어떻게 추가 점화기없이 대기압 마이크로 웨이브 플라즈마 토치를 점화
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
이 영화는 대기압 플라즈마 토치가 추가 점화기와 마이크로파 전력에 의해 점화 할 수있는 방법을 보여줍니다. 플라즈마를 점화 한 후, 플라즈마를 안정적으로 연속 운전이 가능하고, 플라즈마 토치는 많은 상이한 애플리케이션에 사용될 수있다. 한편, 고온 (3600 K 가스 온도)가 저온 플라즈마 잔광 화학적 과정과 반대로 사용될 수있다 (온도는 거의 RT까지) 표면 처리에 적용 할 수있다. 예를 들어 화학 합성 흥미로운 볼륨 프로세스입니다. 여기서 마이크로파 플라즈마 토치가 유해하고, 지구 온난화에 기여하지만, 반도체 분기 같은 산업 분야에서 성장을 에칭 가스로서 필요한 폐기 가스의 분해에 사용될 수있다. 다른 응용 CO 2의 해리이다. 신 재생 에너지 원으로부터 잉여의 전기 에너지가 CO와 O 2 CO 2 해리를 위해 사용될 수있다. CO는 더 프로가 될 수이에 따라 화학 산업의 에너지, 합성 연료 또는 플랫폼 화학 물질의 화학 스토리지를 제공하는 기체 또는 액체 높은 탄화수소 cessed. 플라즈마 토치의 잔광의 애플리케이션 래커, 접착제 나 도료의 밀착성을 높이기 위해 표면 처리를하고, 표면 살균 또는 다른 종류의 오염 제거된다. 영화는 추가 점화기, 예를 들어, 전기 스파크없이 마이크로파 전력만으로 플라즈마를 점화하는 방법을 설명합니다. 플라즈마 점화 후 플라즈마의 연속적이고 안정적인 동작을 보장 원통형 하나의 점화를 제공 한 동축 – 마이크로파 플라즈마 토치는 두 개의 공진기의 조합에 기초한다. 플라즈마는 프로세스 체적 긴 마이크로파 튜브 투명 동작 또는 표면 처리 목적 오리피스에 의해 형성 될 수있다.
Introduction
대기압 마이크로 웨이브 플라즈마 토치는 다른 다양한 응용 프로그램을 제공합니다. 한편 그들은 화학적 프로세스 볼륨 및 잔광 플라즈마 표면 처리에 적용 할 수있는 반면에, 사용될 수있다. 표면 처리는 접착제, 페인트 또는 래커 또는 표면 살균 또는 멸균의 밀착성을 증가시키는 처리를 프로세스로 명명 될 수있다. 고온 반응성 플라즈마 자체 폐가스 1-7의 분해 등 체적 공정에 사용될 수있다. 이들 폐기 가스는 유해 지구 온난화에 기여하고, 종래 거의 분해 할 수 없다. 그러나, 이들은 그러한 반도체 산업 분야로 분기 성장에 필요하다. 다른 응용 프로그램은 CO에 CO 2의 해리 O 2 또는 탄소와 수소의 8,9에 CH 4와 같은 화학 합성입니다. 신 재생 에너지 원으로부터 전기 에너지가 잉여 CO를 해리하는데 사용될 수있다 <sub> 2 CO와 O 2로. CO는 화학 산업에 대한 물질 또는 화학 물질 저장과 같은 플랫폼 화학 물질로, 더 교통 합성 연료로 사용할 수 있습니다 높은 탄화수소를 처리 할 수 있습니다.
몇 가지 마이크로파 플라즈마 토치가 있지만 대부분은 단점이있다 : 그들은 단지, 매우 적은 플라즈마 볼륨이 추가 점화기 필요 플라즈마 리액터의 냉각을 필요로하거나 단지 펄스 모드 10-18에서 작동 될 수있다. 이 영화에서 제시 마이크로파 플라즈마 토치 운전 파라미터의 광범위한 플라즈마 반응기의 임의의 냉각없이 단독으로 추가 점화기뿐만 아니라 안정적이고 지속적인 작동으로 제공 마이크로파 전력과 플라즈마의 점화를 제공하여 사용할 수있다 위에서 언급 한 모든 응용 프로그램에 대한. 동축 원통형 하나 하나 마이크로파 플라즈마 토치 두 공진기의 조합에 기초한다. 원통형 공진기는 낮은 품질을 갖고 운전 방식이다중심에서 높은 전기장과 공지 E 010 -mode 에드. 동축 공진기는 원통형 공진기의 아래에 위치 접선 가스 공급과 함께 가동 금속 노즐로 구성된다. 동축 공진기의 높은 품질은 매우 좁은 속을 공진 곡선을 나타낸다. 때문에 높은 전계가 도달 할 수있는 동축 공진기의 높은 품질로되는 플라즈마의 점화 요구된다. 그러나, 동축 공진기의 높은 품질은 매우 좁고 공진 곡선과 연관되고, 따라서 공진 주파수를 완벽하게 제공 마이크로파의 주파수와 일치한다. 인해 플라즈마의 유전율은 플라즈마 점화 후의 공진 주파수 이동하기 때문에, 전자는 더 이상 동축 공진기에 침투 할 수 없다. 플라즈마의 연속 동작을위한 낮은 품질과 넓은 공진 곡선 원통형 공진기가 필요하다.
동축 공진기의 금속 노즐을 통해 추가적인 축 가스 공급이 가능하다. 플라즈마를 점화하고, 예를 들면, 마이크로파 튜브 투명 석영 관을 한정된다. 석영 관의 유전율은 공진 주파수에 영향을 미친다. 석영> (1)의 유전율을 갖기 때문에, 원통형 공진기의 부피는 낮은 공진 주파수에 이르게 사실상 대형화. 이 현상은 원통형 공진기의 치수를 설계 할 때 고려되어야한다. 공진 주파수가 삽입 된 석영 관에 의해 영향을받는 방법에 대한 상세한 설명은 길고 연장 된 석영 관이 사용되는 경우,이 또한 대량 처리 용 반응 챔버로서 작용할 수 레퍼런스 23에서 찾을 수있다. 그러나, 표면 처리를위한 플라즈마는 또한 오리피스의 다른 종류가 다르게 형성 될 수있다. 전자 렌지는 마그네트론에서 직사각형 도파관을 통해 공급된다. 낮은 리플 마그네트론의 사용이 권장 합이다 소음 불쾌를 피하려면했다. 영화에서 사용되는 마그네트론은 낮은 리플 하나입니다.
안정적이고 지속적인 작동이 원통형 공진기에 의해 제공되는 동안 플라즈마의 점화 용 고품질 동축 공진기가 사용된다. 고품질 동축 공진기하여 공진기의 공진 주파수를 플라즈마의 점화를 달성하기 완벽 마그네트론 사용에 의해 제공되는 마이크로파의 주파수와 일치한다. 모든 마그네트론 정확히 공칭 주파수에서 그들의 마이크로파 주파수를 방출하지 않기 때문에 주파수와 출력 전력에 의존하므로, 마그네트론은 스펙트럼 분석기로 측정되어야한다. 동축 공진기의 공진 주파수는 상하 금속 노즐을 이동시킴으로써 조절 될 수있다. 이것은 공진 주파수를 측정함으로써, 또한 네트워크 분석기를 사용 마그네트론의 송신 주파수로 조정될 수있다. 노즐의 선단에 높은 전계에 도달하기 위해 필요한 시동플라즈마의, 세 개의 스터브 튜너 부가 필요하다. 이 3- 스터브 튜너는 일반적으로 사용되는 전자 부품이다. 세 개의 스터브 튜너는 마이크로파 플라즈마 토치와 마그네트론 사이에 장착된다. 동축 공진기의 공진 주파수를 조정 한 후, 순방향 전력은 최대화하고, 반사 전력 반복적 세 스터브 튜너 스텁을 조정함으로써 최소화.
마이크로파 플라즈마 토치가 마그네트론에 접속 될 때, 동축 공진기의 공진 주파수뿐만 아니라 최대화 것으로서 세 스터브 튜너를 이용하여 순방향 전력을 조정 한 후, 마이크로파 플라즈마 토치의 플라즈마가 점화 될 수있다. 플라즈마의 점화에 대해 0.3~1 킬로와트의 최소 마이크로파 전력은 충분하다. 플라즈마 점화 동축 공진기. 동축 공진기의 공진 주파수는 플라즈마의 유전율 수 마이크로파로 인해 시프트되는 플라즈마의 점화가 끝난이상 동축 공진기에 침투. 따라서, 그것의 더 확장 된 모드로 원통형 동축 모드로부터 플라즈마 스위치 원통형 공진기의 중심에 금속 노즐 위에 자유롭게 서있는 레코딩. 원통형 모드의 품질이 매우 낮기 때문에, 넓은 공명 곡선을 나타내고 있기 때문에, 마이크로파는 여전히 인해 플라즈마의 유전율에 공진 주파수의 변화에도 불구하고 원통형 공진기에 침투 할 수있다. 따라서, 원통형 모드에서 플라즈마의 연속적이고 안정적으로 동작 마이크로파 플라즈마 토치가 제공된다. 그러나, 공급되는 마이크로파 전력의 완전한 흡수를 달성하기 위해, 세 개의 스터브 튜너의 스터브는 재조정되어야한다. 그렇지 마이크로파 전력 공급이 완전히 플라즈마에 흡수되지 않고 제공 마이크로파의 일부는 반사되고 백분율 물의 하중에 의해 흡수된다.
동축에서 플라즈마의 점화를 검사모드와 확장 원통 모드로 전환 한 다음 그, 플라즈마 점화는 고속 카메라로 관찰된다.
플라즈마가 공급되는 마이크로파 전력에 의해 점화되는 방법 마그네트론의 주파수 의존성을 측정하는 방법을 보여줄 것이다 제시된 동영상은 동축 공진기의 공진 주파수는 순방향 전력이 최대가되는 방식으로 조정하고있다. 고속 카메라 기록도 도시되어있다.
Protocol
Representative Results
Discussion
제시된 동영상 추가 점화기없이 대기압 마이크로파 플라즈마의 점화는,이 마이크로파 플라즈마 토치, 그 조정, 플라즈마의 점화 처리와 안정적이고 연속 동작의 기본 원리를 실현할 수있는 방법을 설명한다. 서론에서 설명한 바와 같이,이 마이크로 웨이브 플라즈마 토치 이미 여러 종류가 있지만 그 중 어느 것도 추가 점화기뿐만 아니라 지속적이고 안정적인 플라즈마 작동하지 않고 플라즈…
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).
