Hur Ignite ett atmosfärstryck Mikrovågsugn Plasma Torch utan ytterligare Tändstiften
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
Denna film visar hur ett atmosfärstryck plasmabrännare kan antändas av mikrovågseffekt utan extra tändare. Efter antändning av plasman, är en stabil och kontinuerlig drift av plasma möjligt och plasmabrännaren kan användas för många olika tillämpningar. Å ena sidan kan den heta (3.600 K gastemperatur) plasma användas för kemiska processer och å andra sidan den kalla glöden (temperaturer ner till nästan RT) kan sökas ytprocesser. Till exempel kemiska synteser är intressanta volymprocesser. Här mikrovågsugnen plasmabrännaren kan användas för nedbrytning av avfall gaser som är skadliga och bidrar till den globala uppvärmningen, men behövs som etsning gaser i växande branscher som halvledarbranschen. En annan tillämpning är dissociationen av CO2. Överskott elektrisk energi från förnybara energikällor kan användas för att dissociera CO2 till CO och O2. CO kan vara ytterligare probearbetas till gasformiga eller flytande högre kolväten därmed ger kemisk lagring av energi, syntetiska bränslen eller plattformskemikalier för den kemiska industrin. Tillämpningar av efterglöden av plasmabrännaren är behandling av ytor för att öka vidhäftningen av lack, lim eller färg, och sterilisering eller dekontaminering av olika typer av ytor. Filmen kommer att förklara hur man tända plasman enbart genom mikrovågseffekt utan extra tändanordningar, t.ex. elektriska gnistor. Mikrovågsugnen plasmabrännare är baserad på en kombination av två resonatorer – en koaxiell en som ger tandningen av plasmat och en cylindrisk en som garanterar en kontinuerlig och stabil drift av plasma efter antändning. Plasman kan drivas i en lång mikrovågstransparent rör för volymprocesser eller formas av öppningar för ytbehandling ändamål.
Introduction
Atmosfärtryck mikrovågsugn plasmabrännare erbjuder en mängd olika applikationer. Å ena sidan kan de användas för kemiska volymprocesser och å andra sidan deras glöden plasma kan användas för behandling av ytor. Som ytbehandling behandlar behandling för att öka vidhäftningen av lim, färg eller lack eller dekontaminering eller sterilisering av ytor kan namnges. Den heta och reaktiva själva plasman kan användas för volym processer såsom nedbrytningen av restgaser 1-7. Dessa avgaser är skadliga, bidrar till den globala uppvärmningen och kan knappast brytas ned konventionellt. Men de behövs i växande branscher såsom halvledarbranschen. Andra tillämpningar är kemisk syntes som dissociationen av CO2 till CO och O 2 eller CH 4 till kol och väte 8,9. Överskott elektrisk energi från förnybara energikällor kan användas för att dissociera CO <sub> 2 till CO och O 2. CO kan bearbetas ytterligare till högre kolväten som kan användas som syntetiska bränslen för transporter, som plattformskemikalier för kemisk industri eller som kemisk lagring.
Det finns några mikrovågsugn plasmabrännare men de flesta av dem har nackdelar: De har bara mycket små plasmavolymer, behöver ytterligare tändare, behöver kylning av reaktorplasma eller kan endast användas i pulsad läge 10-18. Mikrovågsugnen plasmabrännare som presenteras i den här filmen ger en antändning av plasman enbart med den medföljande mikrovågseffekt utan extra tändare samt en stabil och kontinuerlig drift utan kylning av reaktorplasma för ett brett spektrum av driftsparametrar och kan användas för alla de ovan nämnda ansökningarna. Mikrovågsugnen plasmabrännare är baserad på en kombination av två resonatorer: en koaxiell en och en cylindrisk en. Den cylindriska resonatorn har en låg kvalitet och är operated i den välkända E 010 -mode med den högsta elektriska fältet i dess centrum. Den koaxiala resonatorn ligger nedanför den cylindriska resonatorn och består av en rörlig metallmunstycke i kombination med en tangentiell gastillförsel. Den höga kvaliteten hos den koaxiala resonatorn uppvisar en mycket smal men djupt resonanskurva. På grund av den höga kvaliteten hos den koaxiala resonatorn en hög elektrisk fält kan nås som krävs för antändning av plasmat. Men den höga kvaliteten på koaxialresonator förknippad med en mycket smal resonans kurva och därmed resonansfrekvensen måste perfekt matcha frekvensen på den medföljande micro. Eftersom resonansfrekvensskift efter antändning av plasman på grund av permittiviteten hos plasmat, kan mikrovågsugnen inte längre tränga in i koaxialresonator. För den kontinuerliga driften av plasma behövs det cylindriska resonator med en låg kvalitet och en bred resonans kurva.
En ytterligare axiell gasförsörjning via det metall munstycke koaxialresonator är möjlig. Plasman antändes och begränsas i en mikrovågsugn-transparent rör, exempelvis ett kvartsrör. Permittiviteten av kvartsröret påverkar också resonansfrekvensen. Eftersom kvartsen har en permittivitet av> 1, är volymen av den cylindriska resonatorn nästan förstorad vilket leder till en lägre resonansfrekvens. Detta fenomen måste beaktas när dimensionerna på den cylindriska resonatorn är utformade. En detaljerad diskussion om hur resonansfrekvensen påverkas av det införda kvartsröret kan hittas i referens 23. Om en lång och utsträckt kvartsrör används, kan denna också fungera som reaktionskammare för volymprocesser. Men för ytbehandlingar plasmat kan också formas på olika sätt av olika typer av öppningar. Mikrovågsugnen matas via en rektangulär vågledare från magnetronen. För att undvika bullerstörningar användningen av ett lågt rippel magne är recommslutade. Den magnetron som används i filmen är en lågt rippel en.
För antändning av plasmat med hög kvalitet koaxialresonator används medan en stabil och kontinuerlig drift tillhandahålls av den cylindriska resonatorn. För att uppnå antändning av plasma genom den höga kvaliteten koaxialresonator resonansfrekvensen för denna resonator måste perfekt matcha frekvensen av mikrovågsugn från den använda magne. Eftersom alla magnetroner inte avger sin mikrovågsfrekvens vid exakt den nominella frekvensen och eftersom frekvensen är beroende av uteffekten, har magnetronen för att mätas med en spektrumanalysator. Resonansfrekvensen hos den koaxiala resonatorn kan justeras genom att flytta det metalliska munstycket upp och ned. Denna resonansfrekvens kan mätas och därigenom justeras också till den sändande frekvensen hos den använda magnetronen med en nätverksanalysator. För att nå den höga elektriska fältet vid spetsen av munstycket, som erfordras för antändningav plasman, behövs en tre stub tuner dessutom. Detta tre stub tuner är en vanligt förekommande mikrovågsugn komponent. Den tre stub tunern är monterad mellan mikrovågsugn plasmabrännaren och magnetronen. Efter resonansfrekvensen hos den koaxiala resonatorn justeras, är frameffekten maximeras och den reflekterade effekten minimeras genom iterativ justering av stubbar av tre stub tunern.
Efter att ha justerat resonansfrekvensen hos den koaxiala resonatorn samt ha maximframåt krafter med hjälp av det tre stub tunern, kan plasman hos mikrovågsugnen plasmabrännaren antändas när mikrovågsugnen plasmabrännaren är ansluten till en magnetron. För antändning av plasmat en minsta mikrovågseffekt av omkring 0,3 till 1 kW räcker. Plasman antänds i den koaxiala resonatorn. Efter antändning av plasmat resonansfrekvensen hos den koaxiala resonatorn förskjuts på grund av den dielektriska permittiviteten av plasmat och mikrovågssystem kan ingenlängre tränga in i koaxialresonator. Således plasma växlar från koaxialläge till dess mycket mer utsträckt cylindrisk läget brinnande fritt stående ovanför metallmunstycket i mitten av den cylindriska resonator. Eftersom kvaliteten på den cylindriska läget är mycket låg och därför uppvisar en bred resonans kurva kan mikrovågssystem ändå tränga in i den cylindriska resonatorn trots av förskjutningen av resonansfrekvensen på grund av den dielektriska permittiviteten av plasmat. Således är en kontinuerlig och stabil drift av plasmat i den cylindriska läge som erbjuds av mikrovågsugnen plasmabrännaren. Men för att nå en fullständig absorption av den medföljande mikrovågseffekt, de stubbar i tre stubb tunern måste justeras. Annars den medföljande mikrovågseffekt inte helt absorberas av plasma utan några procent av den medföljande mikro reflekteras och absorberas av vattenbelastningen.
För att undersöka antändning av plasmat i den koaxialaläge och sedan dess övergång i den förlängda cylindriska läget, är plasma antändning observeras av en höghastighetskamera.
Den presenterade filmen kommer att visa hur frekvensberoendet magnetronens mätes, är resonansfrekvensen hos den koaxiala resonatorn justeras, hur den sändningseffekt maximeras och hur plasmat antänds av den tillförda mikrovågseffekten. Den höga hastigheten kamerainspelning visas också.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den presenterade filmen beskrivs hur en antändning av ett atmosfärstryck mikrovågsugn plasma utan några ytterligare tändare kan realiseras, de grundläggande principerna för denna mikrovågsugn plasmabrännare, dess anpassning, tändningsprocessen av plasma och dess stabila och kontinuerlig drift. Såsom beskrivits i inledningen, finns det redan olika typer av mikrovågsugnar plasmabrännare, men ingen av dem ger en antändning av plasmat utan några ytterligare tändare samt stabil och kontinuerlig plasma drift. …
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).
