追加のイグナイタずに大気圧マイクロ波プラズマトーチに点火する方法
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
この映画は、大気圧プラズマトーチはなし追加の点火装置とマイクロ波電力によって点火する方法を示しています。プラズマの点火後、プラズマの安定した連続運転が可能であり、プラズマトーチは、多くの異なる用途に使用することができる。一方、（3600 Kガス温度）ホットプラズマ化学プロセスのために使用することができ、他方で寒い残光（高温下にほぼRTの）は、表面処理を適用することができる。例えば、化学合成は興味深いボリュームプロセスである。ここで、マイクロ波プラズマトーチは有害であり、地球温暖化に寄与するが、半導体の枝のような成長産業分野におけるエッチングガスとして必要とされる廃ガスの分解のために使用することができる。別の用途は、CO 2の解離である。再生可能なエネルギー源からの余剰電気エネルギーは、CO及びO 2へのCO 2を解離するために使用することができる。 COはさらにプロになることができますこれにより、化学工業のためのエネルギー、合成燃料またはプラットフォーム化学物質の化学的ストレージを提供する気体または液体の高級炭化水素cessed。プラズマトーチの残光のアプリケーションは、ラッカー、接着剤または塗料の密着性、表面の異なった種類の滅菌または汚染除去を高めるために表面の処理である。映画は、追加の点火装置、 例えば 、電気火花ずにマイクロ波電力のみでプラズマを点火する方法を説明します。プラズマ点火後の血漿の連続的な安定した動作を保証する円筒一方の点火を提供同軸1 – マイクロ波プラズマトーチは、二つの共振器の組み合わせに基づいている。血漿体積プロセスに対して長いマイクロ波透過性チューブで操作や表面処理の目的のためにオリフィスによって成形することができる。
Introduction
常圧マイクロ波プラズマトーチは、さまざまなアプリケーションを提供している。一方で、それらは、化学量プロセスに使用することができ、他方では、それらのアフターグロープラズマは表面の処理に適用することができる。表面処理は、接着剤、塗料、ラッカー、または表面の汚染除去または滅菌の密着性を高める処理を処理として挙げることができる。熱い反応性プラズマ自体が排ガス1-7の分解等容積プロセスに使用することができる。これらの廃棄物ガスは、有害である地球温暖化に貢献し、ほとんど従来に分解することはできません。しかし、それらは、半導体ブランチとして産業分野を成長に必要とされる。他の用途としては、炭素及び水素8,9にCOにCO 2の解離およびO 2またはCH 4などの化学合成である。再生可能なエネルギー源からの余剰電気エネルギーは、COを解離するために使用することができ<sub> 2 COとO 2へ。 COは、化学工業、化学ストレージなどのプラットフォーム化学物質として、輸送のための合成燃料として使用することができ、より高い炭化水素にさらに処理することができる。
そこにいくつかのマイクロ波プラズマトーチがあるが、それらのほとんどは欠点を有している：彼らは、非常に小さなプラズマ体積を有する付加的な点火器を必要とする、プラズマ反応器の冷却を必要とするのみパルスモード10-18に動作させることができる。この映画の中で提示されたマイクロ波プラズマトーチは、動作パラメータの広い範囲のプラズマ反応器のいずれかの冷却を行わずに、単にない付加的な点火装置並びに安定した連続運転のマイクロ波電力でプラズマの点火を提供し、使用することができ上記のすべてのアプリケーションのために。同軸の一つの円筒1：マイクロ波プラズマトーチは二つの共振器の組み合わせに基づいている。円筒共振器は、低品質を有しており、operatですその中心で最も高い電場とのよく知られたE 010 -modeでED。同軸共振器は、円筒共振器の下方に位置し、接線方向のガス供給と組み合わせて可動金属ノズルで構成されている。同軸共振器の高品質は、非常に狭いが、深い共鳴曲線を示す。による同軸共振器の高品質、高電界は、プラズマの点火に必要とされるに達することがある。しかしながら、同軸共振器の高品質は、非常に狭い共鳴曲線と関連しているので、共振周波数が完全に供給されるマイクロ波の周波数と一致する必要がある。プラズマの誘電率に起因するプラズマの点火後の共振周波数がシフトするので、マイクロ波は、もはや同軸共振器内に浸透することができない。プラズマの連続運転のための低品質と幅広い共振曲線を持つ円筒共振器が必要とされている。
同軸共振器の金属製のノズルを介して、付加的な軸方向のガスの供給が可能である。プラズマが点火され、例えば、マイクロ波透過性チューブ内の石英管に閉じ込められる。石英管の誘電率はまた、共振周波数に影響を与える。石英は、> 1の誘電率を有するので、円筒共振器の体積は、実質的に低い共振周波数をもたらす拡大される。この現象は、円筒共振器の寸法を設計する際に考慮しなければならない。長い拡張石英管を使用する場合、共振周波数が挿入石英管によってどのように影響されるかについての詳細な議論は、これは、ボリューム·プロセスのための反応室として機能することができ、文献23に見出すことができる。しかし、表面処理のためのプラズマはまた、オリフィスの異なる種類によって異なる形状にすることができる。マイクロ波は、マグネトロンから矩形導波管を介して供給される。騒音公害を回避するために低リップルマグネトロンの使用がrecommです終わった。映画で使用されているマグネトロンは低リップル一つです。
安定した連続運転が円筒共振器によって提供されている間、プラズマの着火のために高品質の同軸共振器が使用される。高品質の同軸共振器によって、この共振器の共振周波数がプラズマの点火を達成するために完全に使用されるマグネトロンのマイクロ波の周波数と一致する必要がある。全てのマグネトロンが正確に公称周波数でそれらのマイクロ波周波数を放射しないので、周波数が出力電力に依存するので、マグネトロンは、スペクトラムアナライザを用いて測定されなければならない。同軸共振器の共振周波数は、金属製のノズルを上下に移動させることによって調整することができる。この共振周波数を測定し、それによって、ネットワークアナライザを使用するマグネトロンの送信周波数に調整することができる。ノズルの先端に高電界を達成するために、点火のために必要プラズマの、3スタブチューナはほかに必要とされている。この三スタブチューナは、一般的に使用される電子部品である。 3スタブ同調器は、マイクロ波プラズマトーチとマグネトロンとの間に取り付けられている。同軸共振器の共振周波数が調整された後、進行波電力が最大と反射電力反復3スタブチューナのスタブを調整することによって最小化される。
マイクロ波プラズマトーチは、マグネトロンに接続されているときに、同軸共振器の共振周波数を調整したと3つのスタブチューナによって前進力を最大化した後、マイクロ波プラズマトーチのプラズマを点火することができる。プラズマの点火のために約0.3〜1キロワットの最小のマイクロ波電力で十分である。プラズマは、同軸共振器に点火する。プラズマの点火後の同軸共振器の共振周波数は、プラズマの誘電率にシフトされ、マイクロ波のない缶長い同軸共振器内に侵入。このように、そのはるか拡張円筒モードに同軸モードからのプラズマスイッチが円筒共振器の中心に金属製のノズルの上に自由に立って燃える。円筒モードの品質が非常に低いので、広い共鳴曲線を示すので、マイクロ波は、依然として、プラズマの誘電率への共振周波数のシフトにもかかわらず、円筒共振器内に浸透することができる。したがって、円筒モードにおけるプラズマの連続安定運転がマイクロ波プラズマトーチによって提供される。しかし、供給されるマイクロ波電力の完全な吸収を達成するために、3スタブチューナのスタブを再調整しなければならない。そうでなければ供給されるマイクロ波電力は完全にプラズマによって吸収されずに設けられたマイクロ波の一部のパーセンテージは、水負荷で反射されて吸収される。
同軸のプラズマの点火を検討するために、次にモードと拡張円筒モードへのその遷移は、プラズマ点火を高速度カメラで観察する。
提示映画は、マグネトロンの周波数依存性を測定する方法を示します、同軸共振器の共振周波数は、進行波電力が最大化され、どのようにプラズマが供給されるマイクロ波電力によって点火されるか、調整される。高速度カメラの記録が同様に示されている。
Protocol
Representative Results
Discussion
提示映画は、任意の付加的な点火器なしで、大気圧マイクロ波プラズマの点火を実現することができるか、このマイクロ波プラズマトーチ、その調整、プラズマの点火プロセスとその安定した連続運転の基本原理を説明する。冒頭で説明したように、マイクロ波プラズマトーチが、これらのいずれも、異なる種類の追加の点火器なしでプラズマの点火並びに安定した連続プラズマ動作を提供?…
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 |
References
- 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).
