Hoe maak je een atmosferische druk Magnetron Plasma Torch Ignite zonder extra vonkonststekers
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
Deze film laat zien hoe een atmosferische druk plasma toorts worden ontstoken door de magnetron zonder extra ontstekers. Na ontsteking van het plasma, een stabiele en continue werking van het plasma mogelijk en de plasmatoorts kan worden gebruikt voor vele verschillende toepassingen. Enerzijds kan de hete (3600 K gastemperatuur) plasma worden gebruikt voor chemische processen en anderzijds de koude nagloeien (temperaturen tot bijna kamertemperatuur) kan worden toegepast oppervlakteprocessen. Bijvoorbeeld chemische syntheses interessant volume processen. Hier de microgolf plasma toorts kan worden gebruikt voor de ontleding van afvalgassen die schadelijk zijn en bijdragen aan het broeikaseffect, maar is nodig als etsgassen in groeiende sectoren zoals de halfgeleider tak. Een andere toepassing is de dissociatie van CO2. Overtollige elektrische energie uit hernieuwbare energiebronnen kunnen worden gebruikt om de CO 2 distantiëren om CO en O 2. De CO kan verder zijn proopend voor gasvormige of vloeibare koolwaterstoffen met een hoger waardoor chemische opslag van de energie, synthetische brandstoffen of platform chemische producten voor de chemische industrie. Toepassingen van het nagloeien van de plasmatoorts de behandeling van oppervlakken de hechting van lak, lijm of verf te verhogen en de sterilisatie of decontaminatie van verschillende soorten oppervlakken. De film zal uitleggen hoe het plasma uitsluitend ontsteken door de magnetron zonder extra ontstekers, bijvoorbeeld, elektrische vonken. De microgolf plasma toorts is gebaseerd op een combinatie van twee resonatoren – een coaxiale een die de ontsteking van het plasma en een cilindrische een die een continue en stabiele werking van het plasma garandeert na ontsteking verschaft. Het plasma kan in een lange magnetron transparante buis worden gebruikt voor volume processen of gevormd door openingen voor oppervlaktebehandeling doeleinden.
Introduction
Atmosferische druk magnetron plasmabranders bieden een verscheidenheid van verschillende toepassingen. Enerzijds kunnen zij worden gebruikt voor chemische processen verlopen en anderzijds hun nagloei plasma kunnen worden voor de behandeling van oppervlakken. Als oppervlaktebehandeling verwerkt de behandeling om de hechting van lijm, verf of lak of de ontsmetting of sterilisatie van oppervlakken te vergroten kan worden genoemd. De warme en reactieve plasma zelf kan worden gebruikt voor processen verlopen zoals de afbraak van afvalgassen 1-7. Deze rookgassen schadelijk zijn, dragen bij aan de opwarming van de aarde en kan nauwelijks conventioneel worden afgebroken. Echter, ze nodig zijn in het kweken van industriële sectoren, zoals de halfgeleider tak. Andere toepassingen zijn chemische synthese als de dissociatie van CO2 tot CO en O 2 of CH 4 koolstof en waterstof 8,9. Overtollige elektrische energie uit hernieuwbare energiebronnen kunnen worden gebruikt om de CO distantiëren <sub> 2 tot CO en O2. De CO kan verder hogere koolwaterstoffen die kunnen worden gebruikt als synthetische brandstoffen voor het verwerken, zoals platformchemicaliën voor de chemische industrie of als chemische opslag.
Er zijn een aantal magnetron plasmatoortsen maar de meeste van hen hebben nadelen: Ze hebben slechts zeer kleine plasma volumes, behoefte aan extra ontstekers, moet de koeling van de plasma reactor of kan alleen in gepulst 10-18 worden bediend. De microgolf plasma toorts in deze film heeft een ontsteking van het plasma uitsluitend met behulp van de magnetron vermogen zonder extra ontstekers en een stabiele en continue werking zonder koeling van de plasma reactor voor een breed scala van bedrijfsparameters en kan worden gebruikt voor alle hierboven genoemde toepassingen. De microgolf plasma toorts is gebaseerd op een combinatie van twee resonatoren: een coaxiale een en een cilindrische één. De cilindrische resonator heeft een lage kwaliteit en is Operated in de bekende E 010 -mode met de hoogste elektrische veld in het midden. De coaxiale resonator bevindt zich onder de cilindrische resonator en bestaat uit een beweegbare metalen mondstuk in combinatie met een tangentiële gastoevoer. De hoge kwaliteit van de coaxiale resonator vertoont een zeer smalle maar diepe resonantie curve. Vanwege de hoge kwaliteit van de coaxiale resonator een hoog elektrisch veld te bereiken die nodig is voor de ontsteking van het plasma. Echter, de hoge kwaliteit van de coaxiale resonator gekoppeld met een zeer smalle resonantie curve en derhalve de resonantiefrequentie zal perfect overeenkomt met de frequentie van de geleverde magnetron. Aangezien de resonantiefrequentie verschuift na het ontsteken van het plasma vanwege de permittiviteit van het plasma, kan de magnetron niet meer doordringen in de coaxiale resonator. Voor de continue werking van het plasma de cilindrische resonator met een lage kwaliteit en een brede resonantie curve nodig.
Een extra axiale toevoer van gas via het metalen mondstuk van de coaxiale resonator mogelijk. Het plasma wordt ontstoken en opgesloten in een microgolf-transparante buis, bijvoorbeeld een kwartsbuis. De permittiviteit van de kwartsbuis ook invloed op de resonantiefrequentie. Aangezien het kwarts een permittiviteit van> 1, het volume van de cilindrische resonator vrijwel vergroot wat leidt tot een lagere resonantiefrequentie. Dit verschijnsel dient te worden overwogen wanneer de afmetingen van de cilindrische resonator ontworpen. Een gedetailleerde discussie over de resonantiefrequentie wordt beïnvloed door de ingebrachte kwartsbuis te vinden in referentie 23. Als een groot en uitgebreid kwartsbuis wordt gebruikt, kan deze ook als de reactiekamer voor het volume processen. Voor oppervlaktebehandelingen het plasma kan ook anders gevormd door verschillende soorten openingen. De magnetron wordt via een rechthoekige golfgeleider van de magnetron. Om geluidsoverlast te voorkomen dat het gebruik van een kleine rimpel magnetron is recommeindigde. De magnetron die wordt gebruikt in de film een kleine rimpel één.
Voor de ontsteking van het plasma de hoogwaardige coaxiale resonator wordt gebruikt terwijl een stabiele en continue werking wordt verschaft door de cilindrische resonator. Om de ontsteking van het plasma te bereiken door de hoogwaardige coaxiale resonator de resonantiefrequentie van deze resonator perfect overeenkomt met de frequentie van de microgolf door het gebruikte magnetron. Aangezien alle magnetrons niet hun microgolffrequentie uitzenden precies de nominale frequentie en aangezien de frequentie afhankelijk is van het vermogen, de magnetron worden gemeten met een spectrum analyzer. De resonantiefrequentie van de coaxiale resonator kan worden aangepast door op en neer bewegen van de metalen pijp. Deze resonantiefrequentie worden gemeten en daarmee ook aangepast aan de verzending frequentie van het gebruikte magnetron met een netwerkanalysator. Om het hoge elektrische veld komen aan het uiteinde van het mondstuk, die voor de ontstekingvan het plasma, wordt een drie stub tuner moeten naast. Deze drie beginnetje tuner is een veel gebruikte magnetron component. De drie stomp tuner is gemonteerd tussen de magnetron plasma toorts en de magnetron. Nadat de resonantiefrequentie van de coaxiale resonator wordt aangepast, wordt de voorwaartse vermogen gemaximaliseerd en het gereflecteerde vermogen geminimaliseerd door iteratief aanpassen van de stompen van de drie stub tuner.
Nadat de resonantiefrequentie van de coaxiale resonator en hebben gemaximaliseerd voorwaartse krachten via de drie stub tuner heeft ingesteld, kan het plasma van de microgolf plasma toorts ontsteken wanneer de microgolf plasma toorts is verbonden met een magnetron. Voor het ontsteken van het plasma een minimum microgolfvermogen van ongeveer 0,3-1 kW voldoende. Het plasma ontsteekt in de coaxiale resonator. Na de ontsteking van het plasma de resonantiefrequentie van de coaxiale resonator wordt verschoven door de diëlektrische permittiviteit van het plasma en de magnetron kan geenmeer doordringen in de coaxiale resonator. Dus het plasma schakelt van de coaxiale mode in zijn veel uitgebreider cilindrische modus verbranding vrij-staande boven het metalen mondstuk in het midden van de cilindrische resonator. Aangezien de kwaliteit van de cilindrische mode is zeer laag en daarom vertoont een brede resonantie curve kan de magnetron nog doordringen in de cilindrische resonator ondanks de verschuiving van de resonantiefrequentie door de diëlektrische permittiviteit van het plasma. Aldus wordt een continue en stabiele werking van het plasma in de cilindrische mode door de microgolf plasma toorts. Echter, om een volledige absorptie van de geleverde magnetronvermogen te bereiken, de stompjes van de drie beginnetje tuner moeten worden bijgesteld. Anders de geleverde microgolf vermogen niet volledig geabsorbeerd door het plasma, maar een bepaald percentage van de ontvangen microgolf wordt gereflecteerd en geabsorbeerd door de waterbelasting.
Om de ontsteking van het plasma in de coaxiale onderzoekenmodus en dan zijn overgang naar de verlengde cilindrische modus, wordt het plasma ontsteking waargenomen door een high speed camera.
De gepresenteerde film zal laten zien hoe de frequentie afhankelijkheid van de magnetron wordt gemeten, wordt de resonantiefrequentie van de coaxiale resonator aangepast, hoe de voorwaartse kracht wordt gemaximaliseerd en hoe het plasma wordt ontstoken door de meegeleverde magnetronvermogen. De high speed camera opname wordt ook getoond.
Protocol
Representative Results
Discussion
De gepresenteerde film legt uit hoe een ontsteking van een atmosferische druk microgolfplasmasysteem zonder extra ontstekers worden gerealiseerd, de basisprincipes van deze microgolf plasmatoorts, de afstelling, het ontstekingsproces van het plasma en de stabiele en continue werking. Zoals beschreven in de inleiding, er al verschillende microgolf plasmabranders maar geen van deze bieden een ontsteking van het plasma zonder extra ontstekers en stabiel en continue plasmabedrijf.
Een ontsteking…
Divulgazioni
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 |
Riferimenti
- 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).
