Come Ignite una Pressione atmosferica Microonde torcia al plasma senza alcuna accenditori supplementari
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
Questo film mostra come una torcia al plasma a pressione atmosferica può essere incendiato da potenza a microonde senza accenditori supplementari. Dopo l'accensione del plasma, un funzionamento stabile e continuo del plasma è possibile e la torcia al plasma può essere utilizzato per svariate applicazioni. Da un lato, la vasca (3.600 K temperatura gas) plasma può essere utilizzato per processi chimici e dall'altro bagliore fredda (temperature fino a quasi RT) possono essere applicati per processi di superficie. Per esempio sintesi chimiche sono processi di volume interessanti. Qui la torcia al plasma a microonde può essere utilizzato per la decomposizione di gas di scarico nocivi e contribuiscono al riscaldamento globale, ma sono necessari come incisione gas nella coltivazione settori industriali come il ramo semiconduttori. Un'altra applicazione è la dissociazione di CO 2. Energia elettrica Surplus da fonti energetiche rinnovabili può essere utilizzato per dissociarsi CO 2 di CO e O 2. Il CO può essere ulteriormente protrasformati ad idrocarburi superiori gassosi o liquidi fornendo così stoccaggio chimico dell'energia, combustibili sintetici o chimici piattaforma per l'industria chimica. Applicazioni del bagliore della torcia al plasma sono il trattamento di superfici per aumentare l'adesione di lacca, colla o vernice, e la sterilizzazione o decontaminazione di diversi tipi di superfici. Il film spiega come accendere il plasma esclusivamente dalla potenza microonde senza accenditori supplementari, ad esempio, scintille elettriche. La torcia al plasma a microonde è basato su una combinazione di due risonatori – uno coassiale che fornisce l'accensione del plasma e una cilindrica che garantisce un funzionamento continuo e stabile del plasma dopo l'accensione. Il plasma può essere utilizzato in un tubo lungo microonde trasparente per i processi di volume o formate da orifizi per scopi di trattamento superficiale.
Introduction
Torce al plasma a microonde Pressione atmosferica offrono una varietà di applicazioni diverse. Da un lato possono essere utilizzati per i processi chimici di volume e dall'altro loro plasma bagliore può essere applicata per il trattamento di superfici. Come trattamento di superficie elabora il trattamento per aumentare l'adesione di colla, vernice o lacca o la decontaminazione o sterilizzazione di superfici può essere chiamato. Il plasma caldo e reattiva stesso può essere utilizzato per i processi di volume come la decomposizione del gas di scarico 1-7. Questi gas di scarico sono nocivi, contribuiscono al riscaldamento globale e difficilmente possono essere degradati convenzionale. Tuttavia, sono necessari nella coltivazione settori industriali quali il ramo semiconduttori. Altre applicazioni sono la sintesi chimica come la dissociazione di CO 2 di CO e O 2 o CH 4 di carbonio e idrogeno 8,9. L'energia elettrica in eccesso da fonti rinnovabili può essere utilizzato per dissociarsi CO <sub> 2 in CO e O 2. Il CO può essere ulteriormente elaborato per idrocarburi superiori che possono essere utilizzati come combustibili sintetici per il trasporto, come prodotti chimici di piattaforma per l'industria chimica o lo stoccaggio chimico.
Ci sono alcune torce al plasma a microonde, ma la maggior parte di loro hanno svantaggi: Hanno solo molto piccoli volumi di plasma, hanno bisogno di accenditori supplementari, hanno bisogno di raffreddamento del reattore al plasma o possono funzionare solo in modalità pulsata 10-18. La torcia al plasma a microonde presentato in questo film offre l'accensione del plasma con la sola forza microonde fornito senza accenditori supplementari nonché un funzionamento stabile e continuo senza raffreddamento del reattore al plasma per una vasta gamma di parametri di funzionamento e può essere usato per tutte le applicazioni sopra menzionate. La torcia al plasma a microonde è basato su una combinazione di due risonatori: uno coassiale e una cilindrica. Il risonatore cilindrico ha una qualità bassa ed è operated in noto E 010 -mode con il campo elettrico massimo nel suo centro. Il risonatore coassiale si trova sotto il risonatore cilindrica ed è costituito da un ugello metallico mobile in combinazione con una fornitura di gas tangenziale. L'elevata qualità del risonatore coassiale presenta una curva di risonanza molto stretta ma profonda. A causa della elevata qualità del risonatore coassiale un campo elettrico elevato può essere raggiunto che è necessaria per l'accensione del plasma. Tuttavia, la qualità del risonatore coassiale è associato con una curva di risonanza molto stretta e quindi la frequenza di risonanza deve adattarsi perfettamente alla frequenza della microonda fornita. Poiché gli spostamenti di frequenza di risonanza dopo l'accensione del plasma a causa della permittività del plasma, il forno non può più penetrare nel risonatore coassiale. Per il funzionamento continuo del plasma è necessario il risuonatore cilindrica con una qualità bassa e un'ampia curva di risonanza.
Una fornitura di gas assiale aggiuntiva tramite l'ugello metallico del risonatore coassiale è possibile. Il plasma è acceso e confinato in un tubo trasparente alle microonde, ad esempio un tubo di quarzo. La permittività del tubo di quarzo influenza anche la frequenza di risonanza. Poiché il quarzo ha una permittività di> 1, il volume del risonatore cilindrico è praticamente allargata che porta ad una frequenza di risonanza più bassa. Questo fenomeno deve essere considerato quando le dimensioni del risonatore cilindrico sono progettati. Una discussione dettagliata di come la frequenza di risonanza è influenzato dal tubo di quarzo inserito può essere trovato in riferimento 23. Se si utilizza un tubo di quarzo lungo e prolungato, questo può anche agire come camera di reazione per i processi di volume. Tuttavia, per trattamenti superficiali il plasma può anche essere una forma diversa da diversi tipi di orifizi. Il forno viene alimentato attraverso una guida d'onda rettangolare dal magnetron. Per evitare l'inquinamento acustico l'uso di un basso ripple magnetron è consigliatoconclusa. Il magnetron che viene utilizzato nel film è uno basso ripple.
Per l'accensione del plasma viene utilizzato il risonatore coassiale alta qualità mentre un'operazione stabile e continuo è fornito dal risonatore cilindrico. Per ottenere l'accensione del plasma dal risonatore coassiale alta qualità la frequenza di risonanza del risonatore deve corrispondere perfettamente la frequenza della microonda fornita dal magnetron utilizzato. Poiché tutti i magnetron non emettono loro frequenza microonde esattamente alla frequenza nominale e poiché la frequenza dipende dalla potenza di uscita, il magnetron deve essere misurata con un analizzatore di spettro. La frequenza di risonanza del risonatore coassiale può essere regolata spostando l'ugello metallico su e giù. Questa frequenza di risonanza può essere misurata e quindi rettificato per la frequenza di invio del magnetron utilizzato con un analizzatore di rete. Per raggiungere il campo elettrico alto sulla punta dell'ugello, necessaria per l'accensionedel plasma, un sintonizzatore tre stub è necessaria in aggiunta. Questo sintonizzatore tre stub è un componente microonde comunemente usato. Il sintonizzatore tre stub è montato tra la torcia al plasma a microonde ed il magnetron. Dopo la frequenza di risonanza del risonatore coassiale viene regolata, la potenza è massimizzata e la potenza riflessa minimizzato iterativamente i mozzi del sintonizzatore tre stub.
Dopo aver regolato la frequenza di risonanza del risonatore coassiale oltre ad aver massimizzato le potenze in avanti mediante il sintonizzatore tre stub, il plasma della torcia al plasma a microonde può essere acceso quando la torcia al plasma a microonde è collegato ad un magnetron. Per l'accensione del plasma una potenza minima microonde di circa 0,3 a 1 kW è sufficiente. Il plasma accende nel risonatore coassiale. Dopo l'accensione del plasma della frequenza di risonanza del risonatore coassiale è spostata a causa della permittività dielettrica del plasma e il forno a microonde non puòpenetrano più nel risonatore coassiale. Così, gli interruttori plasma dal modo coassiale nel suo modo cilindrico molto più esteso bruciare liberamente piedi sopra l'ugello metallico al centro del risonatore cilindrico. Poiché la qualità della modalità cilindrica è molto bassa e quindi presenta un'ampia curva di risonanza, il forno può ancora penetrare nel risonatore cilindrica nonostante lo spostamento della frequenza di risonanza a causa della permittività dielettrica del plasma. Così, un funzionamento continuo e stabile del plasma nella modalità cilindrica è fornito dalla torcia al plasma a microonde. Tuttavia, per raggiungere un completo assorbimento della potenza fornita microonde, gli stub dei tre sintonizzatore stub devono essere riadattato. Altrimenti la potenza delle microonde fornita non è completamente assorbito dal plasma, ma una certa percentuale della microonda fornita viene riflessa e assorbita dal carico dell'acqua.
Per esaminare l'accensione del plasma nel coassialimodalità e quindi la sua transizione in modalità cilindrica estesa, l'accensione del plasma è osservato da una telecamera ad alta velocità.
Il film presentato mostrerà come viene misurata la dipendenza dalla frequenza del magnetron, la frequenza di risonanza del risonatore coassiale viene regolata, come viene massimizzata la potenza e come il plasma viene acceso dalla potenza fornita microonde. La registrazione della videocamera ad alta velocità è indicata pure.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il film presentato spiega come l'accensione di un plasma a microonde pressione atmosferica senza accenditori supplementari può essere realizzato, i principi di base di questa torcia al plasma a microonde, la sua regolazione, il processo di accensione del plasma e del suo funzionamento stabile e continuo. Come descritto nell'introduzione, esistono già diversi tipi di torce al plasma a microonde ma nessuno di quelli forniscono l'accensione del plasma senza accenditori aggiuntivi e funzionamento plasma stabil…
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).
