כיצד להצית לחץ האטמוספרה מיקרוגל פלזמה לפיד ללא כל igniters נוסף
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
סרט זה מראה כיצד לפיד פלזמה לחץ אטמוספרי ניתן הצית ידי כוח המיקרוגל ללא igniters נוסף. לאחר ההצתה של הפלזמה, פעולה יציבה ומתמשכת של הפלזמה היא אפשרית ולפיד הפלזמה יכול לשמש ליישומים רבים ושונים. מצד אחד, הפלזמה החמה (3,600 טמפרטורת K גז) יכולה לשמש לתהליכים כימיים ומצד שני הזוהר הקר (טמפרטורות עד כמעט RT) יכולות להיות מיושמות בתהליכי פני השטח. לדוגמא סינתזות כימיות הם תהליכי נפח מעניינים. הנה לפיד הפלזמה המיקרוגל יכול לשמש לפירוק של גזי פליטה מזיקים ותורמים להתחממות הגלובלית, אבל יש צורך בתחריט גזים בגידול מגזרי תעשייה כמו ענף המוליכים למחצה. יישום נוסף הוא הניתוק של CO 2. אנרגיה חשמלית עודפת ממקורות אנרגיה מתחדשים יכולה לשמש כדי לנתק CO 2 לCO ו- O 2. CO יכול להיות פרו נוסףcessed לפחמימנים גבוהים יותר גזים או נוזליים ובכך לספק אחסון כימי של האנרגיה, דלקים סינטטיים או כימיקלים פלטפורמה לתעשייה הכימית. יישומים של הזוהר של לפיד הפלזמה הם טיפול במשטחים להגדיל את ההידבקות של לכה, דבק או צבע, ועיקור או חיטוי מסוג של משטחים שונים. הסרט יסביר כיצד להצית את הפלזמה אך ורק על ידי כוח המיקרוגל ללא כל igniters נוסף, למשל, ניצוצות חשמליים. לפיד הפלזמה המיקרוגל מבוסס על שילוב של שתי תהודה – אחד קואקסיאליים המספק ההצתה של הפלזמה ואחת גלילי המבטיחה פעולה רציפה ויציבה של הפלזמה לאחר הצתה. הפלזמה יכולה להיות מופעלת בצינור שקוף מיקרוגל ארוך לתהליכי נפח או מעוצבת על ידי פתחים למטרות טיפול פני השטח.
Introduction
לפידי פלזמה מיקרוגל לחץ אטמוספרי מציעים מגוון רחב של יישומים שונים. מצד אחד הם יכולים לשמש לתהליכים כימיים ונפח מצד שני הפלזמה הזוהר שלהם יכולה להיות מיושמת לטיפול במשטחים. כטיפול שטח תהליכי הטיפול להגדיל את ההידבקות של דבק, צבע או לכה או הטיהור או עיקור של משטחים יכול להיות שם. הפלזמה החמה ותגובתי עצמו יכול לשמש לתהליכי נפח כמו הפירוק של גזי פליטה 1-7. גזי פליטה אלה מזיקים, תורמים להתחממות כדור הארץ וכמעט לא יכולים להיות מושפלים באופן קונבנציונלי. עם זאת, הם נדרשים בגידול ענפי תעשייה כגון ענף המוליכים למחצה. יישומים אחרים הם סינתזה כימית כמו הניתוק של CO 2 לCO ו- O 2 או 4 CH לפחמן ומימן 8,9. אנרגיה חשמלית עודפת ממקורות אנרגיה מתחדשים יכולה לשמש כדי לנתק CO <sub> 2 לCO ו- O 2. CO יכול להיות מעובד נוסף לפחמימנים גבוהים יותר שיכול לשמש כדלקים מלאכותיים לתחבורה, כמו כימיקלים פלטפורמה לתעשייה הכימית או כאחסון כימי.
יש כמה לפידי פלזמה מיקרוגל אבל רובם יש חסרונות: יש להם רק בנפחי פלזמה קטנים מאוד, צריך igniters נוסף, צריך קירור של כור הפלזמה או יכולים להיות מופעלים רק במצב 10-18 פעם. לפיד הפלזמה המיקרוגל מוצג בסרט הזה מציע הצתה של הפלזמה אך ורק עם כוח המיקרוגל הניתן ללא igniters נוסף, כמו גם פעולה יציבה ורציפה ללא כל קירור של כור הפלזמה עבור מגוון רחב של פרמטרים תפעול וניתן להשתמש בם לכל היישומים שהוזכרו לעיל. לפיד הפלזמה המיקרוגל מבוסס על שילוב של שתי תהודה: אחד קואקסיאליים ואחד גלילי. יש המהוד הגלילי באיכות נמוכה, והוא operated ב-mode E 010 הידוע עם השדה החשמלי הגבוה ביותר במרכזו. המהוד קואקסיאליים ממוקם מתחת למהוד הגלילי והוא מורכב מפיית מתכת מטלטלין בשילוב עם אספקת גז משיקה. האיכות הגבוהה של המהוד קואקסיאליים מציגה עקומת תהודה מאוד צרה אך עמוקה. בשל האיכות הגבוהה של המהוד קואקסיאליים ניתן להגיע לשדה חשמלי גבוה הנדרש להצתה של הפלזמה. עם זאת, באיכות הגבוהה של המהוד קואקסיאליים קשורה עם עקומת תהודה צרה מאוד ולכן תדר התהודה יש להתאים את התדר של המיקרוגל מסופק בצורה מושלמת. מאז משמרות תדר תהודה לאחר ההצתה של הפלזמה בשל permittivity של הפלזמה, המיקרוגל כבר לא יכול לחדור לתוך המהוד קואקסיאליים. לפעולה רציפה של הפלזמה יש צורך המהוד הגלילי עם איכות נמוכה ועקום תהודה רחבה.
אספקת גז צירי נוספת באמצעות הזרבובית מתכתית של המהוד קואקסיאליים אפשרית. הפלזמה מובערת ומוגבלת בצינור מיקרוגל-שקוף, למשל שפופרת קוורץ. Permittivity של שפופרת קוורץ משפיע גם על תדר התהודה. מאז קוורץ יש permittivity של> 1, הנפח של המהוד הגלילי הוא כמעט מוגדל שמוביל לתדר תהודה נמוך יותר. תופעה זו יש לקחת בחשבון כאשר הממדים של המהוד הגלילי נועדו. ניתן למצוא דיון מפורט על איך תדר התהודה מושפע משפופרת קוורץ הוכנסה בהתייחסות 23. אם נעשה שימוש בשפופרת קוורץ ארוכה וממושכת, זה יכול לשמש גם תא התגובה לתהליכי הנפח. עם זאת, לטיפולי שטח הפלזמה יכולה להיות גם בצורה שונה על ידי סוג של פתחים שונים. המיקרוגל מסופק באמצעות מוליך גל מלבני מmagnetron. כדי למנוע מטרדי רעש השימוש בmagnetron אדווה נמוך הוא recommהסתיים. Magnetron המשמש בסרט הוא אדווה נמוכה אחד.
להצתה של הפלזמה המהוד קואקסיאליים באיכות גבוהה משמש בעת פעולה יציבה ורציפה מסופקת על ידי המהוד הגלילי. כדי להשיג את ההצתה של הפלזמה על ידי המהוד קואקסיאליים באיכות הגבוהה תדר התהודה של מהוד זה יש להתאים את התדר של המיקרוגל הניתן על ידי magnetron להשתמש בצורה מושלמת. מכיוון שכל magnetrons אינו פולט תדרי מיקרוגלם בדיוק בתדר הנומינלי ומאז התדירות תלויה בתפוקת החשמל, magnetron יש למדוד עם מנתח ספקטרום. תדר התהודה של המהוד קואקסיאליים יכול להיות מותאם על ידי נע מעלה ומטה הזרבובית מתכתית. תדר תהודה זו ניתן למדוד ובכך גם מותאם לתדירות השליחה של magnetron שימוש עם מנתח רשת. כדי להגיע לשדה החשמלי הגבוה בקצה הנחיר, הנדרש להצתהשל הפלזמה, יש צורך במקלט שלושה בדל בנוסף. מקלט בדל שלושה זהו מרכיב מיקרוגל נפוץ. מקלט שלושה הבדל הוא רכוב בין לפיד הפלזמה המיקרוגל וmagnetron. לאחר תדר התהודה של המהוד קואקסיאליים מותאם, הכח קדימה מוגדל והכוח בא לידי ביטוי למזער על ידי iteratively התאמת הספחים של מקלט שלושה בדל.
לאחר שהתאים את תדר התהודה של המהוד קואקסיאליים כמו גם שמרבית הסמכויות קדימה באמצעות מקלט שלושה בדל, הפלזמה של לפיד הפלזמה מיקרוגל ניתן הציתה כאשר לפיד הפלזמה המיקרוגל מחובר לmagnetron. להצתה של הפלזמה כוח מיקרוגל מינימום של כ 0.3-1 כ"ס מספיק. הפלזמה מציתה במהוד קואקסיאליים. לאחר ההצתה של הפלזמה תדר התהודה של המהוד קואקסיאליים מוסט בשל permittivity דיאלקטרי של הפלזמה והמיקרוגל יכול לאעוד לחדור לתוך המהוד קואקסיאליים. לפיכך, מתגי הפלזמה מהמצב למצב קואקסיאליים הגלילי הרבה יותר המורחב שלה בוערים בחופשיות-עומדים מעל הנחיר המתכתי במרכז המהוד הגלילי. מכיוון שאיכות המצב הגלילי היא נמוכה מאוד, ולכן מציגה עקומת תהודה רחבה, המיקרוגל עדיין יכול לחדור לתוך המהוד הגלילי למרות המשמרת של תדר התהודה בשל permittivity דיאלקטרי של הפלזמה. לפיכך, פעולה רציפה ויציבה של הפלזמה במצב הגלילי מסופקת על ידי לפיד הפלזמה מיקרוגל. עם זאת, כדי להגיע לקליטה של כוח המיקרוגל סופק מוחלטת, הספחים של מקלט בדל שלושה צריכים להיות וסדרה. אחרת כוח המיקרוגל סיפק לא נספג לחלוטין על ידי הפלזמה אבל אחוז מסוים של המיקרוגל סיפק בא לידי ביטוי ונקלט על ידי עומס המים.
כדי לבחון את ההצתה של הפלזמה בקואקסיאלייםמצב ולאחר מכן המעבר שלה למצב הגלילי המורחב, ההצתה הפלזמה נצפתה על ידי מצלמה במהירות גבוהה.
הסרט הוצג יציג כיצד התלות בתדר של magnetron נמדדת, תדר התהודה של המהוד קואקסיאליים מותאם, איך הכח קדימה מוגדל ואיך הפלזמה שמוצתת באמצעות כוח המיקרוגל מסופק. הקלטת מצלמת המהירות הגבוהה מוצגת גם כן.
Protocol
Representative Results
Discussion
הסרט הוצג מסביר כיצד הצתה של פלזמה מיקרוגל לחץ אטמוספרי ללא כל igniters נוסף יכולה להתממש, את העקרונות הבסיסיים של לפיד זה מיקרוגל פלזמה, התאמת, תהליך ההצתה של הפלזמה והפעולה היציבה והמתמשכת שלה. כפי שתואר במבוא, יש סוגים של לפידי פלזמה מיקרוגל שונים כבר אבל אף אחד מאותם י…
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).
