Abstract
Deze film laat zien hoe een atmosferische druk plasma toorts worden ontstoken door de magnetron zonder extra ontstekers. Na ontsteking van het plasma, een stabiele en continue werking van het plasma mogelijk en de plasmatoorts kan worden gebruikt voor vele verschillende toepassingen. Enerzijds kan de hete (3600 K gastemperatuur) plasma worden gebruikt voor chemische processen en anderzijds de koude nagloeien (temperaturen tot bijna kamertemperatuur) kan worden toegepast oppervlakteprocessen. Bijvoorbeeld chemische syntheses interessant volume processen. Hier de microgolf plasma toorts kan worden gebruikt voor de ontleding van afvalgassen die schadelijk zijn en bijdragen aan het broeikaseffect, maar is nodig als etsgassen in groeiende sectoren zoals de halfgeleider tak. Een andere toepassing is de dissociatie van CO2. Overtollige elektrische energie uit hernieuwbare energiebronnen kunnen worden gebruikt om de CO 2 distantiëren om CO en O 2. De CO kan verder zijn proopend voor gasvormige of vloeibare koolwaterstoffen met een hoger waardoor chemische opslag van de energie, synthetische brandstoffen of platform chemische producten voor de chemische industrie. Toepassingen van het nagloeien van de plasmatoorts de behandeling van oppervlakken de hechting van lak, lijm of verf te verhogen en de sterilisatie of decontaminatie van verschillende soorten oppervlakken. De film zal uitleggen hoe het plasma uitsluitend ontsteken door de magnetron zonder extra ontstekers, bijvoorbeeld, elektrische vonken. De microgolf plasma toorts is gebaseerd op een combinatie van twee resonatoren - een coaxiale een die de ontsteking van het plasma en een cilindrische een die een continue en stabiele werking van het plasma garandeert na ontsteking verschaft. Het plasma kan in een lange magnetron transparante buis worden gebruikt voor volume processen of gevormd door openingen voor oppervlaktebehandeling doeleinden.
Introduction
Atmosferische druk magnetron plasmabranders bieden een verscheidenheid van verschillende toepassingen. Enerzijds kunnen zij worden gebruikt voor chemische processen verlopen en anderzijds hun nagloei plasma kunnen worden voor de behandeling van oppervlakken. Als oppervlaktebehandeling verwerkt de behandeling om de hechting van lijm, verf of lak of de ontsmetting of sterilisatie van oppervlakken te vergroten kan worden genoemd. De warme en reactieve plasma zelf kan worden gebruikt voor processen verlopen zoals de afbraak van afvalgassen 1-7. Deze rookgassen schadelijk zijn, dragen bij aan de opwarming van de aarde en kan nauwelijks conventioneel worden afgebroken. Echter, ze nodig zijn in het kweken van industriële sectoren, zoals de halfgeleider tak. Andere toepassingen zijn chemische synthese als de dissociatie van CO2 tot CO en O 2 of CH 4 koolstof en waterstof 8,9. Overtollige elektrische energie uit hernieuwbare energiebronnen kunnen worden gebruikt om de CO distantiëren
Er zijn een aantal magnetron plasmatoortsen maar de meeste van hen hebben nadelen: Ze hebben slechts zeer kleine plasma volumes, behoefte aan extra ontstekers, moet de koeling van de plasma reactor of kan alleen in gepulst 10-18 worden bediend. De microgolf plasma toorts in deze film heeft een ontsteking van het plasma uitsluitend met behulp van de magnetron vermogen zonder extra ontstekers en een stabiele en continue werking zonder koeling van de plasma reactor voor een breed scala van bedrijfsparameters en kan worden gebruikt voor alle hierboven genoemde toepassingen. De microgolf plasma toorts is gebaseerd op een combinatie van twee resonatoren: een coaxiale een en een cilindrische één. De cilindrische resonator heeft een lage kwaliteit en is Operated in de bekende E 010 -mode met de hoogste elektrische veld in het midden. De coaxiale resonator bevindt zich onder de cilindrische resonator en bestaat uit een beweegbare metalen mondstuk in combinatie met een tangentiële gastoevoer. De hoge kwaliteit van de coaxiale resonator vertoont een zeer smalle maar diepe resonantie curve. Vanwege de hoge kwaliteit van de coaxiale resonator een hoog elektrisch veld te bereiken die nodig is voor de ontsteking van het plasma. Echter, de hoge kwaliteit van de coaxiale resonator gekoppeld met een zeer smalle resonantie curve en derhalve de resonantiefrequentie zal perfect overeenkomt met de frequentie van de geleverde magnetron. Aangezien de resonantiefrequentie verschuift na het ontsteken van het plasma vanwege de permittiviteit van het plasma, kan de magnetron niet meer doordringen in de coaxiale resonator. Voor de continue werking van het plasma de cilindrische resonator met een lage kwaliteit en een brede resonantie curve nodig.
Een extra axiale toevoer van gas via het metalen mondstuk van de coaxiale resonator mogelijk. Het plasma wordt ontstoken en opgesloten in een microgolf-transparante buis, bijvoorbeeld een kwartsbuis. De permittiviteit van de kwartsbuis ook invloed op de resonantiefrequentie. Aangezien het kwarts een permittiviteit van> 1, het volume van de cilindrische resonator vrijwel vergroot wat leidt tot een lagere resonantiefrequentie. Dit verschijnsel dient te worden overwogen wanneer de afmetingen van de cilindrische resonator ontworpen. Een gedetailleerde discussie over de resonantiefrequentie wordt beïnvloed door de ingebrachte kwartsbuis te vinden in referentie 23. Als een groot en uitgebreid kwartsbuis wordt gebruikt, kan deze ook als de reactiekamer voor het volume processen. Voor oppervlaktebehandelingen het plasma kan ook anders gevormd door verschillende soorten openingen. De magnetron wordt via een rechthoekige golfgeleider van de magnetron. Om geluidsoverlast te voorkomen dat het gebruik van een kleine rimpel magnetron is recommeindigde. De magnetron die wordt gebruikt in de film een kleine rimpel één.
Voor de ontsteking van het plasma de hoogwaardige coaxiale resonator wordt gebruikt terwijl een stabiele en continue werking wordt verschaft door de cilindrische resonator. Om de ontsteking van het plasma te bereiken door de hoogwaardige coaxiale resonator de resonantiefrequentie van deze resonator perfect overeenkomt met de frequentie van de microgolf door het gebruikte magnetron. Aangezien alle magnetrons niet hun microgolffrequentie uitzenden precies de nominale frequentie en aangezien de frequentie afhankelijk is van het vermogen, de magnetron worden gemeten met een spectrum analyzer. De resonantiefrequentie van de coaxiale resonator kan worden aangepast door op en neer bewegen van de metalen pijp. Deze resonantiefrequentie worden gemeten en daarmee ook aangepast aan de verzending frequentie van het gebruikte magnetron met een netwerkanalysator. Om het hoge elektrische veld komen aan het uiteinde van het mondstuk, die voor de ontstekingvan het plasma, wordt een drie stub tuner moeten naast. Deze drie beginnetje tuner is een veel gebruikte magnetron component. De drie stomp tuner is gemonteerd tussen de magnetron plasma toorts en de magnetron. Nadat de resonantiefrequentie van de coaxiale resonator wordt aangepast, wordt de voorwaartse vermogen gemaximaliseerd en het gereflecteerde vermogen geminimaliseerd door iteratief aanpassen van de stompen van de drie stub tuner.
Nadat de resonantiefrequentie van de coaxiale resonator en hebben gemaximaliseerd voorwaartse krachten via de drie stub tuner heeft ingesteld, kan het plasma van de microgolf plasma toorts ontsteken wanneer de microgolf plasma toorts is verbonden met een magnetron. Voor het ontsteken van het plasma een minimum microgolfvermogen van ongeveer 0,3-1 kW voldoende. Het plasma ontsteekt in de coaxiale resonator. Na de ontsteking van het plasma de resonantiefrequentie van de coaxiale resonator wordt verschoven door de diëlektrische permittiviteit van het plasma en de magnetron kan geenmeer doordringen in de coaxiale resonator. Dus het plasma schakelt van de coaxiale mode in zijn veel uitgebreider cilindrische modus verbranding vrij-staande boven het metalen mondstuk in het midden van de cilindrische resonator. Aangezien de kwaliteit van de cilindrische mode is zeer laag en daarom vertoont een brede resonantie curve kan de magnetron nog doordringen in de cilindrische resonator ondanks de verschuiving van de resonantiefrequentie door de diëlektrische permittiviteit van het plasma. Aldus wordt een continue en stabiele werking van het plasma in de cilindrische mode door de microgolf plasma toorts. Echter, om een volledige absorptie van de geleverde magnetronvermogen te bereiken, de stompjes van de drie beginnetje tuner moeten worden bijgesteld. Anders de geleverde microgolf vermogen niet volledig geabsorbeerd door het plasma, maar een bepaald percentage van de ontvangen microgolf wordt gereflecteerd en geabsorbeerd door de waterbelasting.
Om de ontsteking van het plasma in de coaxiale onderzoekenmodus en dan zijn overgang naar de verlengde cilindrische modus, wordt het plasma ontsteking waargenomen door een high speed camera.
De gepresenteerde film zal laten zien hoe de frequentie afhankelijkheid van de magnetron wordt gemeten, wordt de resonantiefrequentie van de coaxiale resonator aangepast, hoe de voorwaartse kracht wordt gemaximaliseerd en hoe het plasma wordt ontstoken door de meegeleverde magnetronvermogen. De high speed camera opname wordt ook getoond.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Meting van de Magnetron
Opmerking: Het schema van de experimentele opstelling voor het meten van de magnetron is weergegeven in figuur 1A.
- Sluit de magnetron op een isolator die bestaat uit een circulatiepomp en een water-belasting met 10 schroeven.
- Sluit de isolator om een directionele koppeling met 10 schroeven.
- Sluit de directionele koppeling aan een tweede water lading met 10 schroeven.
- Leveren alle water ladingen met water.
- Kalibreren van de spectrum analyzer met zijn calibratie functie volgens het protocol van de fabrikant.
- Sluit een 20 dB verzwakker aan de spectrum analyzer door het inpluggen van de 20 dB verzwakker om het spectrum analyzer.
Opmerking: De 20 dB verzwakker wordt gebruikt om het spectrum analyzer tegen te hoge vermogens boven 1 W. - Sluit de 20 dB verzwakker uitgerust spectrum analyzer aan het einde van de coaxiale kabel met een BNC-connector van de stekker van de coaxiale kabel in de 20 dB verzwakker.
- Sluit het uiteinde van de coaxkabel voorzien van een N-connector aan de directionele koppeling door de stekker van de coaxkabel aan op de directionele kabel.
- Schakel de magnetron via de voeding en het spectrum van de geëmitteerde microgolf wordt weergegeven op de spectrum analyser.
- Pas indien nodig de weergegeven abscis, coördineren en hun resolutie volgens de handleiding van het spectrum analyzer.
- Om de frequentie van de output microgolf afhankelijk van de microgolf vermogen meet, verhogen de microgolf vermogen van 10% tot maximaal uitgangsvermogen van 5% tot 10% stappen en voor elke stap bepalen de frequentie van de maximale amplitude van het spectrum weergegeven door de spectrum analyser.
Opmerking: Meestal het frequentiespectrum van een magnetron dan 10% van zijn maximale uitgangsvermogen is zeer breed, vertoont verschillende pieken en derhalve niet bruikbaar.
2. Aanpassing vande resonantiefrequentie
Opmerking: Het schema van de experimentele opstelling voor het meten en instellen van de resonantiefrequentie is in Figuur 2A.
- Kalibreer het netwerk analyzer met de kalibratie-kit voor S11 operatie (volgens het protocol van de fabrikant).
- Sluit de coaxkabel via de N-connector op de coax deel van een coax-to-rechthoekige-golfgeleider overgang door de stekker van de coaxkabel aan op de coax-to-wave-guide-transitie.
- Sluit het rechthoekige deel van de coax-to-rechthoekige-golfgeleider overgang naar een drie beginnetje tuner met 10 schroeven.
- Sluit de drie beginnetje tuner met de magnetron plasma toorts montage met 10 schroeven.
- In het netwerk analyzer menu schakelaar S11 operatie.
- In het netwerk analyzer menu schakelen naar VSWR modus of naar de modus aanmelden.
- Iteratief de resonantiefrequentie van de microgolf plasma toorts samenstel met het gemeten frequentie van de magnetron bij een uitgangsvermogen van 25% - 60% van het maximale uitgangsvermogen van omhoog en omlaag bewegen van de spuitmond. De resonantie frequentie van de microgolf plasma toorts samenstel wordt gegeven door de helling van de S11 parameter meting zoals in figuur 2B. Stel deze dip door het bewegen van het mondstuk op en neer om de aanbevolen frequentie.
- Wanneer de resonantiefrequentie wordt bijgesteld, vergrendel de positie van het mondstuk met de borgmoer.
- Verhoog de voorwaartse magnetronvermogen iteratief door het aanpassen van de drie stompjes van de drie stomp tuner door op en neer bewegen van de stubs. De microgolf vermogen dat door de microgolf plasma toorts samenstel wordt gegeven door de diepte van de dip van de parameter S11. Zo maximaliseren deze dip door het aanpassen van de stompjes van de drie stomp tuner. Gewoonlijk volstaat het dat twee van de drie stompen gebruikt.
3. Ontsteking van het Plasma
- Draag UV-bescherming bril, omdat de plasma zendt UV radiatie. Bedien de plasma toorts onder plaatselijke gas ventilatie omdat de plasma produceert nitride oxiden.
- Sluit de magnetron plasma toorts assemblage met de aangepaste coaxiale resonator (nozzle wordt vergrendeld) en de aangepaste drie beginnetje tuner met de magnetron uitgerust met een isolator die bestaat uit een circulatiepomp aangesloten op een waterbelasting.
- Sluit de gastoevoer naar de magnetron plasma toorts.
- Zet de gastoevoer naar 5 tot 20 slm.
- Sinds microgolfstraling in hogere doses is schadelijk vooral voor de ogen, te controleren of er geen magnetron lekkages.
- Om dit te doen, zet de magnetron op een zeer laag vermogen van 10% tot 12% en laat U alle magnetron verbindingen met een magnetron meter voor lekkages.
- Als die er zijn lekkages verwijder ze volledig voordat het verhogen van de magnetron macht of het bedienen van de magnetron plasma toorts.
- Als er geen lekkages zet de magnetron te beginnen met lage vermogens van 10% en verhoging van de microwave macht langzaam binnen 10 tot 60 seconden totdat de plasma ontsteekt in de kwartsbuis van de microgolf plasma toorts.
- Zorgvuldig te observeren of en waar het plasma maar ontsteekt wees voorzichtig met mogelijk uitgestraald microgolven. Gebruik bij voorkeur een spiegel voor de observatie van de plasma-ontsteking.
- Als er geen plasma ontsteekt, schakel de magnetron stroom en controleer goed of de magnetron stroom goed is gekoppeld in de coaxiale resonator en niet ondoordacht om andere onderdelen te verwarmen ze naar boven of zelfs nadelige gevolgen voor hen. Controleer of sommige onderdelen worden steeds opgewarmd.
- Als een onderdeel wordt opgewarmd - dat wil zeggen, de magnetron stroom is misleide - bewegen alle stompjes van de drie beginnetje tuner uit de golfgeleider en deze aanpassen aan de magnetron koppeling in het plasma toorts assemblage te maximaliseren, zoals beschreven in stap 2.9. Begin dan weer met stap 3.1.
- Stel de resonantiefrequentie van de coaxiale resonator van de plasmatoorts aan de verzendende frequentie van de magnetron op een voldoende hoog microgolf vermogen van 25% tot 60% van het maximale uitgangsvermogen van de netwerkanalysator zoals beschreven in stap 2. De ontsteking verbeteren, de resonantiefrequentie van de coaxiale resonator passen zoals beschreven in stap 2 een hogere uitgangsvermogen. Begin dan weer met stap 3.1.
- Als de plasma ontbrandt ergens in het plasma toorts en niet automatisch overschakelen naar de coaxiale of cilindrische modus, variëren de meegeleverde magnetron stroom en gas, tot het brandt in de cilindrische modus.
- Wanneer het plasma brandt in de cilindrische mode iteratief stompen van de drie stub tuner aanpassen door ze op en neer, zodat alle geleverde microgolfvermogen wordt geabsorbeerd door het plasma en de gereflecteerde magnetronvermogen nul.
Opmerking: Als zulk een diode is verbonden met de waterbelasting en de overeenkomstige ingang van de besturingseenheid, wordt het gereflecteerde microgolfvermogen weergegeven aan de regeleenheid van de microgolf voeding.Hoe je dit doet is beschreven in de handleiding van de magnetron voeding. - Wanneer hogere magnetron vermogens van 1,5 kW of meer en een lage gasstromen van minder dan 15 slm worden gebruikt, zorgvuldig te controleren dat het plasma niet de muren van de kwartsbuis te raken. De kwartsbuis mag nergens gloeien.
- Als de kwartsbuis rood oplicht, verlaag de magnetron stroom of verhoog de gasstroom tot het volledig verdwijnt.
- Aangezien magnetron kunnen uitgestraald door het plasma door de geleidbaarheid van het plasma op met een magnetron meter die de uitgestraalde microgolfvermogen onder de drempel.
- Wanneer het uitgestraalde microgolf vermogen boven de drempel, schild een plasma met een metaalgaas waarbij de maaswijdte kleiner dan de helft van de gebruikte microgolf golflengte.
4. High-speed camera Movie van de Plasma Ignition
Opmerking: Aangezien de ontsteking van het plasma en de overgang naar het cilindrische modus in het gebied vanenkele honderden milliseconden, kan dit proces het best onderzocht worden met behulp van een high speed camera. Het is echter niet noodzakelijk om het ontstekingsproces observeren door middel van een high speed camera telkens het plasma wordt ontstoken.
- Plaats de lens van de hoge snelheid camera voor de microgolf plasma toorts die door de diagnostische gleuf aan de voorzijde van de plasmatoorts.
- Pas totdat de camera wijst in de coaxiale resonator aan het uiteinde van de metalen pijp.
- Stel scherp op het uiteinde van de metalen pijp.
- Start de opname met 1000 fps (frames per seconde) van de high speed camera.
- Ontsteek de plasma zoals beschreven in paragraaf 3.
5. Stabiele en Continuous Plasma Operation
Opmerking: Als het plasma wordt ontstoken in de cilindrische mode en de drie stub tuner is aangepast aan de absorptie van de microgolf vermogen maximaliseren door het plasma een stabiele en Continnue werking van de plasmatoorts mogelijk.
- Stel de dimensie - de radiale en axiale uitbreiding - van het plasma naar de gewenste afmeting door het variëren van de meegeleverde magnetron vermogen tussen de 10% en de maximale uitgangsvermogen en de gasstroom tussen de 10 en 70 slm. Houd de radiale afmeting beperkt tot de diameter van de kwartsbuis. De plasma dient de wand van de kwartsbuis waardoor de kwartsbuis niet mag gloeien niet aanraken.
- Om het plasma verschillende vormen vorm, gebruik dan een kwartsbuis die alleen beperkt het plasma binnenzijde van de cilindrische resonator en plaats een opening aan de bovenkant van de plasmatoorts samenstel.
- Indien nodig, maak de openingen met een aantal schroeven.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Een plasma ontbranding verschaffen zonder extra ontstekers en een stabiele en continue plasmabedrijf een hoogwaardige coaxiale resonator met een instelbare resonantiefrequentie gecombineerd met een lage kwaliteit cilindrische resonator een magnetron plasmatoorts. Het schema van dit plasma toorts is weergegeven in figuur 3. Het plasma wordt opgesloten in een magnetron-transparante buis, hier een kwartsbuis. Deze buis kan fungeren als een reactiekamer voor volume plasma processen of plasma borstel voor oppervlaktebehandelingen kan worden gevormd door een opening. De microgolf vermogen wordt via een rechthoekige golfgeleider van de magnetron tot de microgolf plasma toorts. Verschillende soorten gassen via ofwel de tangentiale gastoevoer of axiaal door de metalen pijp van de coaxiale resonator geleverd. De microgolf plasma toorts is voorzien van een frontale spleet, waardoor het plasma binnen de toorts en de ontsteking kan worden onderzocht in detail.
content "> Een ontsteking van het plasma waarborgen uitsluitend de geleverde microgolfbronnen een hoog elektrisch veld van ongeveer 3-6 MV / m is vereist. Voor een beter begrip van de elektrische veldverdeling, simulaties van de elektrische veldverdeling ook krijgen als Eigenmode analyse met de commercieel verkrijgbare simulatiesoftware COMSOL Multiphysics werden uitgevoerd. Modellering en simulaties van elektrische veldverdelingen van atmosferische druk magnetron plasmatoortsen mits reeds gedetailleerde inzichten en leidde tot verdere ontwikkelingen en verbeteringen met betrekking tot bijvoorbeeld de ontsteking of de werking gedrag 19- 22.De elektrische veldverdeling van de coaxiale mode en van de gemeenschappelijke cilindrische E 010 modus is in Figuur 4a en 4b, resp. Het elektrische veld wordt in willekeurige eenheden, aangezien het elektrische veld in de coaxiale resonator is veel times hoger dan het elektrische veld in de cilindrische resonator. Te zien is dat een hoog elektrisch veld aan de mondstuktip bereikt met de coaxiale resonator en de hoogste elektrisch veld van de cilindrische resonator is in het midden van de cilindrische resonator. De resonantiefrequentie van de coaxiale resonator kan worden gevarieerd door de positie van de metalen pijp. De simulatieresultaten voor de resonantiefrequenties voor verschillende nozzle posities magnetron plasmatoorts met cilindrische resonator met een straal van 0,05 m en een hoogte van 0,048 m worden in het schema in figuur 4C. Te zien is dat de resonantiefrequentie van de cilindrische mode niet wordt beïnvloed door de positie van de metalen pijp. De resonantiefrequentie van de coaxiale mode is afhankelijk van de spuitdoppen en neemt af wanneer de metalen mondstuk omhoog wordt bewogen in de cilindrische resonator.
Om de vereiste hoge elektrische fi bereikeneld in de coax resonator deze resonantie-frequentie-instelbare coaxiale resonator vertoont een hoge kwaliteit en een scherpe en smalle resonantiecurve. Echter, een scherpe en smalle resonantiekromme vereist dat de resonantiefrequentie van de coaxiale resonator past perfect de frequentie van de geleverde magnetron. Omdat meestal magnetrons niet de magnetron zenden aan nominale frequentie en aangezien de frequentie van de microgolf is afhankelijk van het uitgangsvermogen van de magnetron, de frequentie afhankelijkheid van de magnetron moet worden gemeten door middel van een directionele koppelaar en een spectrum analyzer. De experimentele set-up om de frequentie-afhankelijkheid van de magnetron met een spectrum analyzer te meten is schematisch weergegeven in figuur 1a. De gemeten frequentie afhankelijkheid van het gebruikte magnetron is weergegeven in het schema in figuur 1B. De middenfrequentie is ingesteld op 2.45 GHz en videobandbreedte was 200 MHz. Het blijkt dat bij een vermogen van 200 W (10%het maximale uitgangsvermogen van de magnetron) de frequentie van de microgolf is 2,44638 GHz en sterker wordt wanneer de magnetron wordt verhoogd. Aan het maximale uitgangsvermogen van 2 kW de magnetron frequentie bereikt een waarde van 2,45213 GHz.
De resonantie frequentie van de microgolf plasma toorts kan worden gemeten met een netwerkanalysator en aangezien het mondstuk beweegbaar de resonantiefrequentie van de coaxiale resonator kan worden aangepast. Hiervoor de magnetron plasmatoorts samenstel te worden aangesloten op een netwerkanalysator via een rechthoekig naar coaxiale golfgeleider overgang zoals in het schema in figuur 2A. Door het meten van de parameter S11 van de microgolf plasma toorts samenstel de resonantiefrequentie kan worden bepaald. De parameter S11 geeft de verhouding van de voeding op het gereflecteerde vermogen in afhankelijkheid van de frequentie. Als resonantie wordt bereikt, een elektrisch veld wordt in de resonator die leidt tot een verminderde reflected magnetronvermogen. Echter, de veldsterkte in de holte is direct gerelateerd aan de vaste golf amplitude van de microgolf door het netwerk analyzer. Een dip geplaatst in S11 spectrum dat overeenkomt met de resonantiefrequentie. Een typische meting van de parameter S11 is in Figuur 2B. Hier resonantie wordt waargenomen bij een frequentie van 2,846 GHz. Door omhoog en omlaag bewegen van de metalen pijp, kan de resonantiefrequentie van de coaxiale resonator worden gevarieerd simulaties weergegeven in figuur 4C toonde. Deze afhankelijkheid van de resonantiefrequentie van de coaxiale resonator op de metalen pijp positie kan worden gemeten met behulp van de parameter S11. Een meting van de resonantiefrequentie afhankelijk van de spuitdoppen en behorende simulatieresultaten zijn weergegeven in het diagram in figuur 2C. Dit diagram toont aan dat er een goede overeenkomst tussen de simulatieresultaten en de meetwaarden van de resonance frequentie. De zeer geringe verschuiving van de twee curven worden verklaard door zeer kleine afwijkingen van de geometrie of afmeting van de vervaardigde mondstuk vergeleken met die voor de simulaties. Om de resonantiefrequentie van de coaxiale resonator om de frequentie van de geleverde microgolf passen, de metalen mondstuk iteratief worden op en neer bewogen totdat de dip in de parameter S11 zich op de gemeten microgolffrequentie. Dan heeft het metalen mondstuk te worden vergrendeld en de voorwaartse kracht kan worden gemaximaliseerd door iteratief aanpassen van de stompjes van de drie beginnetje tuner, zodat de S11 parameter dip zijn maximale diepte bereikt. De hoge kwaliteit van de resonator en de maximale voorwaartse kracht leiden tot minder magnetron reflecties en een hoog elektrisch veld wordt opgericht in de resonator en daarom is een diepe duik in de S11 parameter resultaten.
Na de magnetron plasmatoorts samenstel aan de magnetron en de gastoevoer gemonteerd is aangesloten, de plasmaeen fakkel kan worden ontstoken en geëxploiteerd. De ontsteking van het plasma kan het beste worden onderzocht door het observeren van de ontsteking met een hoge snelheid camera. De ontsteking van het plasma werd opgenomen in 1000 fps. De gepresenteerde plasma ontbranding werd uitgevoerd bij een magnetron vermogen van 1 kW en een meegeleverde gasstroom van 15 slm lucht. Beelden van elke fase van de ontsteking zijn in figuur 5. De afbeelding in figuur 5A het aanzicht van boven kijkend op de spuitmond onder een hoek door het diagnostische gleuf aan de voorzijde van de onbruikbare plasmatoorts. De bodem van de cilindrische resonator vooraan. In het midden van het vliegtuig kunt u het begin van de coaxiale resonator zien. De punt van het mondstuk kan ook worden gezien. De bodem van de cilindrische resonator ligt de achtergrond weer. Omdat de focus op de spuitmond, de bodem van de cilindrische resonator enigszins wazig. De andere beelden tonen de fasen van de plasma ontsteking. Als de magnetron stroom is turned Op t = 0 ms, de plasma ontsteekt ergens in de coaxiale resonator zoals te zien in figuur 5B. Dan, tijdens de 64 msec, de plasma belandt het metalen pijpje in de punt en dan brandt rechtdoor bij de nozzle tip in de coax-modus als de figuur 5C tot 5E tonen. De intensiteit van het plasma groeit voor de volgende 692 msec zoals weergegeven in figuur 5F. Vervolgens, door de verschuiving van de resonantiefrequentie door de brandende plasma in de coaxiale resonator 1 msec later, de plasma begint te breken met de mondstukpunt zoals getoond in figuur 5G en 5H. De volledige kopgroep van het plasma uit de nozzle tip bereikt na 58 msec zoals in figuur 5I. Het plasma is nu vrij brandende boven de metalen mondstuk in de cilindrische mode. Tijdens de laatste seconde, wordt de drie beginnetje tuner aangepast aan de voorwaartse magnetronvermogen te maximaliseren. Dit leidt tot een increase van het plasma als het beeld in figuur 5J toont. Echter, wordt het plasma nog steeds brandend vrij boven de nozzle tip met geen contact aan. Vanwege de lage kwaliteit van de cilindrische resonator het plasma continu en stabiel kan in deze cilindrische resonator modus.
De afmeting van het plasma is afhankelijk van de geleverde microgolfvermogen en de gasstroom. Foto's van het plasma voor magnetron vermogens van 1 en 2 kW en gasstromen 10, 30 en 70 slm zijn weergegeven in Figuur 6. De resonator met diagnostische split aan de voorzijde is gelegen in het onderste gedeelte van de foto. Het plasma wordt opgesloten in een kwartsbuis in en boven de cilindrische resonator. UV-licht koppels in de kwartsbuis die reden is de kwartsbuis vertoont een blauwachtige gloeiende. Te zien is dat de afmetingen - radiale en ook de axiale verlenging - van het plasma verhogen met een verhoging van de geleverde microgolfvermogen terwijl een toename of de gasstroom leidt tot een kleinere plasma flame. Echter, metingen van de gastemperatuur en elektronenmicroscopie tonen de maximale temperatuur van Tg = 3600 K en elektronen temperatuur T e = 5800 K zijn onafhankelijk van de buitenste parameters toegevoerd microgolfvermogen en gasstromen, alsmede van het plasmavolume 19. De temperaturen werden verkregen door middel van optische emissie spectroscopie. De A 2 Σ + - X2 Π γ -transition van de vrije OH-radicalen werd gebruikt voor de bepaling van de gastemperatuur terwijl een Boltzmann-plot van atomaire zuurstof lijnen werd gedurende de schatting van de elektronentemperatuur. Een gedetailleerde beschrijving van hoe de temperaturen zijn gemeten en de volledige temperatuursverdeling te vinden in de referenties 23 en 24.
Om oppervlakken in de nagloeiing van het plasma te behandelen, kan het plasma worden gevormd met verschillende openingen. Figuur 7 toont foto's van verschillend gevormde plasma's. De inrichting is vergelijkbaar met de foto van het plasma beperkt tot een lange kwartsbuis: de cilindrische resonator is de onderkant van het beeld; de diagnostische spleet verlicht door het plasma. Anders gevormde plasma blijkt branden boven de bovenste opening. Op de foto van figuur 7A het beperken kwartsbuis niet buiten uitstrekken van de resonator. Het plasma kan vrij boven de resonator verbranden. Een uitgebreide plasma borstel kan worden gevormd met als sleufmondstuk zoals in figuur 7B. Een plasma naald kan worden bereikt door een opening met een gat in het midden. Dit wordt getoond in figuur 7C. Zeer kleine en glad afterglow plasma worden gevormd door openingen die een smalle spleet of een kleine gaatjes in een cirkel als de foto's in figuur 7D en 7E tonen hebben.
2816fig1.jpg "/>
Figuur 1. Meting van de magnetron. Het schema in (A) toont hoe de frequentie afhankelijkheid van een magnetron van de microgolf uitgangsvermogen kan worden gemeten met behulp van een spectrum analyzer. De frequentie afhankelijkheid van de gebruikte magnetron van het uitgangsvermogen is afgebeeld in (B). Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 2. Meting van de resonantiefrequentie. De opstelling voor het meten en regelen van de resonantiefrequentie van de microgolf plasma toorts via een netwerk analysator wordt gegeven in (A). (B) toont een typische meting van de parameter S11. De dip in de S11parameter weerspiegelt de resonantiefrequentie van de microgolf plasma toorts. De gemeten afhankelijkheid van de resonantiefrequentie van de metalen mondstuk positie en de resultaten van de numerieke simulaties zijn samengevat in c). Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 3. Plasma toorts setup. Schema van de opstelling van de atmosferische magnetron plasma toorts. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 4. Coaxiale en cilindrische mode.De verdeling van de elektrische veldsterkte wordt weergegeven in (A) en (B). (A) toont de verdeling van de coaxiale mode while (B) toont één van de cilindrische mode. Het diagram in (C) toont de afhankelijkheid van de resonantiefrequentie van zowel de coaxiale en het cilindrische modus op de positie van de metalen mondstuk in de plasmatoorts. De resonator heeft een diameter van 0,05 m en een hoogte van 0,0482 m. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 5. Ontsteking van het plasma. Beelden van elke fase van de ontsteking van het plasma opgenomen met een hoge snelheid camera op 1000 bps en een magnetron vermogen van 1 kW en een gasstroom van 15slm lucht. (A) Weergave van boven, naar beneden te kijken op het mondstuk in een hoek door de diagnostische gleuf aan de voorzijde van de onbruikbare plasma toorts. (B) Ontsteking van het plasma in de coaxiale resonator. (C) - (E) Vereffening van het plasma aan het uiteinde van de metalen pijp totdat brandt in de coaxiale mode. (F) De plasma toeneemt. (G) - (I) Het plasma breekt met de metalen pijp en brandwonden vrij boven de nozzle tip in de cilindrische mode. (J) De plasma toeneemt als gevolg van de aanpassing van de drie stomp tuner met het vermogen te maximaliseren. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 7. De verschillende openingen. Door verschillend gevormde openingen het plasma worden gevormd. (A) Het beperken kwartsbuis niet buiten de resonator breiden en de plasma vrij boven de resonator verbranden. (B) Het plasma wordt gevormd in een borstel met een sleufmondstuk. (C) Een plasma naald wordt gevormd door een gat opening.(D) een zeer glad plasma borstel kan worden bereikt door het gebruik van een opening met een smalle spleet en (E) een gladde plasma gebied wordt gevormd door een opening met een aantal kleine gaatjes die in een cirkel. Klik hier om een grotere versie van te bekijken dit cijfer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De gepresenteerde film legt uit hoe een ontsteking van een atmosferische druk microgolfplasmasysteem zonder extra ontstekers worden gerealiseerd, de basisprincipes van deze microgolf plasmatoorts, de afstelling, het ontstekingsproces van het plasma en de stabiele en continue werking. Zoals beschreven in de inleiding, er al verschillende microgolf plasmabranders maar geen van deze bieden een ontsteking van het plasma zonder extra ontstekers en stabiel en continue plasmabedrijf.
Een ontsteking van het plasma zonder verdere ontstekers bij atmosferische druk een hoge elektrische veld en vereist derhalve een resonator met een hoge kwaliteit terwijl een continue en stabiele plasmabedrijf een lage kwaliteit nodig. Dit kan worden gerealiseerd door het combineren van een hoogwaardige coaxiale resonator die de ontsteking van het plasma en een lage kwaliteit cilindrische resonator die een continue en verschaft garandeertstabiele plasma-operatie.
De frequentie van de geleverde microgolf moet perfect aan de resonantiefrequentie van de hoogwaardige coaxiale resonator zodat de ontvangen stroom wordt gekoppeld in de resonantiekamer. Daarom is de frequentie-afhankelijkheid van de magnetron moet goed bekend zijn en de resonantiefrequentie van de coaxiale resonator instelbaar zijn. Het versturen frequentie van de magnetron kan worden gemeten met een spectrum analyzer terwijl de resonantiefrequentie van de coaxiale resonator kan worden gemeten met behulp van een netwerkanalysator en aangepast door de beweegbare spuitmond.
Om de ontsteking van het plasma te garanderen uitsluitend door de geleverde magnetron, is het cruciaal dat de resonantiefrequentie van de coaxiale resonator perfect past bij het verzenden van de frequentie van de magnetron. Verder de magnetron moet volledig worden gekoppeld in de coaxiale resonator van de plasmatoorts samenstel die wordt bereikt door het maximaliseren van het voorwaartse vermogen Wet de drie beginnetje tuner. Als deze kritische stappen niet nauwkeurig worden uitgevoerd is het mogelijk dat het plasma niet zal ontsteken of dat de microgolf wordt gekoppeld in de experimentele opstelling iets wat zou kunnen leiden tot beschadiging van deze onderdelen. Dus wanneer geen ontsteking van het plasma wordt waargenomen, deze stappen zorgvuldig opnieuw gecontroleerd. Voorts is het mogelijk dat het plasma ontsteekt, maar gaat niet de coaxiale of cilindrische mode zelf. In dit geval is de plasma gewoonlijk eerst de coaxiale mode en vervolgens kan worden overgeschakeld naar de cilindrische modus door het variëren van de gasstroom en de meegeleverde microgolfvermogen.
Om een meer automatische ontsteking en de werking van het plasma een automatische drie beginnetje tuner die zich automatisch aanpast haar stompjes aan gemaximaliseerd vooruit macht kan worden gebruikt in plaats van de handmatige één te verkrijgen. Dus de aanpassing van de stubs voor de ontsteking van het plasma en daarna de correctie voor de werking van het plasma worden automatisch uitgevoerd doorDeze drie beginnetje tuner. Om plasma ontbranding zonder extra ontstekers en stabiele en continue plasmabedrijf de gepresenteerde slimme combinatie van beide resonator structuren en de gepresenteerde techniek van het meten van de magnetron door een spectrum analyzer en de meting en aanpassing van de resonantiefrequentie door middel van een netwerk analyzer zijn cruciaal.
De ontsteking van het plasma werd in detail onderzocht met een high speed camera. Daarbij bleek dat de plasma ontsteekt de coaxiale resonator, beëindigt aan het uiteinde van het mondstuk branden in de coaxiale mode toename in intensiteit en volume breekt met de metalen pijp, verder verhoogt en vervolgens brandt vrij boven de metalen pijpje erin cilindrische modus. Na de ontsteking van het plasma en de overgang naar het cilindrische modus het plasma stabiel en continu worden bedreven. De afmeting van het plasma is afhankelijk van de geleverde magnetron stroom en gas en de toenames met de meegeleverde microgolf vermogen verhoogd of de gasstroom wordt verminderd. Bovendien kan de plasma naalden, borstels of gladde nagloei plasma worden gevormd door openingen.
De gasstroom en de magnetron vermogen van de gepresenteerde microgolf plasmatoorts beperkt tot ongeveer 100 slm en enkele kilowatt die beperkt ook het volume van het plasma. Omdat de kwartsbuis mogen niet beschadigd de radiale diameter van het plasma is beperkt tot de binnendiameter van de kwartsbuis. Als een groter plasmavolume vereist of grote gasstromen te behandelen, kan de plasmabron worden opgeschaald door een lagere microgolffrequentie, bijvoorbeeld 915 MHz in plaats van 2,45 GHz. Met 915 MHz meer microgolf vermogen beschikbaar is, wat leidt tot grotere hoeveelheden plasma waardoor grotere gasstromen worden behandeld. Echter, wanneer hogere vermogens worden gebruikt, het risico van beschadiging, met name van de metalen mondstuk tijdens de ontsteking van het plasma en tijdens bedrijf verhoogt waardoor another ontstekingsmechanisme moet worden beschouwd. Bovendien is de plasma parameters elektronenstroom en gastemperatuur, onafhankelijk van de buitenste parameters zoals gasstroom en geleverd microgolfvermogen. Dus als een atmosferische druk plasma met verschillende plasma parameters nodig, een andere bron te gebruiken of een die de vereiste behoefte heeft nieuw te ontwikkelen voldoet.
Aangezien de gepresenteerde atmosferische druk microgolf plasma toorts voorziet ontsteking van het plasma zonder extra ontstekers en stabiel en continue plasmabedrijf, de plasmabron is geschikt voor vele industriële toepassingen. Het voordeel van de ontsteking van het plasma zonder extra ontstekers voor industriële processen, vooral wanneer een automatische drie stub tuner wordt gebruikt, is dat alleen de magnetron te worden ingeschakeld en begint het proces betrouwbaar en automatisch uitgevoerd. Bovendien, als een discontinue operatie nodig wanneer het proces wordt uitgevoerdenige tijd gevolgd door intermitterende, kan het plasmaproces snel herstart, betrouwbaar en automatisch en er geen attritie van een extra ontstekingssysteem. Volume processen zoals chemische synthese en oppervlaktebehandelingen het nagloeien plasma kan worden genoemd als toepassingen van de microgolf plasma toorts. Studies over de succesvolle afbraak van afvalgassen schadelijk, vooral voor broeikasgassen zoals geperfluoreerde verbindingen die worden gebruikt in de groeiende halfgeleiderindustrie, de dissociatie van CO 2 CO en O en op de pyrolyse van methaan tot waterstof en koolstof reeds uitgevoerd. Bovendien werden de afterglow plasma gebruikt voor de behandeling van oppervlakken de hechting van verf of lijm en voor ontsmetting en sterilisatie, te verhogen. Bijvoorbeeld kan de plasmabron worden gebruikt voor de reiniging van het oppervlak van kurk om trichloroanisole, die de zogenaamde kurk veroorzaakt breken. Een andere applicatie is de vermindering van de ziektekiemen op oppervlakken, zoals op verpakkingsmateriaal of op levensmiddelen.
De gepresenteerde techniek hoe de verzending frequentie van een hoogfrequente voeding wordt gemeten met behulp van een spectrum analyzer en hoe de resonantiefrequentie van een resonante structuur wordt gemeten en ingesteld met behulp van een netwerkanalysator kan ook worden toegepast op andere hoogfrequent plasma bronnen . Als voorbeeld een klein micro microgolf plasma jet die is gebaseerd op een λ / 4-resonator kan worden genoemd 25-27.
Ten slotte zal de gepresenteerde film leiden tot verdere ontwikkelingen en verbeteringen van de atmosferische druk en / of magnetron plasma bronnen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 2 kW magnetron | Muegge | MH2000S 211BA | |
| 2 kW power supply | Muegge | ML2000D-111TC | |
| insulator - circulator with water load | Muegge | MW1003A-210EC | |
| water load | Muegge | MW1002E-260EC | |
| three stub tuner | Muegge | MW2009A-260ED | |
| orifices | homemade | ||
| microwave plasma torch | homemade | ||
| spectrum analyzer | Agilent | E4402B | |
| network analyzer | Anritsu | MS4662A | |
| calibration kit | Anritsu | model 3753 | |
| directional coupler | homemade | ||
| 20 dB attenuator | Weinschee engineering | 20 dB AA57u8 | |
| coaxial to rectangular wave guide transition | Muegge | MW5002A-260YD | |
| adaptor 7-16 to N connector | Telegärtner | 7-16/N Adaptor | |
| coaxial cable | Rosenberger Hochfrequenztechnik | LU7_070_800 | |
| high speed camera | Photron | fastcam SA5 | |
| lens | Revueflex | makro revuenon 1:3.5/28mm | |
| local gas ventilation | Industrievertrieb Henning | ACD220 | |
| UV protection glasses | uvex | HC-F9178265 | |
| microwave leakage tester | conrad electronic | not available | |
| microwave survey meter | Holaday industries inc. | 81273 |
References
- Hong, Y. C., et al. Microwave plasma torch abatement of NF3 and SF6. Phys. Plasma. 13, 033508 (2006).
- Kabouzi, Y., et al. Abatement of perfluorinated compounds using microwave plasmas at atmospheric pressure. J. Appl. Phys. 93 (12), 9483-9496 (2003).
- Kabouzi, Y., Moisan, M. Pulsed Microwave Discharges Sustained at Atmospheric Pressure: Study of Contraction and Filamentation Phenomena. IEEE Transaction on Plasma Science. 33, 292-293 (2005).
- Hong, Y. C., Uhm, H. S. Abatement of CF4 by atmospheric-pressure microwave torch. Phys. Plasma. 10 (8), 3410-3414 (2003).
- Leins, M., et al. Development and Characterisation of a Microwave-heated Atmospheric Plasma Torch. Plasma Process. Polym. 6, 227-232 (2009).
- Alberts, L., Kaiser, M., Leins, M., Reiser, M. über die Möglichkeit des Abbaus von C-haltigen Abgasen mit atmosphärischen Mikrowellen-Plasmen. Proc. UMTK, VDI-Berichte 2040 P3. , 217-221 (2008).
- Leins, M., et al. Entwicklung und Charakterisierung einer Mikrowellen-Plasmaquelle bei Atmosphärendruck für den Abbau von VOC-haltigen Abgasen. Proc. UMTK, VDI-Berichte 2040 P3. , (2008).
- Fridman, A. Plasma Chemistry. , Cambridge University Press. New York. (2008).
- Azizov, R. I., et al. The nonequilibrium plasma chemical process of decomposition of CO2 in a supersonic SHF discharge. Sov. Phys. Dokl. 28, 567-569 (1983).
- Moisan, M., Zakrzewski, Z., Pantel, R., Leprince, P. A. Waveguide-Based Launcher to Sustain Long Plasma Columns Through the Propagation of an Electromagnetic Surface Wave. IEEE Transaction on Plasma Science. 3, 203-214 (1984).
- Moisan, M., Pelletier, J. Microwave Excited Plasmas. , Elsevier. New York. (1992).
- Moisan, M., Sauvé, G., Zakrzewski, Z., Hubert, J. An atmospheric pressure waveguide fed microwave plasma torch: the TIA design. Plasma. Sources Sci. Technol. 3, 584-592 (1994).
- Jin, Q., Zhu, C., Borer, M. W., Hieftje, G. M. A microwave plasma torch assembly for atomic emission spectrometry. Spectorchim. Acta Part B. 46, 417-430 (1991).
- Baeva, M., Pott, A., Uhlenbusch, J. Modelling of NOx removal by a pulsed microwave discharge. Plasma Sources Sci. Technol. 11, 135-141 (2002).
- Korzec, D., Werner, F., Winter, R., Engemann, J. Scaling of microwave slot antenna (SLAN): a concept for efficient plasma generation. Plasma Sources Sci. Technol. 5, 216-234 (1996).
- Tendero, C., Tixier, C., Tristant, P., Desmaison, J., Leprince, P. h Atmospheric pressure plasmas: A review. Spectorchimica Acta Part B. 61, 2-30 (2006).
- Ehlbeck, J., Ohl, A., Maaß, M., Krohmann, U., Neumann, T. Moving atmospheric microwave plasma for surface and volume treatment. Surface and Coatings Technology. 174-175, 493-497 (2003).
- Pipa, A. V., Andrasch, M., Rackow, K., Ehlbeck, J., Weltmann, K. -D. Observation of microwave volume plasma ignition in ambient air. Plasma Sources Sci. Technol. 21 (3), 035009 (2012).
- Baeva, M., et al. Puls microwave discharge at atmospheric pressure for NOx decomposition. Plasma Sources Sci. Technol. 11, 1-9 (2002).
- Pott, J. Experimentelle und theoretische Untersuchung gepulster Mikrowellenplasmen zur Abgasreinigung in Gemischen aus Stickstoff, Sauerstoff und Stickstoffmonoxid. , Düsseldorf. (2002).
- Rackow, K., et al. Microwave-based characterization of an athmospheric pressure microwave-driven plasma source for surface treatment. Plasma Sources Sci. Technol. 20, 1-9 (2011).
- Nowakowska, H., Jasinski, M., Mizeraczyk, J. Electromagnetic field distributions waveguide-based axial-type microwave plasma source. Eur. Phys. J. D. , 1-8 (2009).
- Leins, M., Walker, M., Schulz, A., Schumacher, U., Stroth, U. Spectroscopic Investigation of a Microwave-Generated Atmospheric Pressure Plasma Torch. Contrib. Plasma Phys. 52 (7), 615-628 (1002).
- Leins, M. Development and Spectroscopic Investigation of a Microwave Plasma Source for the Decomposition of Waste Gases. , Stuttgart. (2010).
- Langbein, C. Entwicklung und Optimierung eines mikrowellenbasierten Atmosphärendruck-Mikroplasmas für lokale Oberflächenbehandlungen. , Stuttgart. (2008).
- Kamm, C. Spektroskopische Untersuchung eines Mikrowellen-Mikroplasma-Brenners. , Stuttgart. (2011).
- Weinrauch, I. Spektroskopische Charakterisierung eines Mikrowellen-Mikroplasmabrenners für die lokale Oberflächenbehandlung. , Stuttgart. (2012).
