Waiting
Login processing...

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

Engineering

Hur Ignite ett atmosfärstryck Mikrovågsugn Plasma Torch utan ytterligare Tändstiften

Published: April 16, 2015 doi: 10.3791/52816

Abstract

Denna film visar hur ett atmosfärstryck plasmabrännare kan antändas av mikrovågseffekt utan extra tändare. Efter antändning av plasman, är en stabil och kontinuerlig drift av plasma möjligt och plasmabrännaren kan användas för många olika tillämpningar. Å ena sidan kan den heta (3.600 K gastemperatur) plasma användas för kemiska processer och å andra sidan den kalla glöden (temperaturer ner till nästan RT) kan sökas ytprocesser. Till exempel kemiska synteser är intressanta volymprocesser. Här mikrovågsugnen plasmabrännaren kan användas för nedbrytning av avfall gaser som är skadliga och bidrar till den globala uppvärmningen, men behövs som etsning gaser i växande branscher som halvledarbranschen. En annan tillämpning är dissociationen av CO2. Överskott elektrisk energi från förnybara energikällor kan användas för att dissociera CO2 till CO och O2. CO kan vara ytterligare probearbetas till gasformiga eller flytande högre kolväten därmed ger kemisk lagring av energi, syntetiska bränslen eller plattformskemikalier för den kemiska industrin. Tillämpningar av efterglöden av plasmabrännaren är behandling av ytor för att öka vidhäftningen av lack, lim eller färg, och sterilisering eller dekontaminering av olika typer av ytor. Filmen kommer att förklara hur man tända plasman enbart genom mikrovågseffekt utan extra tändanordningar, t.ex. elektriska gnistor. Mikrovågsugnen plasmabrännare är baserad på en kombination av två resonatorer - en koaxiell en som ger tandningen av plasmat och en cylindrisk en som garanterar en kontinuerlig och stabil drift av plasma efter antändning. Plasman kan drivas i en lång mikrovågstransparent rör för volymprocesser eller formas av öppningar för ytbehandling ändamål.

Introduction

Atmosfärtryck mikrovågsugn plasmabrännare erbjuder en mängd olika applikationer. Å ena sidan kan de användas för kemiska volymprocesser och å andra sidan deras glöden plasma kan användas för behandling av ytor. Som ytbehandling behandlar behandling för att öka vidhäftningen av lim, färg eller lack eller dekontaminering eller sterilisering av ytor kan namnges. Den heta och reaktiva själva plasman kan användas för volym processer såsom nedbrytningen av restgaser 1-7. Dessa avgaser är skadliga, bidrar till den globala uppvärmningen och kan knappast brytas ned konventionellt. Men de behövs i växande branscher såsom halvledarbranschen. Andra tillämpningar är kemisk syntes som dissociationen av CO2 till CO och O 2 eller CH 4 till kol och väte 8,9. Överskott elektrisk energi från förnybara energikällor kan användas för att dissociera CO 2. CO kan bearbetas ytterligare till högre kolväten som kan användas som syntetiska bränslen för transporter, som plattformskemikalier för kemisk industri eller som kemisk lagring.

Det finns några mikrovågsugn plasmabrännare men de flesta av dem har nackdelar: De har bara mycket små plasmavolymer, behöver ytterligare tändare, behöver kylning av reaktorplasma eller kan endast användas i pulsad läge 10-18. Mikrovågsugnen plasmabrännare som presenteras i den här filmen ger en antändning av plasman enbart med den medföljande mikrovågseffekt utan extra tändare samt en stabil och kontinuerlig drift utan kylning av reaktorplasma för ett brett spektrum av driftsparametrar och kan användas för alla de ovan nämnda ansökningarna. Mikrovågsugnen plasmabrännare är baserad på en kombination av två resonatorer: en koaxiell en och en cylindrisk en. Den cylindriska resonatorn har en låg kvalitet och är operated i den välkända E 010 -mode med den högsta elektriska fältet i dess centrum. Den koaxiala resonatorn ligger nedanför den cylindriska resonatorn och består av en rörlig metallmunstycke i kombination med en tangentiell gastillförsel. Den höga kvaliteten hos den koaxiala resonatorn uppvisar en mycket smal men djupt resonanskurva. På grund av den höga kvaliteten hos den koaxiala resonatorn en hög elektrisk fält kan nås som krävs för antändning av plasmat. Men den höga kvaliteten på koaxialresonator förknippad med en mycket smal resonans kurva och därmed resonansfrekvensen måste perfekt matcha frekvensen på den medföljande micro. Eftersom resonansfrekvensskift efter antändning av plasman på grund av permittiviteten hos plasmat, kan mikrovågsugnen inte längre tränga in i koaxialresonator. För den kontinuerliga driften av plasma behövs det cylindriska resonator med en låg kvalitet och en bred resonans kurva.

En ytterligare axiell gasförsörjning via det metall munstycke koaxialresonator är möjlig. Plasman antändes och begränsas i en mikrovågsugn-transparent rör, exempelvis ett kvartsrör. Permittiviteten av kvartsröret påverkar också resonansfrekvensen. Eftersom kvartsen har en permittivitet av> 1, är volymen av den cylindriska resonatorn nästan förstorad vilket leder till en lägre resonansfrekvens. Detta fenomen måste beaktas när dimensionerna på den cylindriska resonatorn är utformade. En detaljerad diskussion om hur resonansfrekvensen påverkas av det införda kvartsröret kan hittas i referens 23. Om en lång och utsträckt kvartsrör används, kan denna också fungera som reaktionskammare för volymprocesser. Men för ytbehandlingar plasmat kan också formas på olika sätt av olika typer av öppningar. Mikrovågsugnen matas via en rektangulär vågledare från magnetronen. För att undvika bullerstörningar användningen av ett lågt rippel magne är recommslutade. Den magnetron som används i filmen är en lågt rippel en.

För antändning av plasmat med hög kvalitet koaxialresonator används medan en stabil och kontinuerlig drift tillhandahålls av den cylindriska resonatorn. För att uppnå antändning av plasma genom den höga kvaliteten koaxialresonator resonansfrekvensen för denna resonator måste perfekt matcha frekvensen av mikrovågsugn från den använda magne. Eftersom alla magnetroner inte avger sin mikrovågsfrekvens vid exakt den nominella frekvensen och eftersom frekvensen är beroende av uteffekten, har magnetronen för att mätas med en spektrumanalysator. Resonansfrekvensen hos den koaxiala resonatorn kan justeras genom att flytta det metalliska munstycket upp och ned. Denna resonansfrekvens kan mätas och därigenom justeras också till den sändande frekvensen hos den använda magnetronen med en nätverksanalysator. För att nå den höga elektriska fältet vid spetsen av munstycket, som erfordras för antändningav plasman, behövs en tre stub tuner dessutom. Detta tre stub tuner är en vanligt förekommande mikrovågsugn komponent. Den tre stub tunern är monterad mellan mikrovågsugn plasmabrännaren och magnetronen. Efter resonansfrekvensen hos den koaxiala resonatorn justeras, är frameffekten maximeras och den reflekterade effekten minimeras genom iterativ justering av stubbar av tre stub tunern.

Efter att ha justerat resonansfrekvensen hos den koaxiala resonatorn samt ha maximframåt krafter med hjälp av det tre stub tunern, kan plasman hos mikrovågsugnen plasmabrännaren antändas när mikrovågsugnen plasmabrännaren är ansluten till en magnetron. För antändning av plasmat en minsta mikrovågseffekt av omkring 0,3 till 1 kW räcker. Plasman antänds i den koaxiala resonatorn. Efter antändning av plasmat resonansfrekvensen hos den koaxiala resonatorn förskjuts på grund av den dielektriska permittiviteten av plasmat och mikrovågssystem kan ingenlängre tränga in i koaxialresonator. Således plasma växlar från koaxialläge till dess mycket mer utsträckt cylindrisk läget brinnande fritt stående ovanför metallmunstycket i mitten av den cylindriska resonator. Eftersom kvaliteten på den cylindriska läget är mycket låg och därför uppvisar en bred resonans kurva kan mikrovågssystem ändå tränga in i den cylindriska resonatorn trots av förskjutningen av resonansfrekvensen på grund av den dielektriska permittiviteten av plasmat. Således är en kontinuerlig och stabil drift av plasmat i den cylindriska läge som erbjuds av mikrovågsugnen plasmabrännaren. Men för att nå en fullständig absorption av den medföljande mikrovågseffekt, de stubbar i tre stubb tunern måste justeras. Annars den medföljande mikrovågseffekt inte helt absorberas av plasma utan några procent av den medföljande mikro reflekteras och absorberas av vattenbelastningen.

För att undersöka antändning av plasmat i den koaxialaläge och sedan dess övergång i den förlängda cylindriska läget, är plasma antändning observeras av en höghastighetskamera.

Den presenterade filmen kommer att visa hur frekvensberoendet magnetronens mätes, är resonansfrekvensen hos den koaxiala resonatorn justeras, hur den sändningseffekt maximeras och hur plasmat antänds av den tillförda mikrovågseffekten. Den höga hastigheten kamerainspelning visas också.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Mätning av Magne

Obs: Schemat för den experimentuppställning för mätning av magnetronen är avbildad i Figur 1A.

  1. Anslut magnetronen till en isolator bestående av en cirkulator och en vattenlast med 10 skruvar.
  2. Anslut isolator till en riktningskopplare med 10 skruvar.
  3. Anslut riktkopplaren till en andra vattenbelastning med 10 skruvar.
  4. Leverera alla vatten laster med vatten.
  5. Kalibrera spektrumanalysator med dess kalibreringsfunktion enligt tillverkarens protokoll.
  6. Anslut en 20 dB dämpare till spektrumanalysator genom att ansluta 20 dB dämparen till spektrumanalysator.
    Obs: 20 dB dämpare används för att skydda spektrumanalysator från alltför höga krafter över 1 W.
  7. Anslut 20 dB dämparen utrustad spektrumanalysator till slutet av koaxialkabeln utrustad med en BNC-kontakt genom att ansluta coaxiell kabeln i 20 dB dämparen.
  8. Anslut änden av koaxialkabeln försedd med en N-kontakt till riktkopplaren genom att ansluta koaxialkabeln till riktad kabel.
  9. Slå på magne via strömförsörjningen och det spektrum av den emitterade mikrovågsugn visas på spektrumanalysator.
  10. Justera vid behov den visade abskissan, samordna och deras upplösning enligt manualen för spektrumanalysator.
  11. För att mäta frekvensen hos utsignalen mikrovågsugn i beroende av mikrovågseffekt, öka mikrovågseffekten från 10% till det maximala av uteffekten i 5% till 10% steg och för varje steg bestämma frekvensen av den maximala amplituden av spektrumet visas av spektrumanalysator.
    Obs: Vanligtvis är frekvensspektrum av en magnetron under 10% av sin maximala uteffekt mycket bred, uppvisar många olika toppar och därför inte är användbar.

2. Justering avresonansfrekvensen

Obs: Schemat för den experimentuppställning för mätning och justering av resonansfrekvensen är avbildad i Figur 2A.

  1. Kalibrera nätverksanalysator med kalibreringssats för S11 drift (enligt tillverkarens protokoll).
  2. Anslut koaxialkabeln via N-kontakten till koaxial del av en koaxial-till-rektangulär-vågledare övergång genom att ansluta koaxialkabeln till den koaxiala-till-vågledare-övergång.
  3. Anslut den rektangulära delen av koaxial-till-rektangulär vågledare övergång till en tre stub tuner med 10 skruvar.
  4. Anslut tre stub tuner till mikrovågsugn plasmabrännare montering med 10 skruvar.
  5. I nätverksanalysator menyn byta till S11 drift.
  6. I nätverksanalysator menyn byta till VSWR läge eller logga läge.
  7. Iterativt justera resonansfrekvensen hos den mikrovågsplasma brännarenheten till den uppmätta frequeNCY av magnetronen vid en utgångseffekt på 25% - 60% av den maximala uteffekten genom att flytta munstycket uppåt och nedåt. Resonansfrekvensen för mikrovågplasma brännarenheten ges av dopp i S11 mätparametern såsom avbildas i figur 2B. Justera denna dip genom att flytta munstycket upp och ner till den rekommenderade frekvensen.
  8. När resonansfrekvensen justeras, låsa positionen av munstycket med låsmuttern.
  9. Öka framåt mikrovågseffekten iterativt genom att justera de tre tapparna i tre stub tunern genom att flytta stubbar upp och ner. Mikrovågseffekten absorberas av mikrovågsugn plasmabrännare montering ges av djupet av dip i S11 parameter. Således maximera denna dopp genom att justera stubbar av de tre stubben tuner. Vanligen är det tillräckligt att två av de tre tapparna används.

3. Tändning av Plasma

  1. Bär UV skyddsglasögon eftersom plasman avger UV Radiation. Styr plasmabrännaren under lokal ventilationsgasen eftersom plasman producerar bornitrid oxider.
  2. Anslut mikrovågsugn plasmabrännare församling med den justerade koaxialresonator (munstycke är låst) och den justerade tre stub tuner till magnetronen utrustad med en isolator som består av en cirkulationspump som är ansluten till en vattenbelastning.
  3. Anslut gastillförseln till mikrovågsugn plasmabrännaren.
  4. Slå på gastillförseln till 5 till 20 slm.
  5. Eftersom mikrovågsstrålning i högre doser är skadligt, särskilt för ögonen, kontrollera att det inte finns några mikrovågsugn läckage.
    1. För att göra det, slå på mikrovågsugn på en mycket låg effekt på 10% till 12% och kolla alla mikrovågsugn anslutningar med en mikrovågsugn mätare för läckage.
    2. Om det finns några läckor ta bort dem helt innan öka mikrovågseffekt eller manövrera mikrovågsugn plasmabrännaren.
  6. Om det inte finns några läckor slå på mikrovågsugn börjar med låga befogenheter 10% och öka microwave makten långsamt inom 10 till 60 sekunder tills plasman antänds i kvartsröret i mikrovågsugn plasmabrännaren.
  7. Noggrant observera om och var plasma antänder men var försiktig med eventuellt utstrålade mikrovågor. Använd helst en spegel för observation av plasmatändning.
  8. Om ingen plasma antänds, stäng av mikrovågseffekt och noggrant kontrollera om mikrovågseffekt är ordentligt kopplad till koaxialresonator och inte vilseledda till andra komponenter värma upp dem eller ens skada dem. Kontrollera om vissa komponenter blir värms upp.
    1. Om någon komponent blir värms upp - det vill säga, är mikrovågseffekt missriktad - flytta alla stubbar i tre stubb tuner ur vågledare och justera dem för att maximera mikrovågsugn kopplingen till plasmabrännare enheten som beskrivs i steg 2.9. Börja sedan igen med steg 3.1.
    2. Justera resonansfrekvensen hos den koaxialresonator av plasmabrännaren till den sändande frekvensen hos magNetron vid en tillräckligt hög mikrovågseffekt utsignal 25% till 60% av den maximala uteffekten med nätverksanalysatom, såsom beskrivits i steg 2. För att förbättra tändnings, justera resonansfrekvensen hos den koaxiala resonatorn, såsom beskrivits i steg 2 till en högre uteffekt. Börja sedan igen med steg 3.1.
  9. Om plasman antänds någonstans i plasmabrännaren och inte automatiskt till koaxial eller cylindriska läget varierar den medföljande mikrovågseffekt och gasflödet tills det brinner i den cylindriska läge.
  10. När plasman brinner i den cylindriska läge, iterativt justera stubbar av de tre stubb tuner genom att flytta dem upp och ner, så att alla de medföljande mikrovågseffekt absorberas av plasma och den reflekterade mikrovågseffekt blir noll.
    Obs: Om en mikrovågsugn diod är ansluten till vattenbelastningen och till motsvarande ingång hos styrenheten, är den reflekterade mikrovågseffekten visas vid styrenheten av mikrovågsenergin strömförsörjning.Hur man gör detta beskrivs i handboken för mikrovågsugnen strömförsörjning.
  11. När högre mikrovågsugn befogenheter 1,5 kW eller mer och låga gasflöden på mindre än 15 sim används, kontrollera noga att plasman inte vidrör väggarna i kvartsröret. Kvartsröret får inte lyser någonstans.
  12. Om kvartsröret lyser rött, minska mikrovågseffekt eller öka gasflödet tills den försvinner helt.
  13. Eftersom mikrovågor kan utstrålas av plasman på grund av ledningsförmågan hos plasman, kolla med en mikrovågsugn mätare som utstrålade mikrovågseffekt är under tröskeln.
  14. Om den utstrålade mikrovågseffekt är över tröskeln, skydda plasma med en metallnät där maskstorleken är mycket mindre än hälften av den använda mikrovågsugn våglängd.

4. höghastighetskamera Film i plasma Ignition

Anmärkning: Eftersom tänd av plasmat och dess övergång till den cylindriska läget är i intervalletcirka hundra millisekunder, denna process kan bäst undersökas med hjälp av en höghastighetskamera. Det är emellertid inte nödvändigt att observera tändningsprocessen med hjälp av en höghastighetskamera varje gång plasman antändes.

  1. Placera lins höghastighetskamera framför mikrovågsugn plasmabrännaren tittar genom den diagnostiska slitsen på framsidan av plasmabrännaren.
  2. Justera tills kameran pekar mot koaxialresonator vid spetsen av det metalliska munstycket.
  3. Fokus kameran på spetsen av det metalliska munstycket.
  4. Starta inspelningen med 1.000 fps (frames per second) av höghastighetskamera.
  5. Tänd plasman som beskrivs i avsnitt 3.

5. Stabil och kontinuerlig Plasma Operation

Obs: När plasman har tänts i den cylindriska läge och tre stub tunern har justerats för att maximera absorptionen av mikrovågseffekt genom plasman en stabil och kontnuerlig drift av plasmabrännaren är möjlig.

  1. Justera dimensionen - den radiella och axiella förlängning - av plasman till önskad dimension genom att variera den medföljande mikrovågseffekt mellan 10% och den maximala uteffekten och gasflödet mellan 10 och 70 sim. Håll den radiella dimensionen begränsad till diametern hos kvartsröret. Plasman får inte vidröra väggen av kvartsröret, vilket innebär att kvartsröret inte får glöda.
  2. För att forma plasman till olika former, att använda en kort kvartsrör som endast innesluter plasmat insidan av den cylindriska resonatorn och placera en öppning på toppen av plasmabrännaren aggregatet.
  3. Om det behövs, fäst öppningarna med några skruvar.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

För att tillhandahålla en plasmatändning utan några ytterligare tändare samt en stabil och kontinuerlig plasma drift en högkvalitativ koaxialresonator med en inställbar resonansfrekvens kombinerades med en låg kvalitet cylindrisk resonator till en mikrovågsugn plasmabrännare. Schemat för denna plasmabrännaren presenteras i figur 3. Plasmat är begränsad i en mikrovågsugn-transparent rör, här ett kvartsrör. Detta rör kan fungera som en reaktionskammare för volymplasmaprocesser eller en plasma borste för ytbehandlingar kan bildas genom en öppning. Den mikrovågseffekt leds via en rektangulär vågledare från magnetronen till mikrovågsugnen plasmabrännaren. Olika typer av gaser kan matas via antingen den tangentiella gastillförseln eller axiellt genom den metalliska munstycket hos den koaxiala resonatorn. Mikrovågsugnen plasmabrännare är försedd med en främre slits, så att plasmat inuti brännaren och antändning kan undersökas i detalj.

innehåll "> För att garantera en antändning av plasman enbart av den medföljande mikrovågseffekt en hög elektriskt fält på ca 3-6 MV / m behövs. För att få en bättre förståelse för det elektriska fältet distribution, simuleringar av det elektriska fältet distribution samt som eigenmode analys med kommersiellt tillgängliga simuleringsprogram COMSOL Multiphysics fördes. Modellering och simulering av elektriska fältfördelningar av atmosfärtryck mikrovågsugn plasmabrännare som redan detaljerade insikter och ledde till ytterligare utveckling och förbättring vad gäller exempelvis deras antändning eller drift beteende 19- 22.

Den elektriska fältfördelningen av den koaxiella läge samt för den gemensamma cylindriska E 010 läge avbildas i fig 4a och 4b, respektive. Det elektriska fältet visas i godtyckliga enheter, eftersom det elektriska fältet i den koaxiala resonatorn är många times högre jämfört med det elektriska fältet i den cylindriska resonatorn. Det kan ses att en hög elektrisk fält vid munstycksspetsen nås med den koaxiala resonatorn och den högsta elektriska fältet i den cylindriska resonatorn är i centrum av den cylindriska resonatorn. Resonansfrekvensen hos den koaxiala resonatorn kan varieras genom placeringen av den metalliska munstycket. Simuleringsresultaten för resonansfrekvenser för olika positioner munstycke för en mikrovågsugn plasmabrännare med en cylindrisk resonator med en radie av 0,05 m och en höjd av 0,048 m visas i diagrammet i figur 4C. Det kan ses att resonansfrekvensen av den cylindriska läge inte påverkas av positionen för den metalliska munstycket. Emellertid är resonansfrekvensen hos den koaxiala läget beroende på munstyckets position och minskar när det metallmunstycket förflyttas uppåt in i den cylindriska resonatorn.

För att nå den nödvändiga höga elektriska fiELD i koaxialresonator denna resonans-frekvens-justerbar koaxialresonator uppvisar en hög kvalitet och en skarp och smal resonanskurva. Emellertid kräver en skarp och smal resonanskurvan att resonansfrekvensen hos den koaxiala resonatorn matchar perfekt frekvensen hos den tillförda mikrovågseffekten. Eftersom oftast magnetroner inte avger mikrovågsugnen till nominella frekvens och eftersom frekvensen av mikrovågsugnen är beroende av uteffekt mikrovågsugn, har frekvensberoende magnetronen som skall mätas med hjälp av en riktkopplare och en spektrumanalysator. Den experimentella uppställningen för att mäta frekvensberoendet hos magnetronen med en spektrumanalysator är schematiskt angiven i figur 1a. Den uppmätta frekvensen beroende av den utnyttjade magne visas i diagrammet i figur 1B. Mittfrekvensen var inställd på 2,45 GHz och videobandbredd var 200 MHz. Det kan ses att vid en effekt av 200 W (10% avmaximal uteffekt magne) frekvensen av mikrovågsugnen är 2,44638 GHz och ökar när mikrovågseffekt ökas. Vid maximal uteffekt på 2 kW mikrovågsfrekvensen når ett värde på 2,45213 GHz.

Resonansfrekvensen hos mikrovågen plasmabrännaren kan mätas med en nätverksanalysator och eftersom munstycket är rörligt resonansfrekvensen hos den koaxiala resonatorn kan justeras. För att göra detta, har mikrovågplasma brännarenheten för att anslutas till en nätverksanalysator via en rektangulär-till-koaxial-vågledarövergång som visas i den schematiska i fig 2A. Genom att mäta S11 parameter i mikrovågsplasma brännarenheten resonansfrekvensen kan bestämmas. Den S11 parametern representerar förhållandet mellan den ingående strömmen till reflekterad effekt i beroende av frekvensen. När en resonans nås, upprättas ett elektriskt fält i resonatorn strukturen leder till minskad reflected mikrovågseffekt. Emellertid är fältstyrkan inuti kaviteten direkt relaterad till den fasta vågamplituden hos mikrovågen som tillhandahålls av nätverksanalysatom. Ett dopp visas i S11 spektrum som motsvarar resonansfrekvensen. En typisk mätning av S11 parametern är avbildad i figur 2B. Här en resonans observeras vid en frekvens på 2,846 GHz. Genom att flytta det metalliska munstycket upp och ned, kan resonansfrekvensen hos den koaxiala resonatorn varieras såsom simuleringarna visas i figur 4C visade. Detta beroende av resonansfrekvensen hos den koaxiala resonatorn på det metalliska munstyckets position kan mätas med hjälp av S11 parametern. En mätning av resonansfrekvensen i beroende av munstyckets position och enligt tillhörande simuleringsresultaten presenteras i diagrammet i Figur 2C. Detta diagram visar att det finns en god överensstämmelse mellan simuleringsresultaten och de uppmätta värdena för de resonance frekvens. Den mycket liten förskjutning av de båda kurvorna kan förklaras av mycket små avvikelser i geometri eller dimensionen hos den tillverkade munstycket jämfört med den som användes för simuleringarna. För att justera resonansfrekvensen för koaxialresonator till frekvensen av den medföljande micro, har metallmunstycket vara iterativt flyttas upp och ner tills dopp i S11 parametern är belägen vid den uppmätta mikrovågsugn frekvensen. Då den metalliska munstycket måste låsas och frameffekten kan maximeras genom att iterativt justera stubbar av de tre stubb tuner så att S11 parametern dip når sin maximala djup. Den höga kvaliteten på resonatorn och maximframåtströmkabeln till färre mikrovågsugn reflektioner och en hög elektrisk fält är etablerad i resonatorn varför en djup dopp i S11 parameterresultaten.

Efter mikrovågsugn plasmabrännare är monterad till magnetronen och gastillförseln är ansluten, plasmanen fackla kan antändas och drivs. Antändning av plasmat kan undersökas bäst genom att observera antändning med en höghastighetskamera. Antändning av plasmat registrerades vid 1000 bps. Den presenterade plasma antändning genomfördes vid en mikrovågseffekt på 1 kW och en medföljande gasflöde av 15 slm luft. Bilder av varje fas av tändningen sammanfattas i figur 5. Bilden i figur 5A visar utsikten från ovan, ser ner på munstycket i en vinkel genom diagnostiska skåran på framsidan av den inoperational plasmabrännaren. Den nedre delen av den cylindriska resonatorn är på framsidan. I mitten planet kan man se början av den koaxialresonator. Spetsen av munstycket kan också ses. Den nedre delen av den cylindriska resonatorn ligger i bakgrunden igen. Eftersom fokus ligger på munstyckets spets, är botten av den cylindriska resonator något suddig. De övriga bilderna visar faser plasma antändning. När mikrovågseffekt är vändaed på vid t = 0 ms, antänder plasman någonstans i koaxialresonator såsom kan ses i figur 5B. Sedan, under 64 ms, slingrar plasman upp metalliska munstycket till sin spets och sedan bränner rakt på munstyckets spets i koaxial läge som figur 5C till 5E show. Intensiteten hos plasmat växer för följande 692 ms som det visas i fig 5F. Sedan, beroende på en förskjutning av resonansfrekvensen som orsakas av den brinnande plasman i koaxialresonator 1 ms senare, börjar plasmat att bryta sig loss från munstycksspetsen, såsom visas i fig 5G och 5H. Den fullständiga avbrott av plasman från munstycksspetsen uppnås efter 58 ms såsom visas i fig 5i. Plasman nu brinner fritt ovanför metallmunstycket i den cylindriska läge. Under den sista sekunden, är de tre påbörjad tuner justeras för att maximera framåt mikrovågseffekt. Detta leder till en increase av plasma som på bilden i figur 5J visar. Emellertid är plasman ännu brinnande fritt ovanför munstycksspetsen utan kontakt till den. På grund av den låga kvaliteten på den cylindriska resonator plasman kan drivas kontinuerligt och stabilt i denna cylindriska resonator läget.

Dimensionen av plasmat beror på den tillförda mikrovågseffekten och gasflödet. Bilder av plasma för mikrovågsugn befogenheter 1 och 2 kW och gasflöden av 10, 30 och 70 sim presenteras i figur 6. Resonatorn med sin diagnos slits vid sin främre ligger i den nedre delen av bilderna. Plasman är begränsad i ett kvartsrör inom och ovanför den cylindriska resonatorn. UV-ljus par in i kvartsröret vilket är anledningen till kvartsröret uppvisar en blåaktig glöda. Det kan ses att dimensionerna - radiell och även den axiella utsträckningen - av plasman ökar med en ökning av den tillförda mikrovågseffekten medan en ökning of gasflödet leder till en mindre plasmaflamma. Men mätningar av gas och elektrontemperaturen visar de maximala temperaturerna Tg = 3,600 K och elektron temperatur T e = 5,800 K är oberoende av de yttre parametrarna, levereras mikrovågsugn kraft- och gasflöden, liksom av plasmavolymen 19. Temperaturerna erhölls medelst optisk emissionsspektroskopi. A 2 Σ + - X 2 Π γ -transition av den fria OH-radikalen användes för bestämning av gastemperaturen medan en Boltzmann-plot av atomvätelinjer fördes för uppskattning av elektrontemperaturen. En detaljerad beskrivning av hur temperaturerna har mätts och den fullständiga temperaturfördel kan hittas i referenser 23 och 24.

För att behandla ytor i lyser av plasman, kan plasmat formas med olika typer av öppningar. Figur 7 visar foton av olikformade plasmor. Layouten liknar foton från plasman begränsad till ett långt kvartsrör: den cylindriska resonator är längst ned i bilden; dess diagnostiska slits upplyst av plasman. Olikformade plasmor kan ses brinnande ovanför det övre öppningen. På bilden i figur 7A den begränsande kvartsröret inte sträcker utanför resonatorn. Plasman kan bränna sig fritt ovanför resonatorn. En förlängd plasma borste kan bildas med så slitsöppning som visas i figur 7B. En plasma nål kan åstadkommas genom användning av en öppning med ett hål i sitt centrum. Detta visas i figur 7C. Mycket små och smidiga afterglow plasmor bildas genom öppningar som har en smal springa eller några små hål i en cirkel som bilderna i figur 7D och 7E show.

2816fig1.jpg "/>
Figur 1. Mätning av magnetronen. Den schematiska i (A) visar hur frekvensberoendet av en magnetron av mikrovågsugnen uteffekten kan mätas med hjälp av en spektrumanalysator. Beroendet av den använda magne av uteffekten avbildas i (B) frekvens. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 2
Figur 2. Mätning av resonansfrekvensen. Installations för mätning och justering av resonansfrekvensen för mikrovågsugnen plasmabrännaren med hjälp av en nätverksanalysator ges i (A). (B) visar en typisk mätning av S11 parametern. Den dopp i S11parametern återspeglar resonansfrekvensen hos mikrovågsugnen plasmabrännaren. Den uppmätta beroendet av resonansfrekvensen på metallmunstycket ställning och resultatet av de numeriska simuleringar sammanfattas i c). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3
Figur 3. Plasmotron setup. Skiss över installationen av atmosfär mikrovågsugn plasmabrännare. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 4
Figur 4. koaxial och cylindriska läge.Fördelningen av den elektriska fältstyrkan är avbildad i (A) och (B). (A) visar fördelningen för den koaxiella läge medan (B) visar en för den cylindriska läget. Diagrammet i (C) visar beroendet av resonansfrekvensen hos både den koaxiala och den cylindriska läge på positionen av det metalliska munstycket i plasmabrännaren. Resonatorn har en diameter på 0,05 m och en höjd på 0,0482 m. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 5
Figur 5. Antändning av plasmat. Bilder av varje fas av antändning av plasmat registreras av en höghastighetskamera vid 1000 bps och vid en mikrovågseffekt på 1 kW och ett gasflöde av 15SLM luft. (A) Utsikt från ovan, ser ner på munstycket i en vinkel genom diagnostiska skåran på framsidan av den inoperational plasmabrännaren. (B) Antändning av plasmat i den koaxiala resonatorn. (C) - (E) Avveckling av plasman till spetsen på det metalliska munstycket tills det brinner i den koaxiella läget. (F) Plasma ökar. (G) - (I) I plasma bryts bort från metallmunstycket och brinner fritt ovanför munstycksspetsen i den cylindriska läge. (J) Plasma ökar på grund av justering av tre påbörjad tuner för att maximera frameffekt. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 6
Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 7
Figur 7. Olika öppningar. Genom att använda olika formade öppningar plasmat kan bildas. (A) Den begränsande kvartsröret inte sträcker utanför resonatorn och plasman kan bränna sig fritt ovanför resonatorn. (B) Plasmat formas till en borste med en slitsöppning. (C) En plasma nål bildas av ett hål öppning.(D) en mycket jämn plasma borste kan uppnås genom användning av en mynning med en smal slits och (E) en jämn plasmaområdet bildas av en öppning med några små hål anordnade i en cirkel. klicka god här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Den presenterade filmen beskrivs hur en antändning av ett atmosfärstryck mikrovågsugn plasma utan några ytterligare tändare kan realiseras, de grundläggande principerna för denna mikrovågsugn plasmabrännare, dess anpassning, tändningsprocessen av plasma och dess stabila och kontinuerlig drift. Såsom beskrivits i inledningen, finns det redan olika typer av mikrovågsugnar plasmabrännare, men ingen av dem ger en antändning av plasmat utan några ytterligare tändare samt stabil och kontinuerlig plasma drift.

För att erhålla en tandning av plasmat utan några ytterligare tändare vid atmosfärstryck en hög elektrisk fält som är nödvändigt och därför en resonator med en hög kvalitet, medan den för en kontinuerlig och stabil plasmaoperation behövs en låg kvalitet. Detta kan realiseras genom att kombinera en hög kvalitet koaxialresonator som garanterar antändning av plasmat och en låg kvalitet cylindrisk resonator, som ger en kontinuerlig ochstabil plasmaoperation.

Frekvensen av den tillförda mikrovågseffekten har att perfekt matcha resonansfrekvensen för den höga kvaliteten koaxialresonator så att tillgänglig effekt kopplas in i resonanskammaren. Frekvensberoendet magnetronens måste därför vara väl kända och resonansfrekvensen hos den koaxiala resonatorn måste vara justerbar. Den sändande frekvens magnetronens kan mätas med en spektrumanalysator medan resonansfrekvensen hos den koaxiala resonatorn kan mätas med hjälp av en nätverksanalysator och justeras av den rörliga munstycket.

För att garantera tandningen av plasmat endast av den tillförda mikrovågseffekten, är det avgörande att resonansfrekvensen hos den koaxiala resonatorn matchar perfekt den sändande frekvens av magnetronen. Dessutom har mikrovågsugn att kopplas helt i koaxialresonator av plasmabrännaren aggregatet vilket uppnås genom maximering av frameffekten wed tre stub tuner. Om dessa kritiska steg inte utförs noggrant är det möjligt att plasman inte antändas eller att mikrovågsugnen kopplas in i experimentuppställning någonstans vad som kan leda till en viss skada av dessa delar. Alltså, om ingen antändning av plasman observeras, dessa steg måste kontrolleras noggrant igen. Dessutom är det möjligt att plasma antänds men inte byta till koaxial eller cylindriska läge av sig själv. I detta fall vanligen kan kopplas plasmat först till koaxialläge och sedan till den cylindriska läge genom att variera gasflödet och den tillförda mikrovågseffekten.

För att få en mer automatisk tändning och drift av plasman en automatisk tre stub tuner som automatiskt justerar sina stubbar till maximerad frameffekt kan användas i stället för den manuella en. Sålunda justeringen av stubbar för antändning av plasmat och efteråt av justeringen för driften av plasma automatiskt utförs avdetta tre stub tuner. För att uppnå plasma tändning utan extra tändstiften och stabil och kontinuerlig plasma drift presenterade smart kombination av de två resonatorkonstruktioner och presenterade teknik för mätning av magnetron med en spektrumanalysator och mätning och justering av resonansfrekvensen med hjälp av en nätverksanalysator är avgörande.

Den antändning av plasmat undersöktes i detalj med en höghastighetskamera. Det visade sig att plasma antänds i den koaxiala resonatorn, lindar upp till spetsen på munstycket förbränningen i det koaxiella läget, ökar i intensitet och volym, bryts bort från den metalliska munstycket, ökar ytterligare och därefter brinner fritt ovanför metallmunstycket i cylindriskt läge. Efter antändning av plasmat och dess övergång till den cylindriska läge plasmat kan drivas stabilt och kontinuerligt. Dimensionen av plasmat beror på den tillförda mikrovågseffekten och gasflödet och öknings när den tillförda mikrovågseffekten ökas eller gasflödet minskas. Vidare kan plasmat formas till nålar, borstar eller glatta afterglow plasmor genom öppningar.

Gasflödet och mikrovågseffekt av det presenterade mikrovågsugn plasmabrännare bör begränsas till ca 100 sim och några kilowatt, som också begränsar volymen av plasman. Eftersom kvartsröret inte får skadas den radiella diametern hos plasman är begränsad till den inre diametern hos kvartsröret. Om en större plasmavolym krävs eller stora gasflöden måste behandlas, kan plasmakällan skalas upp genom att använda en lägre mikrovågsfrekvens, exempelvis 915 MHz istället för 2,45 GHz. Med 915 MHz mer mikrovågseffekt är tillgänglig, vilket leder till större plasmavolymer som tillåter större gasflöden som skall hanteras. Men när högre makter används, risken för skador, särskilt av metallmunstycket, under antändning av plasma eller under drift ökar och därför another tändmekanism måste beaktas. Vidare plasmaparametrar, såsom elektron- och gastemperaturen, är oberoende av de yttre parametrar såsom gasflöde och förda mikrovågseffekten. Således, om det behövs ett atmosfärstryck plasma med olika plasmaparametrar, har en annan källa som ska användas eller en som uppfyller de nödvändiga behoven har att nyutvecklade.

Eftersom den presenterade atmosfärstryck mikrovågsugn plasmabrännare ger antändning av plasmat utan några ytterligare tändare samt stabil och kontinuerlig plasma drift är plasmakällan är lämplig för många industriella tillämpningar. Fördelen med tändningen av plasman utan några ytterligare tändmedel för industriella processer, speciellt när en automatisk tre stub tuner används, är att endast mikrovågsugnen måste vara påslagen och processen börjar löpa tillförlitligt och automatiskt. Dessutom, om det behövs en diskontinuerlig drift där processen är igångunder en tid, följt av intermittens, kan plasmaprocessen återstartas snabbt, tillförlitligt och automatiskt och det finns ingen nötning av en ytterligare tändsystemet. Volym processer som kemisk syntes samt ytbehandlingar med afterglow plasma kan namnges som tillämpningar av mikrovågsugn plasmabrännaren. Studier av den framgångsrika nedbrytning av skadliga avgaser, särskilt för växthusgaser som perfluorerade föreningar, som används i den växande halvledarindustrin, på dissociationen av CO2 till CO och O samt på pyrolys av metan till väte och kol har redan utförts. Dessutom hade de afterglow plasmor som används för behandling av ytor för att öka vidhäftningen av lim och färg och för dekontaminerings- och steriliseringsändamål. Till exempel kan plasmakällan användas för dekontaminering av ytan av korkar att nedbryta trichloroanisole, vilket orsakar den så kallade korklukt. En annan application är minskningen av bakterier på ytor, som på förpackningsmaterial eller på mat.

Den presenterade tekniken hur den sändande frekvens av en högfrekvent strömkälla mäts medelst en spektrumanalysator och hur resonansfrekvensen hos en resonansstruktur mäts och justeras med hjälp av en nätverksanalysator kan också tillämpas på andra högfrekventa plasmakällor . Som ett exempel en liten liten mikro mikrovågsugn plasmastråle som är baserad på en λ / 4-resonator kan namnges 25-27.

Slutligen kommer den presenterade filmen leda till ytterligare utveckling och förbättring av atmosfärstryck och / eller mikrovågsugn plasmakällor.

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).

Tags

Engineering atmosfärstryck plasma mikrovågsugn plasma plasma tändning resonator struktur koaxialresonator cylindrisk resonator plasmabrännare stabil plasma drift kontinuerlig plasma drift höghastighetskamera
Hur Ignite ett atmosfärstryck Mikrovågsugn Plasma Torch utan ytterligare Tändstiften
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Leins, M., Gaiser, S., Schulz, A.,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