Abstract
Этот фильм показывает, как плазма атмосферного давления давление факел может воспламениться от мощности СВЧ без каких-либо дополнительных воспламенителей. После зажигания плазмы, стабильной и непрерывной работы плазме можно и плазменная горелка может быть использована для различных приложений. С одной стороны, горячая (3600 К Температура газа) в плазме могут быть использованы для химических процессов, а с другой стороны холодной послесвечения (температура почти до комнатной температуры) может применяться для поверхностных процессов. Например химический синтез интересные процессы регулировки громкости. Здесь микроволновой плазменной горелки могут быть использованы для разложения отходящих газов, которые вредны и способствуют глобальному потеплению, но которые необходимы как травление газов в растущей отрасли промышленности, как в полупроводниковой отрасли. Другое применение диссоциации СО 2. Избыток электрической энергии из возобновляемых источников энергии может быть использован для диссоциации СО 2 в СО и О 2. СО может быть дополнительно Processed газообразных или жидких высших углеводородов, тем самым обеспечивая химическую хранения энергии, синтетических топлив или химических платформы для химической промышленности. Применение послесвечения плазменной горелки являются обработка поверхностей для увеличения адгезии лака, клея или краски, а также стерилизация или обеззараживание различного рода поверхностей. Фильм будет объяснить, как разжечь плазмы исключительно СВЧ мощности без каких-либо дополнительных воспламенителей, например, электрических искр. СВЧ-плазмотрон на основе комбинации двух резонаторов - коаксиального один, который обеспечивает зажигание плазмы и цилиндрической один, который гарантирует непрерывный и стабильную работу в плазме после зажигания. Плазма может работать в течение длительного микроволновой прозрачной трубки для процессов объем или форму с отверстиями для целей обработки поверхности.
Introduction
Атмосферные микроволновые давление плазмотроны предлагают различные приложения. С одной стороны, они могут быть использованы в процессах химической объема, а с другой стороны, их послесвечения плазмы могут быть применены для лечения поверхностей. Как обработка поверхности обрабатывает обработке для повышения адгезии клея, краски или лака или дезактивации или стерилизации поверхностей назвать нельзя. Сама горячая и реактивной плазмы могут быть использованы для объемных процессов, таких как разложение отработанных газов 1-7. Эти отходящие газы вредны, способствуют глобальному потеплению и вряд ли может быть снижено условно. Тем не менее, они необходимы в растущих промышленных секторов, таких как полупроводникового отрасли. Другие приложения химического синтеза, например диссоциации СО 2 в СО и O 2 или CH 4 в углерод и 8,9 водорода. Избыток электрической энергии из возобновляемых источников энергии может быть использован для диссоциации СО
Есть некоторые плазмотроны СВЧ, но большинство из них имеют свои недостатки: они только имеют очень небольшие объемы плазмы, нужны дополнительные воспламенители, нужно охлаждение плазменного реактора или может работать только в импульсном режиме 10-18. СВЧ-плазмотрон представлены в этом фильме предлагает зажигание плазмы исключительно с указанной мощности СВЧ без каких-либо дополнительных воспламенителей, а также стабильной и непрерывной работы без охлаждения реактора плазмы в широком диапазоне рабочих параметров и может быть использован для всех указанных выше применений. СВЧ-плазмотрон на основе комбинации двух резонаторов: коаксиального один и цилиндрической. Цилиндрический резонатор имеет низкое качество и осуществляющей свою деятельностьред в известной Е 010 -mode с самым высоким электрическим полем в центре. Коаксиальный резонатор находится ниже цилиндрического резонатора и состоит из подвижной металлической насадкой в сочетании с тангенциальной подачи газа. Высокое качество коаксиального резонатора имеет очень узкий, но глубокий резонансной кривой. Благодаря высокому качеству коаксиального резонатора высокое электрическое поле может быть достигнуто, которая требуется для зажигания плазмы. Тем не менее, высокое качество коаксиального резонатора связано с очень узкой резонансной кривой и, следовательно, резонансная частота должна идеально соответствовать частоту подаваемой микроволновой печью. Поскольку резонансная частота смены после зажигания плазмы за счет диэлектрической проницаемости плазмы, СВЧ больше не может проникнуть в коаксиального резонатора. Для непрерывной работы в плазме цилиндрический резонатор с низким качеством и широкой резонансной кривой необходимо.
Дополнительный блок осевого газа с помощью металлической насадки коаксиального резонатора возможно. Плазма воспламеняется и заключен в микроволновой прозрачный трубки, например в кварцевую трубку. Диэлектрическая проницаемость кварцевой трубки также влияет на резонансную частоту. Поскольку кварц имеет диэлектрическую проницаемость> 1, объем цилиндрического резонатора практически увеличенном что приводит к более низкой резонансной частоте. Это явление следует рассматривать, когда размеры цилиндрического резонатора разработаны. Подробное обсуждение о том, как резонансная частота зависит от вставленной кварцевую трубку можно найти в ссылке 23. Если используется длинный и расширенный кварцевую трубку, это может также выступать в качестве реакционной камеры для процессов объема. Тем не менее, для обработки поверхности плазмы также может иметь другую форму путем различного рода отверстий. Микроволновая подается через прямоугольный волновод с магнетроном. Чтобы избежать шумового воздействия Применение низкой пульсации магнетрона рекомзакончилась. Магнетрон, используемый в фильме низкая пульсация один.
Для зажигания плазмы высокого качества Коаксиальный резонатор используется во время стабильной и непрерывной работы обеспечивается цилиндрического резонатора. Для достижения зажигание плазмы высокое качество коаксиального резонатора на резонансную частоту этого резонатора должен идеально соответствовать частоты микроволны, представленной используемого магнетрона. Так как все магнетроны не выделяют их микроволновую частоту в одно и то номинальной частоты и так как частота зависит от выходной мощности, магнетрон должен быть измерен с помощью анализатора спектра. Резонансная частота коаксиального резонатора можно регулировать путем перемещения металлического сопла вверх и вниз. Это резонансная частота может быть измерена и тем самым регулировать в передающей частоты, используемой магнетрона с помощью сетевого анализатора. Чтобы достичь высокой электрическое поле на кончике сопла, необходимое для зажиганияплазмы, три заглушки тюнера необходимо дополнительно. Это три заглушки тюнер обычно используется СВЧ компонент. Три заглушки тюнер устанавливается между горелкой и микроволнового плазменного магнетрона. После резонансная частота коаксиального резонатора регулируют, вперед сила максимальна, и отраженная мощность сведена к минимуму путем итеративного регулировани заглушки в три заглушки тюнера.
После настройки резонансной частоты коаксиального резонатора, а также то, разворачивания вперед полномочия с помощью трех заглушки тюнер, плазменная СВЧ плазмотрона может воспламениться при Микроволновая плазменная горелка подключена к магнетрона. Для зажигания плазмы минимальная мощность микроволн примерно от 0,3 до 1 кВт достаточно. Плазма воспламеняется в коаксиального резонатора. После зажигания плазмы резонансная частота коаксиального резонатора сдвигается из-за диэлектрической проницаемости плазмы и микроволновой печью может небольше проникает в коаксиальный резонатор. Таким образом, в плазме переключается из коаксиального режима в его гораздо более расширенном режиме цилиндрической сжигания свободно нависает над металлическим соплом в центре цилиндрического резонатора. Поскольку качество режиме цилиндрической очень низка и, следовательно, обладает широкой резонансной кривой, микроволновая все еще может проникать в цилиндрического резонатора, несмотря на сдвиг резонансной частоты за счет диэлектрической проницаемости плазмы. Таким образом, непрерывное и стабильное функционирование плазмы в режиме цилиндрической обеспечивается микроволновой плазменной горелки. Однако, чтобы достичь полного поглощения прилагаемого микроволновой власти, огарки трех заглушки тюнера должны быть скорректированы. В противном случае подается СВЧ-мощность, не полностью поглощается в плазме, но некоторый процент предоставленной микроволновой печи отражается и поглощается водной нагрузки.
Чтобы проверить зажигание плазмы в коаксиальнойРежим, а затем ее переход в режим расширенного цилиндрического плазма зажигания наблюдается с помощью высокоскоростной камеры.
Представлены фильмы покажут, как частотная зависимость магнетрона измеряется, резонансная частота коаксиального резонатора регулируется, как прямой мощности максимальна, а как плазма зажигается в комплект поставки мощности СВЧ. Высокая скорость записи камеры показан также.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Измерение магнетронного
Примечание: схема экспериментальной установки для измерения магнетрона показана на рисунке 1А.
- Подключите магнетрон к изолятору, состоящей из циркуляционного насоса и водной нагрузки с 10 винтами.
- Подключите изолятор для направленного ответвителя с 10 винтами.
- Подключите направленный ответвитель на второй водной нагрузки с 10 винтами.
- Поставка всех нагрузок воды с водой.
- Калибровка анализатора спектра с его функцией калибровки в соответствии с протоколом производителя.
- Подключите дБ аттенюатор 20 на анализаторе спектра, подключив дБ аттенюатор 20 на анализатор спектра.
Примечание: дБ аттенюатор 20 используется для защиты анализатора спектра из-за слишком высоких степеней выше 1 Вт - Подключите 20 дБ аттенюатора оборудованная анализатор спектра до конца коаксиального кабеля, оснащенного разъемом BNC, подключив сотрудничествакоаксиальный кабель в дБ аттенюатор 20.
- Подключите конец коаксиального кабеля, оснащенного разъемом N для направленного ответвителя, подключив коаксиальный кабель к направленной кабеля.
- Включите магнетрона через блок питания и спектра излучаемого микроволновой печью отображается на анализаторе спектра.
- Если необходимо, отрегулируйте отображаемое абсцисс, ординат и их разрешение в соответствии с инструкцией анализатора спектра.
- Для измерения частоты выходного СВЧ в зависимости от мощности СВЧ, увеличивают мощность микроволн от 10% до максимума выходной мощности в 5% до 10%, и шаги для каждого шага определить частоту максимальной амплитуды спектра отображается с помощью анализатора спектра.
Примечание: Как правило, спектр частот магнетрона ниже 10% от максимальной выходной мощности очень широк, имеет много различных пиков и, следовательно, не могут быть использованы.
2. РегулировкаРезонансная частота
Примечание: схема экспериментальной установки для измерения и регулировки резонансной частоты изображена на рисунке 2А.
- Калибровка анализатора сети с калибровочного набора для работы S11 (в соответствии с протоколом производителя).
- Подключите коаксиальный кабель через N-разъем к коаксиальному части коаксиального к прямоугольной волны направляющей перехода путем подключения коаксиального кабеля к волновод-перехода коаксиальный к действию.
- Подключите прямоугольную часть направляющего перехода коаксиального к прямоугольной волны на три заглушки тюнера 10 винтов.
- Подключите три заглушки тюнер для СВЧ плазмы сборки горелки с 10 винтами.
- В меню сетевых анализатор переключается на режим S11.
- В меню Network Analyzer переключиться в режим КСВ или режим журнала.
- Итеративно настроить резонансную частоту микроволнового плазменного сборки горелки к измеренной frequeNCY магнетрона при выходной мощности 25% - 60% от максимальной выходной мощности путем перемещения сопла вверх и вниз. Резонансная частота микроволнового плазменного факела сборки задается провала измерения параметров S11, как показано на фиг.2В. Отрегулируйте этот провал, перемещая насадку вверх и вниз с рекомендуемой частотой.
- При резонансная частота регулируется, зафиксировать положение сопла с фиксирующей гайкой.
- Увеличение вперед СВЧ мощности многократно, регулируя три заглушки на три заглушки тюнера перемещением заглушки вверх и вниз. СВЧ-мощность, потребляемая в микроволновой плазменной горелки в сборе задается глубины провала параметра S11. Таким образом, максимизировать этот провал, регулируя заглушки из трех заглушки тюнера. Как правило, достаточно, чтобы два из трех шлейфов используются.
3. зажигания плазмы
- Носите защиту от УФ очки с плазменным, излучает УФ Radiaния. Используйте плазменный факел под газовой вентиляции местного, так как плазма производит оксиды нитрида.
- Подключите СВЧ плазмы в сборе горелки в соответствии с заданной коаксиального резонатора (сопло заблокирована) и скорректированной три заглушки тюнера магнетрона, оснащенного изолятора, состоящей из циркуляционного насоса, подключенного к водной нагрузки.
- Подключите подачу газа в микроволновой плазменной горелки.
- Включите подачу газа от 5 до 20 ПОМ.
- Так СВЧ-излучение в больших дозах вреден, особенно для глаз, убедитесь, что нет никаких микроволновых утечки.
- Чтобы сделать это, включите микроволновой печи при очень малой мощности 10% до 12%, а проверить все микроволновые соединения с микроволновой печью метр за утечек.
- Если есть какие-либо утечки полностью удалить их, прежде чем увеличивать мощность микроволн или эксплуатации микроволновой плазменной горелки.
- Если нет утечки включите микроволновой печью, начиная с малых мощностях 10% и увеличить микрофонrowave питания медленно в течение от 10 до 60 сек, пока плазма не воспламеняется в кварцевой трубке СВЧ плазмотрона.
- Тщательно соблюдайте если и где плазма зажигает, но будьте осторожны, возможно, с излучаемых микроволн. Предпочтительно использовать зеркало для наблюдения за поджига.
- Если плазмы не воспламеняется, выключите мощность микроволн и тщательно проверить, если мощность микроволн правильно подключён в коаксиального резонатора, а не заблуждение других компонентов нагревая их до или даже вредить им. Проверьте, если некоторые компоненты становятся нагревается.
- Если какой-либо компонент нагревается до - то есть, мощность микроволн заблуждение - переместить все заглушки из трех заглушки тюнера из волновода и скорректировать их, чтобы максимизировать микроволновой связи в плазменную сборки горелки, как описано в шаге 2.9. Тогда начните снова с шага 3.1.
- Регулировка резонансную частоту коаксиального резонатора плазмотрона с передающей частоты MAGNetron на высоком достаточно микроволновая мощностью от 25% до 60% от максимальной выходной мощности с сетевым анализатором, как описано в шаге 2. Чтобы улучшить зажигание, регулировать резонансную частоту коаксиального резонатора, как описано в стадии 2, чтобы больше выходная мощность. Тогда начните снова с шага 3.1.
- Если плазма зажигается где-то в плазменной горелки и не будет автоматически переключаться к коаксиальному или цилиндрической режиме, изменять потока подаваемого мощности микроволн и газа до тех пор, пока горит в режиме цилиндрической.
- Когда плазма горит в цилиндрической режиме, многократно корректировать заглушки из трех заглушки тюнера, перемещая их вверх и вниз, так что все входящего в комплект поставки СВЧ мощности поглощается плазмой и отражение СВЧ мощности становится равным нулю.
Примечание: Если микроволновая диода соединен с водной нагрузкой и с соответствующим входом блока управления, отражение СВЧ мощности отображается на блоке управления СВЧ-источника питания.Как это сделать, описано в руководстве по эксплуатации микроволновой питания. - Когда более высокие мощности излучения мощностью 1,5 кВт и более и низкой газовых потоков менее 15 SLM используются, тщательно проверить, плазма не касаться стенок кварцевой трубки. Кварцевая трубка не должна светиться в любом месте.
- Если кварцевая трубка светится красным, уменьшите мощность микроволн или увеличить расход газа до тех пор, пока полностью исчезает.
- С микроволны могут излучаться плазмы за счет проводимости плазмы, проверьте с микроволновой печью метр, что излучаемая мощность микроволн ниже порогового значения.
- Если излучаемой мощности СВЧ выше порога, защитить плазму с металлической сеткой, где размер ячеек много меньше половины используемой длины волны микроволнового.
4. Высокоскоростной кинокамерой плазменного воспламенения
Примечание: С зажигания плазмы и ее перехода в цилиндрической режиме находится в диапазоненесколько сотен миллисекунд, этот процесс может быть наилучшим образом изучены с помощью высокоскоростной камеры. Тем не менее, это не является необходимым, чтобы наблюдать за процессом зажигания посредством высокоскоростной камеры каждый раз, когда плазма зажигается.
- Поместите линзу высокой скорости камеры в передней части микроволновой плазменной горелки, глядя через диагностический щели в передней части плазменного факела.
- Регулировка пока камера не указывает в коаксиального резонатора на кончике металлической насадки.
- Фокус камеры на кончике металлической насадки.
- Начните запись с 1000 FPS (кадров в секунду) высокоскоростной камеры.
- Ignite плазму, как описано в разделе 3.
5. стабильное и бесперебойное плазменным Операция
Примечание: При плазма зажжена в режиме цилиндрической и три заглушки тюнер была скорректирована, чтобы максимально поглощение СВЧ мощности плазмой стабильной и CONTINрывном режиме плазменной горелки возможно.
- Установите размеры - радиальное и осевое удлинение - плазмы до нужного размера достигается изменением поступающего СВЧ-мощности между 10% и максимальной выходной мощности и потока газа между 10 и 70 ПОМ. Хранить радиальный размер ограничивается диаметра кварцевой трубке. Плазма не должна касаться стенки кварцевой трубки, которая означает, что кварцевая трубка не должна светиться.
- Для формирования плазмы в различных формах, использовать короткую кварцевую трубку, которая только ограничивает плазму внутри цилиндрического резонатора и поместить одно отверстие в верхней части сборки плазменной горелки.
- Если необходимо, закрепите отверстия с некоторыми винтами.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Чтобы обеспечить зажигание плазмы без каких-либо дополнительных воспламенителей, а также стабильной и непрерывной работы плазменной высокого качества коаксиальный резонатор с регулируемым резонансной частоты была в сочетании с низким качеством цилиндрического резонатора к микроволновой плазменной горелки. Схема этого плазмотрона представлены на рисунке 3. Плазма удерживается в микроволновую-прозрачную трубку, здесь кварц трубки. Эта трубка может выступать в качестве реакционной камеры для процессов объема плазмы или плазмы щетки для обработки поверхности может быть образована отверстием. Мощность микроволн направляется через прямоугольный волновод с магнетроном в микроволновой плазменной горелки. Различные виды газов может подаваться либо через тангенциальной подачи газа или в осевом направлении через металлической насадки коаксиального резонатора. СВЧ-плазмотрон оснащен фронтальной щели, так что плазма внутри горелки и зажигание может быть исследована более подробно.
Содержание "> Чтобы гарантировать зажигание плазмы исключительно поставляемого СВЧ мощности высокого электрического поля около 3 до 6 МВ / м не требуется. Чтобы получить более полное представление о распределения электрического поля, моделирование распределения электрического поля, а также как собственная мода анализа с коммерчески доступного программного обеспечения для моделирования COMSOL Multiphysics проводились. Моделирование и моделирование распределения электрического поля атмосферного давления факелами микроволновой плазмы, предусмотренных уже детальное представление и привело к дальнейшим разработок и усовершенствований, касающихся, например, их воспламенение или операция поведения 19- 22.Распределения электрического поля в коаксиальном режиме, а также в общем цилиндрической Е 010 режима, изображенного на фиг.4а и 4b соответственно. Электрическое поле отображается в произвольных единицах, поскольку электрическое поле в коаксиальном резонаторе множество TimES выше по сравнению с электрическим полем в цилиндрическом резонаторе. Видно, что высокое электрическое поле на кончике сопла достигается с коаксиального резонатора и высоком электрическом поле цилиндрического резонатора в центре цилиндрического резонатора. Резонансная частота коаксиального резонатора можно варьировать от положения металлической насадки. Результаты моделирования для резонансных частот для разных позиций сопел для микроволновой плазменной горелки с цилиндрического резонатора с радиусом 0,05 м и высотой 0,048 м, показаны на схеме в фиг.4С. Видно, что резонансная частота в режиме цилиндрической не зависит от позиции металлической насадки. Тем не менее, резонансная частота коаксиального режима зависит от позиции сопла и уменьшается, когда металлический сопла перемещается вверх в цилиндрическом резонаторе.
Чтобы достичь требуемого высокого электрического Fiполе в коаксиального резонатора этот резонанс частотно-регулируемые коаксиальный резонатор имеет высокое качество и резкий и узкий резонансной кривой. Тем не менее, острые и узкой резонансной кривой требует, чтобы резонансная частота коаксиального резонатора совпадает идеально частоту подаваемой микроволновой печью. Поскольку, как правило, магнетроны не излучают микроволны по номинальной частоте и поскольку частота микроволновой печи зависит от выходной мощности микроволновой печи, частотная зависимость магнетрона должна быть измерена с помощью направленного ответвителя и анализатора спектра. Экспериментальная установка для измерения частотной зависимости магнетрона с помощью анализатора спектра схематически представлена на рис 1а. Измеряют частотную зависимость используемого магнетрона показана на диаграмме на фиг.1В. Центральная частота была установлена на 2,45 ГГц и полосой пропускания видео было 200 МГц. Видно, что при мощности 200 Вт (10%максимальная выходная мощность магнетрона) частота микроволны на 2,44638 ГГц и возрастает при СВЧ-мощность увеличивается. При максимальной выходной мощностью 2 кВт СВЧ достигает значения 2,45213 ГГц.
Резонансная частота микроволновой плазменной горелки может быть измерена с помощью сетевого анализатора и поскольку насадка выполнена с возможностью перемещения резонансная частота коаксиального резонатора можно регулировать. Чтобы сделать это, микроволновая сборки плазменной горелки должен быть подключен к сети с помощью анализатора прямоугольной к коаксиальном волноводе перехода, как показано на схеме на фиг.2А. Измеряя параметр S11 в микроволновой плазменной горелки в сборе резонансная частота может быть определена. Параметр S11 представляет собой отношение входной мощности к отраженной мощности в зависимости от частоты. Когда резонанс достигается, электрическое поле создает в структуре резонатора приводит к снижению reflected СВЧ-мощности. Тем не менее, напряженность поля внутри полости непосредственно связан с фиксированной амплитуды волны СВЧ, предоставляемые сетью анализатора. DIP появляется в спектре S11, которая соответствует резонансной частоте. Типичный измерение параметра S11 изображен на рисунке 2В. Здесь наблюдается резонанс на частоте 2,846 ГГц. При перемещении металлического сопла вверх и вниз, резонансная частота коаксиального резонатора может изменяться как моделирование, изображенные на фиг.4С показано. Эта зависимость резонансной частоты коаксиального резонатора на положение металлической насадки может быть измерена с помощью параметра S11. Измерение резонансной частоты в зависимости от положения сопла и приходящихся результатов моделирования представлены на диаграмме на фиг.2С. Эта диаграмма показывает, что существует хорошее согласие между результатами моделирования и измеренных значений ВИЭсеяние частота. Очень малое смещение двух кривых можно объяснить очень небольшими отклонениями геометрии или измерения производимого сопла по сравнению с той, которая используется для моделирования. Для регулировки резонансную частоту коаксиального резонатора на частоту подаваемого микроволновой печью, металлические сопла должен быть многократно перемещать вверх и вниз до тех пор, погружением в параметре S11 не находится в измеряемой СВЧ. Тогда металлик сопло должно быть заперта, и вперед сила может быть развернуто посредством итеративного регулирования заглушки из трех заглушки тюнера, так что параметр DIP S11 достигает максимальной глубины. Высокое качество резонатора и максимально прямой мощности приведет к уменьшению количества микроволновых отражений и высокой электрическое поле создается в резонаторе, который является, почему глубокий провал в результатах параметров S11.
После сборки СВЧ-плазмотрон установлен на магнетрон и подачи газа соединен, в плазмуфакел может воспламениться и управляется. Зажигания плазмы может быть исследована лучше всего наблюдать зажигание с высокоскоростным камеры. Зажигания плазмы был записан в 1000 кадров в секунду. Представленный в плазме зажигания проводили при СВЧ-мощности 1 кВт и потоке подаваемого газа 15 ОДС воздуха. Изображения каждой фазы зажигания приведены на рисунке 5. Изображение на рисунке 5А показывает вид сверху, глядя вниз на сопле под углом через диагностический щели в передней части бездействует плазменной горелки. В нижней части цилиндрического резонатора в передней части. В середине плоскости можно увидеть начало коаксиального резонатора. Кончик насадки также можно увидеть. В нижней части цилиндрического резонатора расположен в фоновом режиме еще раз. Поскольку основное внимание на кончике сопла, в нижней части цилиндрического резонатора несколько размытым. Остальные изображения показывают этапы плазменного воспламенения. Когда мощность микроволн включитьред на при Т = 0 мс, плазма воспламен где-то в коаксиального резонатора, как можно видеть на фиг.5В. Затем в течение 64 мс, плазма завершает металлический сопло на его кончике, а затем сгорает прямо на кончике сопла в коаксиальном режиме, что и на фиг 5С показывают 5E. Интенсивность плазмы возрастает по следующим 692 мс, как показано на рисунке 5F. Тогда, из-за сдвига резонансной частоты вследствие сжигания плазмы в коаксиального резонатора 1 мс позже, плазма начинает отрываться от кончика насадки, как показано на рисунке 5G и 5Н. Полный разрыв от плазмы от кончика сопла достигается после 58 мс, как показано на рисунке 5I. Плазма теперь свободно горение выше металлического сопла в режиме цилиндрической. В последнюю секунду, три заглушки тюнер доводят до максимально вперед СВЧ-мощности. Это приводит к Increase плазмы в виде образа в рисунке 5J показывает. Тем не менее, плазма все еще горит, свободно над кончиком сопла без каких-либо контакта с ним. Из-за низкого качества цилиндрического резонатора плазма может работать непрерывно и стабильно в этой цилиндрической моды резонатора.
Размер плазмы зависит от подаваемой мощности СВЧ и газового потока. Фотографии плазмы для СВЧ полномочий 1 и 2 кВт и газовых потоков 10, 30 и 70 ПОМ представлены на рисунке 6. Резонатор с его диагностической щели на его передней находится в нижней части фотографии. Плазма удерживается в кварцевую трубку внутри и над цилиндрического резонатора. УФ-излучение пары в кварцевую трубку, которая является, почему кварцевая трубка имеет голубоватый светящийся. Видно, что размеры - радиальное и осевое также расширение - от увеличения в плазме с увеличением мощности СВЧ, подаваемой в то время как повышениF поток газа приводит к меньшим плазменного факела. Однако измерения температуры газа и электронного показать максимальные температуры Т г = 3600 К и электронной температуры Т е = 5800 К, зависит от внешних параметров, поставляемые мощности СВЧ и газовых потоков, а также объема плазмы 19. Температуры были получены с помощью оптической эмиссионной спектроскопии. 2 Σ + - X 2 Π γ -перехода свободного радикала ОН был использован для определения температуры газа, а Больцмана-график атомных линий кислорода было проведено для оценки температуры электронов. Подробное описание того, как температура была измерена и полные распределения температуры можно найти в ссылках 23 и 24.
Для лечения поверхностей в послесвечения плазмы, плазма может быть сформирована с различными видами отверстий. Рисунок 7 изображает фотографии различной формы плазмы. Схема аналогична фотографий в плазме, удерживаемой на долгое кварцевой трубке: цилиндрическим резонатором на нижней части изображения; его диагностики щели освещенный плазмы. Различной формы плазмы можно видеть горение выше верхнего отверстия. На фото на фиг.7А ограничиваясь кварцевой трубки не распространяется за пределы резонатора. Плазма может свободно записывать над резонатора. Расширен в плазме щетка может быть выполнена с отверстием, как щель, как показано на фиг.7В. Плазма иглы может быть достигнуто с помощью отверстие с отверстием в ее центре. Это показано на рисунке 7С. Очень маленькие и гладкие плазмы послесвечения образуются отверстия, которые имеют узкую щель или несколько небольших отверстий, расположенных по окружности, как на фотографиях на рисунке 7D и 7E-шоу.
2816fig1.jpg "/>
Рисунок 1. Измерение магнетрона. Схематическое в (А) показывает, как частотная зависимость магнетрона СВЧ мощности могут быть измерены с помощью анализатора спектра. Частотная зависимость используется магнетрон выходной мощности изображена на (B). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 2. Измерение резонансной частоты. Установка для измерения и регулирования резонансной частоты СВЧ плазмотрона с помощью сетевого анализатора приведен в (А). (В) показана типичная измерение параметра S11. Провал в S11параметр отражает резонансную частоту микроволновой плазменной горелки. Измеренная зависимость резонансной частоты от положения металлического сопла и результатов численного моделирования приведены в подпункте с). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 3. Настройка плазменной горелки. Схема установки микроволнового плазменного факела атмосферного. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 4. коаксиальный и цилиндрические режим.Распределение электрического поля изображено на (А) и (В). (А) показывает распределение для коаксиального режима, а (В) показывает один для режима цилиндрической. Диаграмма в (С) показана зависимость резонансной частоты как коаксиальный и цилиндрической режиме на положение металлической насадкой в плазменной горелке. Резонатор имеет диаметр 0,05 м и высоту 0,0482 м. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 5. зажигания плазмы. Изображения каждой фазы зажигания плазмы, записанные с помощью высокоскоростной камеры на 1000 кадров в секунду и при СВЧ-мощности 1 кВт и потоке газа 15ОДС воздуха. (А) вид сверху, глядя на сопла под углом через диагностический щели в передней части недоступными плазменной горелки. (В) Зажигание плазмы в коаксиального резонатора. (С) - (Е) обмотки из плазмы до кончика металлической насадкой до тех пор, пока горит в коаксиальном режиме. (F) плазмы вызывает увеличение. (G) - (I), в плазме отрывается от металлической насадкой и ожогов свободно над кончиком сопла в режиме цилиндрической. (J) плазмы увеличивается за счет санации три заглушки тюнера, чтобы максимизировать мощность прямой. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.
Могут быть сформированы Фигура 7. Различные отверстий. Используя отверстий различной формы плазму. () Ограничивая кварцевая трубка не распространяется за пределы резонатора и плазма может свободно записывать над резонатором. (В) в плазме формируют в щетки с разрезом отверстие. (С) в плазме иглы образовано отверстие сопла.(D) очень гладкая кисть плазма может быть достигнуто с помощью отверстия с узкой щелью и (E) ровный участок плазмы, образованной отверстием с небольшими отверстиями, расположенными по кругу. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этот показатель.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Представлены фильмы объясняет, как зажигание атмосферного СВЧ давление плазмы без каких-либо дополнительных воспламенителей могут быть реализованы, основные принципы этой микроволновой плазменной горелки, ее настройки, процесс зажигания плазмы и ее стабильного и непрерывного действия. Как описано во введении, уже есть различные виды микроволновых плазменных горелок, но ни один из них не обеспечивают зажигание плазмы без каких-либо дополнительных воспламенителей, а также стабильной и непрерывной работы плазмы.
Чтобы получить зажигание плазмы без каких-либо дополнительных воспламенителей при атмосферном давлении высокое электрическое поле, необходимо, и поэтому резонатор с высоким качеством, а для непрерывной и устойчивой работы плазменной необходимо низкое качество. Это может быть реализовано путем объединения высококачественный коаксиальный резонатор, который гарантирует зажигание плазмы и низкого качества цилиндрического резонатора, который обеспечивает непрерывное истабильная работа в плазме.
Частота подаваемого микроволновой печью должен идеально соответствовать резонансной частоты высококачественного коаксиального резонатора таким образом, что обеспечивается мощности соединен в резонансной камере. Поэтому зависимость от частоты магнетрона должен быть хорошо известен, и резонансная частота коаксиального резонатора должна быть регулируемой. Передача частота магнетрона может быть измерена с помощью анализатора спектра, а резонансная частота коаксиального резонатора может быть измерена с помощью сетевого анализатора и регулируется подвижным соплом.
Чтобы гарантировать зажигание плазмы исключительно поставляемого микроволновой печью, крайне важно, чтобы резонансная частота коаксиального резонатора идеально соответствует передача частота магнетрона. Кроме того, микроволновый должен быть соединен полностью в коаксиального резонатора сборки плазменной горелки, которая достигается за счет максимального вперед мощность ВтIth три заглушки тюнера. Если эти критические шаги не проводили тщательно, возможно, что плазма не воспламеняется и что микроволновая соединен в экспериментальной установке, что-то может привести к некоторому повреждению этих деталей. Таким образом, если не наблюдается зажигания плазмы, эти шаги должны быть тщательно проверены еще раз. Кроме того, вполне возможно, что плазма воспламен но не перейти к коаксиальному или цилиндрической режиме сама по себе. В этом случае плазма обычно может быть включен первым коаксиального режима, а затем в режиме цилиндрической путем изменения расхода газа и прилагаемый СВЧ мощности.
Для получения более автоматическое зажигание и работу плазме автоматический три заглушки тюнер, который автоматически корректирует свои окурки в развернутом вперед сила может быть использована вместо ручного обновления. Таким образом, регулировка заглушки для зажигания плазмы и впоследствии регулировки для работы плазме автоматически проводитсяЭто три заглушки тюнер. Для достижения зажигания плазмы без каких-либо дополнительных зажигания и стабильной и непрерывной работы плазменного представлены смарт комбинации двух резонаторов структур и представлены методика измерения магнетрона с помощью анализатора спектра и измерения и регулировки резонансной частоты с помощью сетевой анализатор имеют решающее значение.
Зажигания плазмы подробно исследована с высокоскоростным камеры. Это показало, что плазма воспламен в коаксиальном резонаторе, ветры до кончика насадки горения в коаксиальной режиме, увеличение интенсивности и объема, отрывается от металлического сопла, увеличивает дополнительно, а затем горит, свободно над металлическим соплом в цилиндрическая режим. После зажигания плазмы и ее перехода к цилиндрической режиме плазмы может работать стабильно и непрерывно. Размер плазмы зависит от подаваемой мощности СВЧ и потока газа и увеличениюс при подается СВЧ-мощность увеличивается или поток газа уменьшается. Кроме того, плазма может быть сформирована с иглами, щетки или гладких плазме послесвечения с помощью отверстий.
Поток газа и мощности микроволнового излучения представленной микроволновой плазменной горелки ограничены до примерно 100 SLM и некоторые киловатт, который также ограничивает объем плазмы. С кварцевой трубки не должны быть повреждены радиальный диаметр плазмы ограничивается внутренним диаметром кварцевой трубки. Если больший объем плазмы требуется или большие газовые потоки должны быть обработаны, источник плазмы может быть до-масштабируется с помощью более низкую микроволновой частоты, например 915 МГц вместо 2,45 ГГц. С 915 МГц дополнительной мощности СВЧ доступна, что приводит к большим объемам плазмы, которые позволяют большие газовые потоки должны быть обработаны. Однако, когда высшие силы используются, риск повреждения, особенно металлического сопла, при сгорании плазме или во время работы увеличивается и, следовательно, АНОTher механизм зажигания должен быть рассмотрен. Кроме того, параметры плазмы, такие как электрон и температуры газа, не зависят от внешних параметров, таких как поток газа и поставки мощности СВЧ. Таким образом, если в плазме при атмосферном давлении с различными параметрами плазмы необходимо, другой источник должен быть использован один или который отвечает необходимые потребности должен быть вновь разработанные.
Поскольку атмосферное давление представлены СВЧ-плазмотрон обеспечивает зажигание плазмы без каких-либо дополнительных воспламенителей, а также стабильной и непрерывной работы плазмы, источник плазмы подходит для многих промышленных применений. Преимущество зажигания плазмы без каких-либо дополнительных воспламенителей для промышленных процессов, особенно когда используется автоматическая три заглушки тюнер, что только микроволновая печь должен быть включен, и процесс начинает работать надежно и автоматически. Кроме того, если прерывистая работа необходима в процесс работаетв течение некоторого времени с последующей перемежаемостью, процесс плазменного может быть перезапущен быстро, надежно и автоматически, и нет истирание дополнительной системой зажигания. Объем процессы, как химический синтез, а также для обработки поверхностей с плазмой послесвечения можно назвать применения СВЧ плазмотрона. Исследования по успешной деградации вредных отработанных газов, особенно на выбросы парниковых газов, как фторированные соединения, которые используются в растущей полупроводниковой промышленности, по диссоциации СО 2 в СО и О, а также на пиролиза метана в водород и углерод уже были проведены. Кроме того, плазма послесвечения были использованы для лечения поверхностей для увеличения адгезии клея и красок, а также для обеззараживания и стерилизации целей. Например, источник плазмы может быть использован для обеззараживания поверхности корковых пробок деградировать trichloroanisole, что приводит к так называемой пробки инфекцию. Еще приложключает снижение микробов на поверхности, как на упаковочных материалов или продуктов питания.
Представленная методика, как отправка частота источника питания высокой частоты измеряется посредством анализатора спектра и как резонансная частота резонансного структуры измеряется и регулируется с помощью сетевого анализатора также может быть применено к другим источникам высокочастотных плазменных , В качестве примера крошечное микро струи плазмы СВЧ-который основан на λ / 4-резонатора можно назвать 25-27.
Наконец, представлены фильмы приведет к дальнейшему разработок и усовершенствований атмосферного давления и / или источников СВЧ плазмы.
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).
