Comment Ignite une pression atmosphérique à micro-ondes de la flamme plasma sans aucune Allumeurs supplémentaires
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
Ce film montre comment une torche à plasma à pression atmosphérique peut être allumé en puissance micro-ondes sans allumeurs supplémentaires. Après l'allumage du plasma, un fonctionnement stable et continu du plasma est possible, et la torche à plasma peut être utilisé pour de nombreuses applications différentes. D'une part, le chaud (3600 K Température de gaz) plasma peut être utilisé pour les procédés chimiques et d'autre part la rémanence à froid (températures à presque RT) peuvent être appliqués pour les processus de surface. Par exemple synthèses chimiques sont des procédés de volumes intéressants. Voici la torche à plasma à micro-ondes peut être utilisé pour la décomposition des gaz résiduaires qui sont nocifs et contribuent au réchauffement global, mais sont nécessaires comme la gravure gaz dans les secteurs de l'industrie de plus en plus comme la branche des semi-conducteurs. Une autre application est la dissociation de CO 2. L'énergie électrique excédentaire à partir de sources d'énergie renouvelables peut être utilisée pour dissocier CO 2 à CO et O 2. Le CO peut être plus protransformés en hydrocarbures gazeux ou liquides supérieurs fournissant ainsi le stockage chimique de l'énergie, des carburants de synthèse ou de produits chimiques de plate-forme pour l'industrie chimique. Les applications de la rémanence de la torche à plasma sont le traitement de surfaces pour augmenter l'adhérence de la laque, de la colle ou de la peinture, et la stérilisation ou la décontamination de différents types de surfaces. Le film explique comment allumer le plasma uniquement par la force de micro-ondes sans allumeurs supplémentaires, par exemple, des étincelles électriques. La torche à plasma micro-ondes est fondé sur une combinaison de deux résonateurs coaxiaux – un qui fournit une l'allumage du plasma et un autre cylindrique qui garantit un fonctionnement stable et continu du plasma après l'allumage. Le plasma peut être utilisé dans un tube transparent aux micro-ondes pendant longtemps procédés de volume ou de forme par des orifices à des fins de traitement de surface.
Introduction
Torches à plasma à micro-ondes de pression atmosphériques offrent une variété d'applications différentes. D'une part, ils peuvent être utilisés pour des procédés chimiques et de volume, d'autre part leur plasma post-décharge peut être appliqué pour le traitement de surfaces. Comme traitement de surface traite le traitement pour augmenter l'adhérence de la colle, de la peinture ou de la laque ou la décontamination ou la stérilisation de surfaces peuvent être nommés. Le plasma chaud et réactif lui-même peut être utilisé pour les procédés de volume tels que la décomposition des gaz résiduaires 1-7. Ces gaz résiduaires sont nuisibles, contribuent au réchauffement mondial et peuvent difficilement être dégradés conventionnelle. Cependant, ils sont nécessaires dans les secteurs industriels de plus en plus comme la branche de semi-conducteurs. D'autres applications sont la synthèse chimique comme la dissociation de CO 2 et de CO ou CH 2 O 4 de carbone et d'hydrogène 8,9. L'énergie électrique excédentaire à partir de sources d'énergie renouvelables peut être utilisée pour dissocier CO <sub> 2 en CO et O 2. Le CO peut être traité en outre en hydrocarbures supérieurs qui peuvent être utilisés en tant que combustibles de synthèse pour le transport, la plate-forme comme produits chimiques pour l'industrie chimique ou le stockage de produits chimiques.
Il ya quelques torches à plasma à micro-ondes, mais la plupart d'entre eux présentent des inconvénients: Ils ne ont que de très petits volumes de plasma, doivent allumeurs supplémentaires, doivent refroidissement du réacteur à plasma ou ne peuvent être exploités en mode pulsé 10-18. La torche à plasma hyperfréquence présenté dans ce film offre un allumage du plasma uniquement avec la puissance micro-onde muni d'aucun allumeurs supplémentaires ainsi que d'un fonctionnement stable et continu sans aucun refroidissement du réacteur à plasma pour une large gamme de paramètres de fonctionnement et peut être utilisé pour toutes les applications mentionnées ci-dessus. La torche à plasma micro-ondes est fondé sur une combinaison de deux résonateurs coaxiaux: l'une cylindrique et une une. Le résonateur cylindrique a une faible qualité et est opérated dans le célèbre E 010 -mode avec le champ électrique plus élevée en son centre. Résonateur coaxial se trouve au-dessous du résonateur cylindrique et se compose d'une buse métallique mobile en combinaison avec une alimentation en gaz tangentielle. La haute qualité du résonateur coaxial présente une courbe de résonance très étroite mais profonde. En raison de la haute qualité du résonateur coaxial un champ électrique élevé peut être atteint ce qui est nécessaire pour l'allumage du plasma. Toutefois, la haute qualité du résonateur coaxial est associé à une courbe de résonance très étroit et par conséquent la fréquence de résonance doit correspondre parfaitement à la fréquence de l'onde hyperfréquence fournie. Étant donné que les décalages de fréquence de résonance après l'allumage du plasma en raison de la permittivité du plasma, le micro-ondes ne peut plus pénétrer dans le résonateur coaxial. Pour le fonctionnement en continu du plasma du résonateur cylindrique avec une basse qualité et une courbe de résonance large est nécessaire.
Un apport supplémentaire de gaz axiale via la buse métallique du résonateur coaxial est possible. Le plasma est allumé et confiné dans un tube transparent aux micro-ondes, par exemple un tube en quartz. La permittivité du tube de quartz affecte également la fréquence de résonance. Étant donné que le quartz présente une permittivité de> 1, le volume du résonateur est pratiquement cylindrique élargie qui conduit à une fréquence de résonance inférieure. Ce phénomène doit être pris en considération lorsque les dimensions du résonateur cylindrique sont conçus. Une discussion détaillée de la façon dont la fréquence de résonance est affectée par le tube de quartz inséré peut être trouvé dans la référence 23. Si un tube long et prolongé quartz est utilisé, il peut également agir en tant que chambre de réaction pour les procédés de volume. Toutefois, pour les traitements de surface du plasma peut également être mis en forme différemment par différents types d'orifices. Le micro-ondes est fourni par l'intermédiaire d'un guide d'onde rectangulaire à partir du magnétron. Pour éviter les nuisances sonores de l'utilisation d'une faible ondulation magnétron est recommterminé. Le magnétron qui est utilisé dans le film est une faible ondulation.
Pour l'allumage du plasma du résonateur coaxial haute qualité est utilisé pendant un fonctionnement stable et continu est fourni par le résonateur cylindrique. Pour réaliser l'allumage du plasma par le résonateur coaxial haute qualité de la fréquence de résonance de ce résonateur doit correspondre parfaitement à la fréquence des micro-ondes fournie par le magnétron utilisé. Comme toutes les magnétrons ne émettent pas leur fréquence de micro-ondes à la fréquence nominale exactement et que la fréquence est fonction de la puissance de sortie, le magnétron doit être mesurée avec un analyseur de spectre. La fréquence de résonance du résonateur coaxial peut être ajustée en déplaçant la buse métallique de haut en bas. Cette fréquence de résonance peut être mesurée et par conséquent également ajustée à la fréquence d'émission du magnétron est utilisé avec un analyseur de réseau. Pour atteindre le champ électrique élevé à la pointe de la buse, nécessaire pour l'allumagedu plasma, un tuner trois tampon est nécessaire en plus. Ce trois syntoniseur à ligne est un composant à micro-ondes utilisée. Le tuner trois tampon est monté entre la torche à plasma micro-onde et le magnétron. Après la fréquence de résonance du résonateur coaxial est réglée, la puissance incidente est maximisée et la puissance réfléchie minimisé en ajustant de manière itérative les talons du tuner trois stub.
Après avoir réglé la fréquence de résonance du résonateur coaxial ainsi que d'avoir maximisé les puissances directes au moyen du tuner trois stub, le plasma de la torche plasma micro-ondes peut être allumé lorsque la torche plasma micro-ondes est reliée à un magnétron. Pour l'allumage du plasma d'une puissance minimale à micro-ondes d'environ 0,3 à 1 kW est suffisant. Le plasma se enflamme dans le résonateur coaxial. Après l'allumage du plasma de la fréquence de résonance du résonateur coaxial est décalée à cause de la permittivité diélectrique du plasma et l'onde hyperfréquence ne peuventpénétrer plus dans le résonateur coaxial. Ainsi, les commutateurs de plasma provenant du mode coaxial dans son mode cylindrique beaucoup plus étendue brûlant librement debout-dessus de la buse métallique au centre du résonateur cylindrique. Étant donné que la qualité du mode cylindrique est très faible et présente une courbe de résonance large par conséquent, le micro-ondes peut toujours pénétrer dans le résonateur cylindrique en dépit du changement de la fréquence de résonance due à la permittivité diélectrique du plasma. Ainsi, un fonctionnement continu et stable du plasma en mode cylindrique est fournie par la torche à plasma micro-ondes. Toutefois, pour parvenir à une absorption complète de la puissance micro-ondes fournie, toutes les souches des trois syntoniseur à ligne doivent être réajustés. Sinon, la puissance micro-ondes fourni ne est pas complètement absorbée par le plasma, mais un certain pourcentage de micro-ondes fournie est réfléchi et absorbé par la charge de l'eau.
Pour examiner l'allumage du plasma dans le coaxialmode, puis son passage dans le mode cylindrique prolongée, l'allumage du plasma est observée par une caméra à grande vitesse.
Le film a présenté montrera comment la dépendance en fréquence du magnétron est mesurée, la fréquence de résonance du résonateur coaxial est ajustée, la façon dont la puissance incidente est maximisée et la façon dont le plasma est allumé par la puissance micro-ondes fourni. L'enregistrement de la caméra haute vitesse se affiche ainsi.
Protocol
Representative Results
Discussion
Le film présenté explique comment une inflammation d'une pression atmosphérique plasma micro-ondes sans allumeurs supplémentaires peut être réalisé, les principes de base de cette torche à plasma micro-onde, son ajustement, le processus d'allumage du plasma et son fonctionnement stable et continue. Comme décrit dans l'introduction, il existe déjà différents types de torches à plasma à micro-ondes, mais aucun de ceux fournissent un allumage du plasma sans allumeurs supplémentaires ainsi que des…
Disclosures
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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