Wie man eine Atmosphärischer Druck Mikrowellenplasmabrenner zünden ohne zusätzliche Zünder
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
Dieser Film zeigt, wie ein Atmosphärendruck-Plasmabrenner kann durch Mikrowellenleistung ohne zusätzliche Zünder gezündet werden. Nach dem Zünden des Plasmas ist ein stabiler und kontinuierlicher Betrieb der Plasma möglich ist und der Plasmabrenner kann für viele verschiedene Anwendungen eingesetzt werden. Einerseits kann die heiße (3.600 K Gastemperatur) Plasma für chemische Prozesse und auf der anderen Seite der Kalt Nachglühen verwendet werden (Temperaturen bis nahezu RT) können zur Oberflächenverfahren aufgebracht werden. Beispielsweise chemische Synthesen interessanter Volumenverfahren. Hier kann der Mikrowellenplasmabrenner zur Zersetzung von Abgasen, die schädlich sind und dazu beitragen, die globale Erwärmung, sondern als Ätzgase in wachsenden Branchen wie der Halbleiterzweig Bedarf verwendet werden. Eine weitere Anwendung ist die Dissoziation von CO 2. Überschüssige elektrische Energie aus erneuerbaren Energiequellen verwendet werden, um CO 2 zu CO und O 2 dissoziieren. Die CO weiter Pro seinum gasförmigen oder flüssigen höheren Kohlenwasserstoffen, wodurch chemische Speicherung der Energie, synthetische Kraftstoffe oder Plattformchemikalien für die chemische Industrie verarbeitet. Anwendungen des Nachleuchtens des Plasmabrenners sind die Behandlung von Oberflächen, um die Haftung von Lack, Klebstoff oder Farbe zu erhöhen, und die Sterilisation oder Dekontamination von verschiedenen Arten von Oberflächen. Der Film erklärt, wie man das Plasma allein durch Mikrowellenleistung ohne zusätzliche Zünder, zB elektrische Funken entzünden. Koaxialer eine, die die Zündung des Plasmas, und eine zylindrische eines, das eine kontinuierliche und stabile Betrieb des Plasma nach Zündung gewähr bietet – der Mikrowellenplasmabrenner beruht auf einer Kombination von zwei Resonatoren basieren. Das Plasma kann in einem langen mikrowellentransparenten Rohr zum Volumen Prozesse betrieben oder mit Öffnungen für die Oberflächenbehandlungszwecke geformt werden.
Introduction
Luftdruck Mikrowellenplasmabrenner bieten eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen. Einerseits können sie für chemische Prozesse Volumen und andererseits ihre Nachglühen Plasma kann für die Behandlung von Oberflächen aufgebracht werden verwendet werden. Als Oberflächenbehandlungsverfahren, die Behandlung auf die Adhäsion von Leim, Farbe oder Lack oder die Dekontamination oder Sterilisation von Oberflächen erhöhen genannt werden. Das heiße und reaktive Plasma selbst kann zur Volumen Prozesse wie die Zersetzung von Abgasen 1-7 verwendet werden. Diese Abgase schädlich sind, dazu beitragen, die globale Erwärmung und kann kaum konventionell abgebaut werden kann. Aber sie in wachsenden Branchen wie der Halbleiterzweig benötigt werden. Andere Anwendungen sind in der chemischen Synthese, wie die Dissoziation von CO 2 zu CO und O 2 oder CH 4 zu Kohlenstoff und Wasserstoff 8,9. Überschüssige elektrische Energie aus erneuerbaren Energiequellen verwendet werden, um CO distanzieren werden <sub> 2 in CO und O 2. Die CO weiter zu höheren Kohlenwasserstoffen, die als synthetische Kraftstoffe für den Transport verwendet werden kann verarbeitet werden, Plattformchemikalien für die chemische Industrie oder als chemische Speicher.
Es gibt einige Mikrowellenplasmabrenner, aber die meisten von ihnen haben Nachteile: Sie weisen nur kleine Plasmamengen müssen zusätzliche Zünder müssen Kühlung des Plasmareaktors oder nur im gepulsten Modus betrieben werden, 10-18. Die Mikrowellenplasmabrenner in diesem Film präsentiert bietet eine Zündung des Plasmas nur mit dem mitgelieferten Mikrowellenleistung ohne zusätzliche Zünder sowie einer stabilen und kontinuierlichen Betrieb ohne Kühlung des Plasmareaktors für eine breite Palette von Betriebsparametern und kann verwendet werden, Für alle der oben erwähnten Anwendungen. Einer koaxialen und zylindrisch eins: die Mikrowellenplasmabrenner beruht auf einer Kombination von zwei Resonatoren basieren. Der zylindrische Resonator hat eine niedrige Qualität und ist operated in dem bekannten E 010 -Mode mit der höchsten elektrischen Feld in der Mitte. Koaxialresonator ist unterhalb des zylindrischen Resonators angeordnet und besteht aus einer beweglichen metallischen Düse in Kombination mit einem tangentialen Gasversorgung. Die hohe Qualität des koaxialen Resonators weist eine sehr schmale, aber tiefe Resonanzkurve. Wegen der hohen Qualität der Koaxialresonator ein hohes elektrisches Feld erreicht werden kann, die für die Zündung des Plasmas benötigt wird. Jedoch ist die hohe Qualität der Koaxialresonator mit einem sehr schmalen Resonanzkurve zugeordnet sind und damit die Resonanzfrequenz hat, um perfekt die Frequenz der zugeführten Mikrowellen entsprechen. Da die Resonanzfrequenz verschiebt sich nach dem Zünden des Plasmas durch die Permittivität des Plasmas kann die Mikrowelle nicht mehr in den Koaxialresonator eindringen. Für den kontinuierlichen Betrieb des Plasmas der zylindrische Resonator mit einer niedrigen Qualität und einem breiten Resonanzkurve benötigt wird.
Eine zusätzliche axiale Gaszufuhr über die metallische Düse des Koaxialresonators ist möglich. Das Plasma wird gezündet und in einer mikrowellentransparenten Rohrs beschränkt, beispielsweise einem Quarzrohr. Die Permittivität des Quarzrohrs beeinflusst auch die Resonanzfrequenz. Da der Quarz eine Dielektrizitätskonstante von> 1 ist das Volumen des zylindrischen Resonators praktisch vergrßerte was zu einer niedrigeren Resonanzfrequenz führt. Dieses Phänomen ist zu beachten, wenn die Abmessungen des zylindrischen Resonators ausgebildet sein. Eine detaillierte Diskussion, wie die Resonanzfrequenz wird durch den eingesetzten Quarzrohr betroffen sind, können Referenz 23. gefunden Wenn ein langgezogenen Quarzrohr verwendet wird, kann diese auch als Reaktionsraum für das Volumen Prozessen wirken. Jedoch für Oberflächenbehandlungen kann das Plasma auch anders durch verschiedene Arten von Öffnungen geformt werden. Die Mikrowelle wird durch einen rechteckigen Wellenleiter von dem Magnetron zugeführt wird. Um Lärmbelästigung zu vermeiden, die Verwendung eines geringer Welligkeit Magnetron empfbeendet. Das Magnetron, die im Film verwendet wird, ist eine geringe Welligkeit einer.
Für die Zündung des Plasmas die hohe Qualität Koaxialresonator verwendet wird, während ein stabiler und kontinuierlicher Betrieb durch den zylindrischen Resonator vorgesehen. Um das Zünden des Plasmas durch die hohe Qualität Koaxialresonator erreichen die Resonanzfrequenz dieses Resonators ist, um perfekt die Frequenz der Mikrowelle von dem verwendeten Magnetron übereinstimmen. Da alle Magnetrons nicht ihre Mikrowellenfrequenz emittieren bei genau der Nennfrequenz und da die Frequenz ist abhängig von der Ausgangsleistung weist das Magnetron mit einem Spektrumanalysator gemessen werden. Die Resonanzfrequenz des koaxialen Resonators kann durch nach oben und unten Bewegen des metallischen Düse eingestellt werden. Diese Resonanzfrequenz gemessen werden kann und somit auch an die Sendefrequenz des eingesetzten Magnetron mit einem Netzwerkanalysator eingestellt. Um das hohe elektrische Feld an der Spitze der Düse zu erreichen, für die Zündung erforderlichedes Plasmas wird ein Drei Abstimmstichleitung zusätzlich benötigt. Diese drei Stub-Tuner ist eine häufig verwendete Mikrowellenkomponente. Die drei Abstimmstichleitung zwischen der Mikrowellenplasmabrenner und dem Magnetron angeordnet ist. Nachdem die Resonanzfrequenz des Koaxialresonators eingestellt wird, wird die Vorwärtsleistung maximiert und die reflektierte Leistung durch iteratives Einstellen der Stutzen der drei Abstimmstichleitung minimiert.
Nachdem die Resonanzfrequenz des Koaxialresonators sowie mit maximiert die Vorwärtskraft durch den Drei Abstimmstichleitung eingestellt wird, kann das Plasma aus dem Mikrowellenplasmabrenner gezündet wird, wenn die Mikrowellen-Plasmabrenner ist mit einer Magnetron verbunden ist. Für die Zündung des Plasmas eine minimale Mikrowellenleistung von etwa 0,3 bis 1 kW ausreicht. Das Plasma zündet im Koaxialresonator. Nach dem Zünden des Plasmas wird die Resonanzfrequenz des Koaxialresonators ist aufgrund der Dielektrizitätskonstante des Plasmas und die Mikrowelle nicht verschobenmehr in den Koaxialresonator eindringen. Somit sind die Plasma-Schalter von der koaxialen Modus in seine wesentlich verlängerten zylindrischen Modus Verbrennen frei stehen über die metallische Düse in der Mitte des zylindrischen Resonators. Da die Qualität des zylindrischen Modus ist sehr niedrig, und daher weist ein breites Resonanzkurve kann die Mikrowelle noch in trotz der Verschiebung der Resonanzfrequenz des zylindrischen Resonators dringen aufgrund der Dielektrizitätskonstante des Plasmas. Somit wird ein kontinuierlicher und stabiler Betrieb des Plasmas in der zylindrischen Mode von der Mikrowellenplasmabrenner versehen ist. Um jedoch eine vollständige Absorption des zugeführten Mikrowellenleistung zu erreichen, müssen die Stubs der drei Abstimmstichleitung neu eingestellt werden. Andernfalls wird die zugeführte Mikrowellenleistung nicht vollständig von dem Plasma absorbiert, sondern ein gewisser Prozentsatz der bereitgestellten Mikrowelle reflektiert wird und durch die Wasserlast absorbiert.
Um die Zündung des Plasmas in den koaxialen untersuchenModus und dessen Übergang in die erweiterte zylindrische Modus wird der Plasmazündung durch eine Hochgeschwindigkeitskamera beobachtet.
Das vorgestellte Film zeigt, wie die Frequenzabhängigkeit des Magnetrons gemessen, die Resonanzfrequenz des Koaxialresonators eingestellt, wie die Vorwärtsleistung maximiert wird, und wie das Plasma wird durch die zugeführte Mikrowellenleistung gezündet. Die High-Speed-Kamera-Aufnahme ist ebenfalls dargestellt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die vorgestellte Film beschreibt, wie eine Zündung eines Atmosphärendruck Mikrowellenplasma ohne zusätzliche Zünder realisiert, werden die Grundprinzipien dieser Mikrowellenplasmabrenner, dessen Einstellung, den Zündvorgang des Plasmas und seiner stabilen und kontinuierlichen Betrieb. Wie in der Einleitung beschrieben wurde, gibt es bereits verschiedene Arten von Mikrowellen-Plasmabrenner, aber keiner von denen eine Zündung des Plasmas bereitzustellen, ohne irgendwelche zusätzlichen Zünder sowie stabile und kont…
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).
