger af den medfølgende mikrobølgeeffekt og gasstrømmen og stignings, når den medfølgende mikrobølgeeffekt øges eller gasstrømmen formindskes. Endvidere kan plasma være udformet til at nåle, børster eller glatte efterglød plasmaer ved hjælp åbninger.

Gasstrømmen og mikrobølgeeffekt af det præsenterede mikrobølge plasmabrænderen er begrænset til omkring 100 SLM og nogle kilowatt, som også begrænser omfanget af plasmaet. Da kvartsrøret ikke må beskadiges den radiale diameter af plasmaet er begrænset til den indre diameter af kvartsrøret. Hvis et større plasmavolumen er påkrævet eller store gasstrømme skal behandles, kan plasma kilde være op-skaleret ved hjælp af en lavere mikrobølgefrekvens, for eksempel 915 MHz i stedet for 2,45 GHz. Med 915 MHz mere mikrobølgeeffekt er tilgængelig, hvilket fører til større plasma volumen, der tillader større gasstrømme skal håndteres. Men når højere magter anvendes, er risikoen for skader, især af det metalliske dysen under antændelse af plasmaet eller under drift øges, og derfor another tændmekanisme skal overvejes. Endvidere plasma parametre, som elektron og gastemperatur, er uafhængige af de ydre parametre som gasstrømmen og tilføres mikrobølgeeffekt. Så hvis et atmosfærisk tryk plasma med forskellige plasmaparametre er behov for, en anden kilde skal anvendes eller en, der opfylder de aktuelle behov skal være nyudviklede.

Da præsenteret atmosfæretryk mikrobølgeovn plasmabrænder giver antændelse af plasmaet uden yderligere tændere samt stabil og vedvarende plasma drift plasma kilde er velegnet til mange industrielle anvendelser. Fordelen ved antændelse af plasmaet uden yderligere tændere til industrielle processer, især når en automatisk tre stub tuner bruges, er, at kun mikrobølgeovnen skal være tændt, og processen begynder at løbe sikkert og automatisk. Desuden, hvis der er behov for en diskontinuerlig drift, hvor processen køreri nogen tid efterfulgt af intermittency kan plasma processen genstartes hurtigt, pålideligt og automatisk, og der er ingen nedslidning af en yderligere tændingssystem. Volume processer som kemisk syntese samt overfladebehandling med efterglød plasma kan navngives som anvendelser af mikrobølge plasmabrænderen. Undersøgelser af den vellykkede nedbrydning af røggasser skadelige, især for drivhusgasser såsom perfluorerede forbindelser, der anvendes i den voksende halvlederindustrien, om dissociation af CO 2 til CO og O samt på pyrolyse af metan til hydrogen og carbon har allerede blevet udført. Desuden blev efterglød plasmaer anvendes til behandling af overflader på at øge vedhæftning af lim og maling og til dekontaminering og sterilisering formål. For eksempel kan plasma kilde anvendes til dekontaminering af overfladen af ​​korkpropper til at nedbryde trichloranisol, som forårsager den såkaldte kork afsmag. En anden APPLIKation er en reduktion af bakterier på overflader, ligesom på emballagematerialer eller på fødevarer.

De præsenterede teknik hvordan sende frekvensen af ​​en højfrekvent strømforsyning måles ved hjælp af en spektralanalysator og hvordan resonansfrekvensen for en resonant struktur måles og reguleres ved hjælp af et netværk analysator kan også anvendes til andre højfrekvente plasma kilder . Som et eksempel en lille smule micro mikrobølgeplasma stråle, som er baseret på en λ / 4-resonator kan navngives 25-27.

Endelig vil den præsenterede filmen føre til yderligere udvikling og forbedringer af atmosfærisk tryk og / eller mikroovn plasma kilder.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Hong, Y. C., et al. Microwave plasma torch abatement of NF3 and SF6. Phys. Plasma. 13, 033508 (2006).
  2. Kabouzi, Y., et al. Abatement of perfluorinated compounds using microwave plasmas at atmospheric pressure. J. Appl. Phys. 93, (12), 9483-9496 (2003).
  3. 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).
  4. Hong, Y. C., Uhm, H. S. Abatement of CF4 by atmospheric-pressure microwave torch. Phys. Plasma. 10, (8), 3410-3414 (2003).
  5. Leins, M., et al. Development and Characterisation of a Microwave-heated Atmospheric Plasma Torch. Plasma Process. Polym. 6, 227-232 (2009).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Fridman, A. Plasma Chemistry. Cambridge University Press. New York. (2008).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Moisan, M., Pelletier, J. Microwave Excited Plasmas. Elsevier. New York. (1992).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Baeva, M., Pott, A., Uhlenbusch, J. Modelling of NOx removal by a pulsed microwave discharge. Plasma Sources Sci. Technol. 11, 135-141 (2002).
  15. 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).
  16. Tendero, C., Tixier, C., Tristant, P., Desmaison, J., Leprince, P. h Atmospheric pressure plasmas: A review. Spectorchimica Acta Part B. 61, 2-30 (2006).
  17. 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).
  18. 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).
  19. Baeva, M., et al. Puls microwave discharge at atmospheric pressure for NOx decomposition. Plasma Sources Sci. Technol. 11, 1-9 (2002).
  20. Pott, J. Experimentelle und theoretische Untersuchung gepulster Mikrowellenplasmen zur Abgasreinigung in Gemischen aus Stickstoff, Sauerstoff und Stickstoffmonoxid. Düsseldorf. (2002).
  21. 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).
  22. Nowakowska, H., Jasinski, M., Mizeraczyk, J. Electromagnetic field distributions waveguide-based axial-type microwave plasma source. Eur. Phys. J. D. 1-8 (2009).
  23. 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).
  24. Leins, M. Development and Spectroscopic Investigation of a Microwave Plasma Source for the Decomposition of Waste Gases. Stuttgart. (2010).
  25. Langbein, C. Entwicklung und Optimierung eines mikrowellenbasierten Atmosphärendruck-Mikroplasmas für lokale Oberflächenbehandlungen. Stuttgart. (2008).
  26. Kamm, C. Spektroskopische Untersuchung eines Mikrowellen-Mikroplasma-Brenners. Stuttgart. (2011).
  27. Weinrauch, I. Spektroskopische Charakterisierung eines Mikrowellen-Mikroplasmabrenners für die lokale Oberflächenbehandlung. Stuttgart. (2012).
Sådan Ignite en Atmosfærisk tryk Mikroovn Plasma Torch uden yderligere Tændrørene
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Leins, M., Gaiser, S., Schulz, A., Walker, M., Schumacher, U., Hirth, T. How to Ignite an Atmospheric Pressure Microwave Plasma Torch without Any Additional Igniters. J. Vis. Exp. (98), e52816, doi:10.3791/52816 (2015).More

Leins, M., Gaiser, S., Schulz, A., Walker, M., Schumacher, U., Hirth, T. How to Ignite an Atmospheric Pressure Microwave Plasma Torch without Any Additional Igniters. J. Vis. Exp. (98), e52816, doi:10.3791/52816 (2015).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter