كيفية اشعال على الضغط الجوي البلازما الشعلة ميكروويف دون أي اشعال إضافية
Summary
This movie shows how an atmospheric plasma torch can be ignited by microwaves with no additional igniters and provides a stable and continuous plasma operation suitable for plenty of applications.
Abstract
ويبين هذا الفيلم كيف يمكن أن تشعل في الغلاف الجوي الشعلة الضغط البلازما بواسطة الطاقة الميكروويف مع أي اشعال إضافية. بعد اشتعال البلازما، عملية مستقرة ومستمرة للبلازما ممكنة والشعلة البلازما يمكن استخدامها في العديد من التطبيقات المختلفة. من جهة، يمكن استخدام الساخن (3،600 درجة حرارة الغاز K) البلازما للعمليات الكيميائية ومن ناحية أخرى الشفق البارد (درجات الحرارة الى ما يقرب RT) يمكن تطبيقها على العمليات السطحية. على سبيل المثال التوليفات الكيميائية هي عمليات حجم مثيرة للاهتمام. هنا الميكروويف الشعلة البلازما يمكن استخدامها لتحلل النفايات الغازية التي تضر والمساهمة في ظاهرة الاحتباس الحراري ولكنها في حاجة، والحفر الغازات في زراعة قطاعات الصناعة مثل فرع أشباه الموصلات. تطبيق آخر هو تفكك CO 2. الطاقة الكهربائية الفائضة من مصادر الطاقة المتجددة يمكن أن تستخدم لفصل CO 2 إلى CO وO 2. وCO يمكن أن يكون أبعد المواليةcessed إلى الغازية أو السائلة الهيدروكربونات أعلى وبالتالي توفير تخزين المواد الكيميائية من الطاقة، والوقود الاصطناعية أو المواد الكيميائية منصة للصناعات الكيماوية. تطبيقات الشفق الشعلة البلازما هي السطوح لزيادة التصاق ورنيش، والغراء أو الطلاء، والتعقيم أو التطهير من نوع مختلف من السطوح. والفيلم شرح كيفية إشعال البلازما فقط من قبل السلطة الميكروويف دون أي اشعال إضافية، على سبيل المثال، والشرر الكهربائية. ويستند الشعلة البلازما الميكروويف على مزيج من اثنين من مرنانات – واحد متحد المحور الذي يوفر اشتعال البلازما واحد أسطواني الذي يضمن عملية مستمرة ومستقرة للبلازما بعد اشتعال. يمكن تشغيل البلازما في أنبوب الميكروويف طويل شفاف لعمليات حجم أو شكل من فتحات لأغراض المعالجة السطحية.
Introduction
الضغط الجوي الميكروويف المشاعل البلازما توفر مجموعة متنوعة من التطبيقات المختلفة. من جهة أنها يمكن أن تستخدم لعمليات حجم الكيميائية ومن ناحية أخرى يمكن تطبيقها البلازما الخاصة بهم الشفق لعلاج السطوح. كما عمليات المعالجة السطحية العلاج لزيادة التصاق الغراء، والطلاء أو ورنيش أو تطهير أو تعقيم الأسطح يمكن تسمية. البلازما الساخنة ورد الفعل في حد ذاته يمكن أن تستخدم لعمليات حجم مثل التحلل من الغازات العادمة 1-7. هذه الغازات النفايات الضارة، وتساهم في ظاهرة الاحتباس الحراري وبالكاد يمكن المتدهورة تقليديا. ومع ذلك، هناك حاجة إليها في زراعة القطاعات الصناعية مثل فرع أشباه الموصلات. تطبيقات أخرى هي التركيب الكيميائي مثل التفكك من CO 2 إلى CO وO 2 أو CH 4 إلى الكربون والهيدروجين 8،9. الطاقة الكهربائية الفائضة من مصادر الطاقة المتجددة يمكن أن تستخدم لفصل CO <sub> 2 في CO وO 2. وCO يمكن معالجتها أيضا على الهيدروكربونات العليا والتي يمكن استخدامها كوقود للنقل الاصطناعية، والمواد الكيميائية منصة للصناعات الكيماوية أو تخزين المواد الكيميائية.
هناك بعض المشاعل البلازما الميكروويف ولكن معظمهم لديهم عيوب: لديهم سوى كميات البلازما صغيرة جدا، تحتاج اشعال إضافية، تحتاج إلى التبريد للمفاعل البلازما أو لا يمكن إلا أن تعمل في وضع نابض 10-18. الشعلة البلازما الميكروويف التي قدمت في هذا الفيلم تقدم على إشعال البلازما فقط مع السلطة الميكروويف المقدمة لا تحتوي على اشعال إضافية فضلا عن عملية مستقرة ومستمرة دون أي التبريد للمفاعل البلازما لمجموعة واسعة من المعلمات العملية، ويمكن استخدامها لجميع التطبيقات المذكورة أعلاه. ويستند الشعلة البلازما الميكروويف على مزيج من اثنين من مرنانات: محوري واحد واحد أسطواني. مرنان أسطواني لديه نوعية منخفضة وغير أبرتإد في المعروف E 010 -mode وفقا لأعلى الحقل الكهربائي في وسطها. يقع مرنان المحورية تحت مرنان أسطواني، ويتكون من فوهة معدنية منقولة في توليفة مع امدادات الغاز عرضية. جودة عالية من مرنان المحورية يسلك منحنى الرنين ضيق جدا ولكن عميق. نظرا للجودة العالية للمرنان المحورية يمكن التوصل إلى حقل كهربائي عال وهو مطلوب للاشتعال من البلازما. ومع ذلك، يرتبط على الجودة العالية للمرنان متحد المحور مع منحنى الرنين ضيق جدا، وبالتالي تردد صدى له لمطابقة تماما تواتر الميكروويف الموردة. منذ التحولات تردد الرنين بعد اشتعال البلازما بسبب السماحية للبلازما، ويمكن الميكروويف لم يعد تخترق مرنان المحورية. للتشغيل المستمر للبلازما هناك حاجة للمرنان أسطواني مع جودة منخفضة ومنحنى صدى واسع النطاق.
إمدادات إضافية الغاز المحوري عبر فوهة المعدنية للمرنان متحد المحور هو ممكن. وأشعلت البلازما وتقتصر في أنبوب الميكروويف شفافة، على سبيل المثال أنبوب الكوارتز. والسماحية من أنبوب الكوارتز يؤثر أيضا على تردد الرنين. منذ الكوارتز لديها السماحية لل> 1، وحجم مرنان أسطواني هو الموسع تقريبا الأمر الذي يؤدي إلى تردد صدى أقل. هذه الظاهرة لابد من أخذها في الاعتبار عند تصميم وأبعاد مرنان أسطواني. مناقشة مفصلة حول كيفية تأثر تردد صدى بواسطة أنبوب الكوارتز إدراج يمكن العثور عليها في المرجع 23. إذا تم استخدام أنبوب الكوارتز طويلة وممتدة، وهذا يمكن أيضا بمثابة دائرة رد الفعل للعمليات وحدة التخزين. ومع ذلك، من أجل المعالجات السطحية البلازما يمكن أيضا أن تكون على شكل مختلف من قبل نوع مختلف من فتحات. يتم توفير الميكروويف من خلال الدليل الموجي مستطيلة من المغناطيسية. لتجنب الضوضاء إزعاج استخدام المغناطيسية تموج منخفض هو موصىانتهى. المغنطرون الذي يستخدم في الفيلم هو واحد تموج منخفض.
لاشتعال البلازما يتم استخدام مرنان المحورية ذات جودة عالية في حين يتم توفير عملية مستقرة ومستمرة من قبل مرنان أسطواني. لتحقيق اشتعال البلازما من خلال نوعية مرنان المحورية عالية تردد صدى هذا مرنان أن المباراة تماما وتيرة الميكروويف التي تقدمها المغناطيسية المستخدمة. حيث أن جميع المغناطيسي لا تنبعث تردد الموجات الدقيقة الخاصة بهم في بالضبط تردد الاسمي ومنذ تردد يعتمد على انتاج الطاقة، والمغناطيسية لابد من قياس مع محلل الطيف. تردد صدى مرنان المحورية يمكن تعديلها عن طريق تحريك فوهة المعدني صعودا وهبوطا. ويمكن قياس هذا التردد الرنين وتعديلها وبالتالي أيضا إلى التردد ارسال المغنطرون استخدامها مع محلل شبكة. للوصول إلى المجال الكهربائي العالي في غيض من فوهة، اللازمة لاشتعالمن البلازما، وهناك حاجة إلى موالف ثلاثة كعب بالإضافة. هذا موالف كعب ثلاثة هو مكون الميكروويف شائعة الاستخدام. هي التي شنت موالف ثلاثة كعب بين الشعلة البلازما الميكروويف والمغناطيسية. بعد يتم ضبط تردد صدى مرنان المحورية، يتم تكبير قوة إلى الأمام وقوة ينعكس التقليل من خلال تعديل تكرارا على بذرة من موالف ثلاثة كعب.
بعد تعديل تردد صدى مرنان المحورية وكذلك بعد أن تكبير القوى إلى الأمام عن طريق موالف ثلاثة كعب، البلازما الشعلة البلازما الميكروويف يمكن أشعلت عند توصيل الشعلة البلازما الميكروويف إلى المغناطيسية. لاشتعال البلازما قوة الميكروويف الحد الأدنى من حوالي 0،3-1 كيلو واط كافية. يشعل البلازما في مرنان المحورية. بعد اشتعال البلازما يتم إزاحة تردد صدى مرنان المحورية بسبب السماحية عازلة من البلازما والميكروويف لا يمكن ليعد تخترق مرنان المحورية. وهكذا، فإن مفاتيح البلازما من وضع محوري في وضع لها أسطواني أكثر اتساعا بكثير حرق يقف بحرية-فوق فوهة المعدنية في وسط مرنان أسطواني. منذ نوعية وضع أسطواني منخفضة جدا والمعارض منحنى صدى واسع وبالتالي، يمكن الميكروويف لا تزال تخترق مرنان أسطواني على الرغم من التحول من تردد الرنين بسبب السماحية عازلة للبلازما. وهكذا، يتم توفير عملية مستمرة ومستقرة للبلازما في وضع أسطواني من قبل شعلة البلازما الميكروويف. ومع ذلك، من أجل التوصل إلى الاستيعاب الكامل للطاقة الميكروويف الموردة، وبذرة من موالف كعب الثلاث إلى إعادة تعديل. وإلا فإن السلطة الميكروويف المقدمة لا يمتص تماما من البلازما ولكن ينعكس بعض نسبة الميكروويف المقدمة واستيعابها من قبل حمولة المياه.
لفحص الاشتعال من البلازما في محوريوضع وبعد ذلك ه تمر بمرحلة انتقالية في وضع أسطواني الموسعة، لوحظ الاشتعال البلازما بواسطة كاميرا عالية السرعة.
الفيلم عرض وإظهار كيف يتم قياس الاعتماد تردد المغناطيسية، يتم ضبط تردد صدى مرنان متحد المحور، كيف يتم تكبير قوة إلى الأمام وكيف أشعل البلازما من قبل السلطة الميكروويف الموردة. ويظهر تسجيل كاميرا عالية السرعة أيضا.
Protocol
Representative Results
Discussion
ويوضح الفيلم عرض كيف يمكن أن تتحقق على الاشتعال من الغلاف الجوي البلازما الضغط الميكروويف دون أي اشعال إضافية، المبادئ الأساسية لهذا الميكروويف الشعلة البلازما، والتكيف لها، وعملية الاشتعال من البلازما وعملياتها مستقرة ومستمرة. كما هو موضح في المقدمة، هناك أنواع ?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors would like to thank the Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V., AiF (German Federation of Industrial Research Associations) and the Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG (German Research Foundation) for partly funding the presented work under contract number 14248 and STR 662/4-1, respectively.
Materials
| 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. , (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. , (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. , (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. , (2010).
- Langbein, C. . Entwicklung und Optimierung eines mikrowellenbasierten Atmosphärendruck-Mikroplasmas für lokale Oberflächenbehandlungen. , (2008).
- Kamm, C. . Spektroskopische Untersuchung eines Mikrowellen-Mikroplasma-Brenners. , (2011).
- Weinrauch, I. . Spektroskopische Charakterisierung eines Mikrowellen-Mikroplasmabrenners für die lokale Oberflächenbehandlung. , (2012).
