Hvordan Ignite en Atmosfærisk trykk Mikrobølgeovn Plasma Torch uten noen ekstra Tennere

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

Denne filmen viser hvordan en atmosfærisk trykk plasmabrenner kan antennes av mikrobølgeeffekt uten ekstra tennere. Etter tenningen av plasmaet, er en stabil og kontinuerlig drift av plasma mulig og plasmabrenneren kan brukes til mange forskjellige anvendelser. På den ene siden, kan den varme (3600 K gasstemperatur) plasma anvendes for kjemiske prosesser, og på den annen side det kalde etterglød (temperaturer ned til nesten RT) kan anvendes for overflateprosesser. For eksempel kjemiske synteser er interessante volum prosesser. Her mikrobølgeplasmabrenner kan anvendes for dekomponering av avfallsgasser som er skadelige eller bidrar til global oppvarming, men for så å etse gasser i voksende industrisektorer som halvledergren. En annen anvendelse er dissosiasjonen av CO _2. Overskudds elektrisk energi fra fornybare energikilder kan benyttes for å dissosiere CO ₂ til CO og _O2. CO kan være ytterligere proInnfelte til gassform eller flytende høyere hydrokarboner og gir dermed kjemisk lagring av energi, syntetisk drivstoff eller plattform kjemikalier for den kjemiske industrien. Anvendelser av den etterglødning av plasmabrenneren er behandling av overflater for å øke adhesjonen av lakk, lim eller maling, og steriliseringen eller dekontaminering av forskjellige typer av overflater. Filmen vil forklare hvordan å tenne plasma utelukkende av mikrobølgeeffekt uten noen ekstra tennere, f.eks, elektriske gnister. Den mikrobølgeplasmabrenneren er basert på en kombinasjon av to resonatorer – en koaksial en som tilveiebringer tenningen av plasmaet, og et sylindrisk en som garanterer en kontinuerlig og stabil drift av plasma etter antennelse. Plasma kan brukes i en lang mikrobølgeovn gjennomsiktig tube for volum prosesser eller formet av åpninger for overflatebehandling formål.

Introduction

Atmosfæriske trykket mikrobølgeplasmabrennere tilbyr en rekke forskjellige applikasjoner. På den ene side kan de anvendes for kjemiske prosesser volum, og på den annen side deres etterglød plasma kan anvendes for behandling av overflater. Som overflatebehandling behandler behandling for å øke vedheft av lim, maling eller lakk eller dekontaminering eller sterilisering av overflater kan navngis. Den varme og reaktive plasma i seg selv kan brukes til volum prosesser som dekomponeringen av avgasser ^1-7. Disse avfallsgasser er skadelige, bidra til global oppvarming og kan knapt bli degradert på konvensjonell måte. Men de trengte i voksende industrielle sektorer som for eksempel halvleder gren. Andre programmer er kjemisk syntese som dissosiasjon av CO ₂ til CO og O ₂ eller CH ₄ til karbon og hydrogen ^8,9. Overskudds elektrisk energi fra fornybare energikilder kan brukes til å distansere CO <sub> 2 inn CO og O _2. CO kan bearbeides videre til høyere hydrokarboner som kan benyttes som syntetiske drivstoffer for transport, da plattform kjemikalier for den kjemiske industri eller som kjemisk lagring.

Det er noen mikrobølge plasma fakler, men de fleste av dem har ulemper: De har bare svært små plasmavolum, trenger flere tennere, trenger kjøling av plasmareaktor eller kan kun brukes i pulsmodus ^10-18. Den mikrobølgeplasmabrenner som presenteres i denne filmen har en tenning av plasma utelukkende med den medfølgende mikrobølgeeffekt uten ekstra tennere, samt en stabil og kontinuerlig drift uten kjøling av plasmareaktor for et bredt spekter av driftsparametre, og kan benyttes for alle de ovenfor nevnte anvendelser. Den mikrobølgeplasmabrenneren er basert på en kombinasjon av to resonatorer: en koaksial en og en sylindrisk en. Den sylindriske resonator har en lav kvalitet og er driftsed i den kjente E ₀₁₀ -mode med den høyeste elektriske feltet i dets sentrum. Den koaksiale resonator er plassert under den sylindriske resonator og består av en bevegelig metallmunnstykke i kombinasjon med en tangentiell gasstilførsel. Den høye kvaliteten på koaksialresonator viser en meget smal, men dyp resonans kurve. På grunn av den høye kvalitet av den koaksiale resonator et høyt elektrisk felt kan nås som er nødvendig for tenningen av plasmaet. Imidlertid er den høye kvaliteten av den koaksiale resonator forbundet med en meget smal resonanskurve og dermed resonansfrekvensen har perfekt overens med frekvensen av den tilførte mikrobølgeovnen. Siden resonansfrekvensforskyvninger etter tenningen av plasmaet på grunn av permittiviteten av plasmaet, kan mikrobølgeovnen ikke lenger trenge inn i den koaksiale resonator. For kontinuerlig drift av plasma den sylindriske resonator med lav kvalitet og en bred resonanskurve er nødvendig.

En ytterligere aksial gasstilførselen via den metalliske dysen av den koaksiale resonator er mulig. Plasma blir antent og innesperret i en mikrobølgeovn-gjennomsiktig rør, for eksempel et kvartsrør. Permittiviteten av kvartsrøret også påvirker resonansfrekvensen. Da kvarts har en permittivitet på> 1, er volumet av den sylindriske resonator tilnærmet forstørret noe som fører til en lavere resonansfrekvens. Dette fenomenet må tas i betraktning når dimensjonene av det sylindriske resonator er utformet. En detaljert diskusjon om hvordan resonansfrekvensen påvirkes av den innsatte kvartsrøret kan finnes i referanse 23. Hvis en lang og utvidet kvartsrør benyttes, kan denne også virke som reaksjonskammeret for volum prosesser. Men for overflatebehandling plasmaet kan også være formet annerledes av forskjellige typer av dyser. Mikrobølgeovnen er levert via en rektangulær bølgeleder fra magnetron. For å unngå støy ordensforstyrrelser ved bruk av en lav rippel magne er recommavsluttet. Den magnetron som er brukt i filmen er en lav ripple en.

For tenningen av plasmaet høy kvalitet koaksial resonator brukes samtidig en stabil og kontinuerlig drift er anordnet ved den sylindriske resonator. For å oppnå at tenningen av plasmaet av den høye kvaliteten koaksial resonator resonansfrekvensen for denne resonator har perfekt overens med frekvensen av mikrobølge levert av brukt magnetron. Ettersom alle magnetroner ikke avgir sin mikrobølgefrekvens på nøyaktig den nominelle frekvens, og siden frekvensen er avhengig av utgangseffekten, har de magnetron som skal måles med en spektrumanalysator. Resonansfrekvensen for den koaksiale resonator kan justeres ved å flytte den metalliske dysen opp og ned. Denne resonansfrekvens kan måles, og dermed også justert til senderfrekvensen for den brukte magnetron med et nettverk analysator. For å oppnå den høye elektriske feltet ved spissen av munnstykket, som er nødvendig for tenningenav plasma, er en tre-stubb tuner nødvendig i tillegg. Denne tre stump tuner er et vanlig brukt mikrobølgeovn komponent. De tre spire tuner er montert mellom mikrobølgeovn plasmabrenner og magnetron. Etter at resonansfrekvensen for den koaksiale resonator er justert, blir den fremadgående effekt maksimert og reflektert effekt minimeres iterativt ved å justere stubber av tre stubben tuner.

Etter å ha justert resonansfrekvensen til den koaksiale resonatoren så vel som å ha maksimert termin krefter ved hjelp av de tre stubben tuner, kan plasmaet av mikrobølgeplasmabrenneren bli antent når mikrobølgeplasmabrenneren er forbundet med en magnetron. For tenningen av plasmaet minimum mikrobølgeeffekt på ca. 0,3 1 kW er tilstrekkelig. Plasma tenner i den koaksiale resonator. Etter antennelsen av plasmaet resonansfrekvensen for den koaksiale resonator er forskjøvet på grunn av den dielektriske permittiviteten av plasmaet og mikrobølgeovn kan ingenlenger trenge inn i den koaksiale resonator. Således plasma skifter fra den koaksiale modus til sin mye mer utvidet sylindrisk modus brenner fritt-stående over den metalliske dysen i sentrum av den sylindriske resonator. Siden kvaliteten av det sylindriske modus er svært lav, og derfor oppviser en bred resonanskurve, kan mikrobølge fremdeles trenge inn i den sylindriske resonator til tross for forskyvning av resonansfrekvensen på grunn av den dielektriske permittiviteten av plasmaet. Således oppnås en kontinuerlig og stabil drift av plasma i den sylindriske modus levert av mikrobølgeplasmabrenner. Men for å nå en fullstendig absorpsjon av den medfølgende mikrobølgeeffekt, de stubber av de tre spire tuner må justeres. Ellers den medfølgende mikrobølgeeffekt ikke er fullstendig absorbert av plasma, men noen prosent av den medfølgende mikrobølgeovn er reflektert og absorbert av vann belastning.

For å undersøke antenning av plasma i den koaksialemodus og deretter sin overgang til den utvidede sylindriske modus er plasma tenning observert av en høyhastighetskamera.

Den presenterte filmen viser hvordan frekvensavhengighet av magnetron skal måles, er resonansfrekvensen for den koaksiale resonator justert, hvor den fremadgående effekt er maksimert, og hvor plasmaet blir antent av den medfølgende mikrobølgeeffekt. Den høye hastigheten kamera opptaket vises også.

Protocol

1. Måling av Magne Merk: Den skjematisk av det eksperimentelle oppsett for måling av magnetron er vist i figur 1A. Koble magne til en isolator som består av en sirkulasjonspumpe og en vannbelastning med 10 skruer. Koble isolator til en retningsbestemt coupler med 10 skruer. Koble retningskopler til en andre vannbelastning med 10 skruer. Levere alle vann laster med vann. Kalibrere spektrum analysator med sin kalibreringsfu…

Representative Results

For å tilveiebringe en plasma-tenning uten ytterligere tennere, samt en stabil og kontinuerlig drift plasma med høy kvalitet koaksial resonator med justerbar resonansfrekvensen ble kombinert med en lav kvalitet sylindrisk resonator til en mikrobølgeplasmabrenner. Skjematisk av denne plasmabrenneren er presentert i figur 3. Plasmaet er begrenset til en mikrobølgetransparent røret, her et kvartsrør. Dette rør kan fungere som et reaksjonskammer for volumplasmaprosesser eller en plasma børste …

Discussion

Den presenterte filmen forklarer hvordan en tenning av et atmosfærisk trykk mikrobølgeplasma uten ytterligere tennere kan realiseres, de grunnleggende prinsipper for denne mikrobølgeplasmabrenner, dens justering, tenningen av plasmaet, og dens stabil og kontinuerlig drift. Som beskrevet i innledningen, er det allerede forskjellige typer mikrobølgeplasmabrennere, men ingen av dem gir en tenning av plasma uten ytterligere tennere, samt en stabil og kontinuerlig drift plasma.

For å få en …

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