Cómo Encender una presión atmosférica de microondas de la antorcha de plasma sin ningún Encendedores adicionales
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
Esta película muestra cómo un soplete de plasma a presión atmosférica puede ser encendido por la energía de microondas sin encendedores adicionales. Después de la ignición del plasma, una operación estable y continua del plasma es posible y la antorcha de plasma se puede utilizar para muchas aplicaciones diferentes. Por un lado, la caliente (3600 K de temperatura de gas) de plasma se puede utilizar para procesos químicos y por otro lado el resplandor frío (temperaturas de hasta casi RT) se pueden aplicar para los procesos de superficie. Por ejemplo síntesis químicas son procesos volumen interesantes. Aquí la antorcha de plasma de microondas se puede utilizar para la descomposición de los gases residuales nocivos y contribuyen al calentamiento global, pero son necesarios como el grabado de gases en el crecimiento de los sectores de la industria como la rama de semiconductores. Otra aplicación es la disociación de CO 2. Excedente de energía eléctrica a partir de fuentes de energía renovables puede utilizarse para disociar CO 2 a CO y O2. El CO puede ser más prosar en hidrocarburos superiores gaseosos o líquidos, proporcionando así el almacenamiento químico de la energía, los combustibles sintéticos o químicos de plataforma para la industria química. Aplicaciones del resplandor de la antorcha de plasma son el tratamiento de superficies para aumentar la adherencia de la laca, el pegamento o la pintura, y la esterilización o descontaminación de los diferentes tipos de superficies. La película se explica cómo encender el plasma únicamente por la potencia de microondas sin ningún ignitores adicionales, por ejemplo, chispas eléctricas. La antorcha de plasma de microondas se basa en una combinación de dos resonadores – una coaxial que proporciona la ignición del plasma y una cilíndrica, que garantiza un funcionamiento continuo y estable del plasma después de la ignición. El plasma puede ser operado en un tubo transparente a largo microondas durante los procesos de volumen o en forma de por orificios para los propósitos de tratamiento de superficies.
Introduction
Sopletes de plasma de microondas presión atmosféricas ofrecen una variedad de aplicaciones diferentes. Por un lado se pueden utilizar para los procesos químicos de volumen y por otra parte su plasma resplandor puede ser aplicado para el tratamiento de superficies. Como tratamiento de la superficie procesa el tratamiento para aumentar la adherencia del pegamento, pintura o laca o la descontaminación o esterilización de superficies puede ser identificado. El propio plasma caliente y reactiva se puede utilizar para los procesos de volumen, como la descomposición de los gases residuales 1-7. Estos gases residuales son perjudiciales, contribuyen al calentamiento global y difícilmente pueden ser degradados convencionalmente. Sin embargo, se necesitan en el crecimiento de los sectores industriales, tales como la rama de semiconductores. Otras aplicaciones son la síntesis química como la disociación de CO 2 a CO y O 2 o CH 4 de carbono y 8,9 hidrógeno. Excedente de energía eléctrica a partir de fuentes de energía renovables puede utilizarse para disociar CO <sub> 2 en CO y O2. El CO se puede procesar adicionalmente en hidrocarburos superiores que pueden utilizarse como combustibles sintéticos para el transporte, como los productos químicos de la plataforma para la industria química o como almacenamiento de productos químicos.
Hay algunas antorchas de plasma de microondas, pero la mayoría de ellos tienen desventajas: Sólo tienen volúmenes de plasma muy pequeñas, necesitan ignitores adicionales, necesitan refrigeración del reactor de plasma o sólo pueden funcionar en modo pulsado 10-18. La antorcha de plasma de microondas presentado en esta película ofrece una ignición del plasma únicamente con la potencia de microondas proporcionan sin ignitores adicionales, así como una operación estable y continua sin ningún enfriamiento del reactor de plasma para una amplia gama de parámetros de funcionamiento y se puede utilizar para todas las aplicaciones mencionadas anteriormente. La antorcha de plasma de microondas se basa en una combinación de dos resonadores: una coaxial y una cilíndrica. El resonador cilíndrico tiene una baja calidad y es operated en el conocido E 010 -mode con el campo eléctrico más alto en el centro. El resonador coaxial se encuentra por debajo del resonador cilíndrico y consiste en una boquilla metálica móvil en combinación con un suministro de gas tangencial. La alta calidad del resonador coaxial presenta una curva de resonancia muy estrecha pero profunda. Debido a la alta calidad del resonador coaxial un campo eléctrico de alta puede llegar a que es necesario para el encendido del plasma. Sin embargo, la alta calidad del resonador coaxial está asociado con una curva de resonancia muy estrecho y por lo tanto la frecuencia de resonancia tiene para adaptarse perfectamente a la frecuencia de las microondas suministrado. Dado que los cambios de frecuencia de resonancia después de la ignición del plasma debido a la permitividad del plasma, el horno de microondas ya no puede penetrar en el resonador coaxial. Para el funcionamiento continuo del plasma se necesita el resonador cilíndrico con una calidad baja y una curva de resonancia amplia.
Un suministro de gas axial adicional a través de la boquilla metálica del resonador coaxial es posible. El plasma se enciende y confinado en un tubo transparente a las microondas, por ejemplo un tubo de cuarzo. La permitividad del tubo de cuarzo también afecta a la frecuencia de resonancia. Dado que el cuarzo tiene una permitividad de> 1, el volumen del resonador cilíndrico es prácticamente ampliada que conduce a una frecuencia de resonancia más baja. Este fenómeno tiene que ser considerado cuando las dimensiones del resonador cilíndrico están diseñados. Una discusión detallada sobre cómo la frecuencia de resonancia se ve afectada por el tubo de cuarzo insertado se puede encontrar en la referencia 23. Si se utiliza un tubo de cuarzo largo y prolongado, este también puede actuar como la cámara de reacción para los procesos de volumen. Sin embargo, para los tratamientos de superficie del plasma también puede tener una forma distinta por diferentes tipos de orificios. El microondas se suministra a través de una guía de ondas rectangular de la magnetrón. Para evitar la contaminación acústica el uso de un magnetrón ondulación baja es recommterminado. El magnetrón que se utiliza en la película es un mínimo de un ondulación.
Para el encendido del plasma se utiliza el resonador coaxial de alta calidad mientras una operación estable y continua es proporcionada por el resonador cilíndrico. Para lograr el encendido del plasma por el resonador coaxial de alta calidad la frecuencia de resonancia de este resonador tiene que coincidir perfectamente la frecuencia de las microondas suministrada por el magnetrón utilizado. Dado que todos los magnetrones no emiten su frecuencia de microondas exactamente a la frecuencia nominal y puesto que la frecuencia depende de la potencia de salida, el magnetrón tiene que ser medido con un analizador de espectro. La frecuencia de resonancia del resonador coaxial se puede ajustar moviendo la boquilla metálica arriba y hacia abajo. Esta frecuencia de resonancia se puede medir y por lo tanto también ajustada a la frecuencia de envío del magnetrón se utiliza con un analizador de red. Para alcanzar el campo eléctrico de alta en la punta de la boquilla, requerida para la ignicióndel plasma, se necesita un sintonizador de tres stub en adición. Este tres sintonizador talón es un componente de microondas de uso común. El sintonizador de tres stub se monta entre la antorcha de plasma de microondas y el magnetrón. Después se ajusta la frecuencia de resonancia del resonador coaxial, la potencia hacia adelante se maximiza y minimiza la potencia reflejada por iterativamente ajustar el talones del sintonizador de tres trozo.
Después de haber ajustado la frecuencia de resonancia del resonador coaxial, así como de haber maximizado los poderes hacia adelante por medio del sintonizador de tres stub, el plasma de la antorcha de plasma de microondas puede ser encendido cuando la antorcha de plasma de microondas está conectado a un magnetrón. Para el encendido de la potencia de microondas de plasma de un mínimo de alrededor de 0,3 a 1 kW es suficiente. El plasma se enciende en el resonador coaxial. Después de la ignición del plasma la frecuencia de resonancia del resonador coaxial se desplaza debido a la permitividad dieléctrica del plasma y el horno de microondas puede noya penetrar en el resonador coaxial. Por lo tanto, los interruptores de plasma desde el modo coaxial en su modo cilíndrica mucho más extendida quema libremente de pie encima de la boquilla metálica en el centro del resonador cilíndrico. Dado que la calidad de la modalidad cilíndrica es muy baja y por lo tanto exhibe una curva de resonancia amplia, el horno de microondas todavía puede penetrar en el resonador cilíndrico a pesar del desplazamiento de la frecuencia de resonancia debido a la permitividad dieléctrica del plasma. Por lo tanto, un funcionamiento continuo y estable del plasma en el modo cilíndrico está provisto por la antorcha de plasma de microondas. Sin embargo, para llegar a una absorción completa de la potencia de microondas suministrada, los talones de los tres sintonizador de talón tienen que ser reajustado. De lo contrario, la potencia de microondas suministrada no está completamente absorbida por el plasma, pero un porcentaje del microondas proporcionada es reflejada y absorbida por la carga de agua.
Para examinar la ignición del plasma en el coaxialmodo y luego su transición al modo cilíndrica extendida, el encendido de plasma es observada por una cámara de alta velocidad.
La película presentada mostrará cómo se mide la dependencia de la frecuencia del magnetrón, la frecuencia de resonancia del resonador coaxial se ajusta, cómo se maximiza la potencia hacia adelante y cómo el plasma se enciende por la potencia de microondas suministrado. La grabación de la cámara de alta velocidad se muestra también.
Protocol
Representative Results
Discussion
La película presentada explica cómo una ignición de un plasma de microondas presión atmosférica sin ningún ignitores adicionales se puede realizar, los principios básicos de esta antorcha de plasma de microondas, su ajuste, el proceso de ignición del plasma y su operación estable y continua. Como se describe en la introducción, ya hay diferentes tipos de sopletes de plasma de microondas pero ninguno de los proporcionan una ignición del plasma sin ningún ignitores adicionales así como la operación de plasma…
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 |
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