كيفية اشعال على الضغط الجوي البلازما الشعلة ميكروويف دون أي اشعال إضافية

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

ويبين هذا الفيلم كيف يمكن أن تشعل في الغلاف الجوي الشعلة الضغط البلازما بواسطة الطاقة الميكروويف مع أي اشعال إضافية. بعد اشتعال البلازما، عملية مستقرة ومستمرة للبلازما ممكنة والشعلة البلازما يمكن استخدامها في العديد من التطبيقات المختلفة. من جهة، يمكن استخدام الساخن (3،600 درجة حرارة الغاز K) البلازما للعمليات الكيميائية ومن ناحية أخرى الشفق البارد (درجات الحرارة الى ما يقرب RT) يمكن تطبيقها على العمليات السطحية. على سبيل المثال التوليفات الكيميائية هي عمليات حجم مثيرة للاهتمام. هنا الميكروويف الشعلة البلازما يمكن استخدامها لتحلل النفايات الغازية التي تضر والمساهمة في ظاهرة الاحتباس الحراري ولكنها في حاجة، والحفر الغازات في زراعة قطاعات الصناعة مثل فرع أشباه الموصلات. تطبيق آخر هو تفكك CO _2. الطاقة الكهربائية الفائضة من مصادر الطاقة المتجددة يمكن أن تستخدم لفصل CO ₂ إلى CO وO _2. وCO يمكن أن يكون أبعد المواليةcessed إلى الغازية أو السائلة الهيدروكربونات أعلى وبالتالي توفير تخزين المواد الكيميائية من الطاقة، والوقود الاصطناعية أو المواد الكيميائية منصة للصناعات الكيماوية. تطبيقات الشفق الشعلة البلازما هي السطوح لزيادة التصاق ورنيش، والغراء أو الطلاء، والتعقيم أو التطهير من نوع مختلف من السطوح. والفيلم شرح كيفية إشعال البلازما فقط من قبل السلطة الميكروويف دون أي اشعال إضافية، على سبيل المثال، والشرر الكهربائية. ويستند الشعلة البلازما الميكروويف على مزيج من اثنين من مرنانات - واحد متحد المحور الذي يوفر اشتعال البلازما واحد أسطواني الذي يضمن عملية مستمرة ومستقرة للبلازما بعد اشتعال. يمكن تشغيل البلازما في أنبوب الميكروويف طويل شفاف لعمليات حجم أو شكل من فتحات لأغراض المعالجة السطحية.

Introduction

الضغط الجوي الميكروويف المشاعل البلازما توفر مجموعة متنوعة من التطبيقات المختلفة. من جهة أنها يمكن أن تستخدم لعمليات حجم الكيميائية ومن ناحية أخرى يمكن تطبيقها البلازما الخاصة بهم الشفق لعلاج السطوح. كما عمليات المعالجة السطحية العلاج لزيادة التصاق الغراء، والطلاء أو ورنيش أو تطهير أو تعقيم الأسطح يمكن تسمية. البلازما الساخنة ورد الفعل في حد ذاته يمكن أن تستخدم لعمليات حجم مثل التحلل من الغازات العادمة ^1-7. هذه الغازات النفايات الضارة، وتساهم في ظاهرة الاحتباس الحراري وبالكاد يمكن المتدهورة تقليديا. ومع ذلك، هناك حاجة إليها في زراعة القطاعات الصناعية مثل فرع أشباه الموصلات. تطبيقات أخرى هي التركيب الكيميائي مثل التفكك من CO ₂ إلى CO وO ₂ أو CH ₄ إلى الكربون والهيدروجين ^8،9. الطاقة الكهربائية الفائضة من مصادر الطاقة المتجددة يمكن أن تستخدم لفصل CO _{2 في CO وO 2. وCO يمكن معالجتها أيضا على الهيدروكربونات العليا والتي يمكن استخدامها كوقود للنقل الاصطناعية، والمواد الكيميائية منصة للصناعات الكيماوية أو تخزين المواد الكيميائية.}

هناك بعض المشاعل البلازما الميكروويف ولكن معظمهم لديهم عيوب: لديهم سوى كميات البلازما صغيرة جدا، تحتاج اشعال إضافية، تحتاج إلى التبريد للمفاعل البلازما أو لا يمكن إلا أن تعمل في وضع نابض ^10-18. الشعلة البلازما الميكروويف التي قدمت في هذا الفيلم تقدم على إشعال البلازما فقط مع السلطة الميكروويف المقدمة لا تحتوي على اشعال إضافية فضلا عن عملية مستقرة ومستمرة دون أي التبريد للمفاعل البلازما لمجموعة واسعة من المعلمات العملية، ويمكن استخدامها لجميع التطبيقات المذكورة أعلاه. ويستند الشعلة البلازما الميكروويف على مزيج من اثنين من مرنانات: محوري واحد واحد أسطواني. مرنان أسطواني لديه نوعية منخفضة وغير أبرتإد في المعروف E ₀₁₀ -mode وفقا لأعلى الحقل الكهربائي في وسطها. يقع مرنان المحورية تحت مرنان أسطواني، ويتكون من فوهة معدنية منقولة في توليفة مع امدادات الغاز عرضية. جودة عالية من مرنان المحورية يسلك منحنى الرنين ضيق جدا ولكن عميق. نظرا للجودة العالية للمرنان المحورية يمكن التوصل إلى حقل كهربائي عال وهو مطلوب للاشتعال من البلازما. ومع ذلك، يرتبط على الجودة العالية للمرنان متحد المحور مع منحنى الرنين ضيق جدا، وبالتالي تردد صدى له لمطابقة تماما تواتر الميكروويف الموردة. منذ التحولات تردد الرنين بعد اشتعال البلازما بسبب السماحية للبلازما، ويمكن الميكروويف لم يعد تخترق مرنان المحورية. للتشغيل المستمر للبلازما هناك حاجة للمرنان أسطواني مع جودة منخفضة ومنحنى صدى واسع النطاق.

إمدادات إضافية الغاز المحوري عبر فوهة المعدنية للمرنان متحد المحور هو ممكن. وأشعلت البلازما وتقتصر في أنبوب الميكروويف شفافة، على سبيل المثال أنبوب الكوارتز. والسماحية من أنبوب الكوارتز يؤثر أيضا على تردد الرنين. منذ الكوارتز لديها السماحية لل> 1، وحجم مرنان أسطواني هو الموسع تقريبا الأمر الذي يؤدي إلى تردد صدى أقل. هذه الظاهرة لابد من أخذها في الاعتبار عند تصميم وأبعاد مرنان أسطواني. مناقشة مفصلة حول كيفية تأثر تردد صدى بواسطة أنبوب الكوارتز إدراج يمكن العثور عليها في المرجع 23. إذا تم استخدام أنبوب الكوارتز طويلة وممتدة، وهذا يمكن أيضا بمثابة دائرة رد الفعل للعمليات وحدة التخزين. ومع ذلك، من أجل المعالجات السطحية البلازما يمكن أيضا أن تكون على شكل مختلف من قبل نوع مختلف من فتحات. يتم توفير الميكروويف من خلال الدليل الموجي مستطيلة من المغناطيسية. لتجنب الضوضاء إزعاج استخدام المغناطيسية تموج منخفض هو موصىانتهى. المغنطرون الذي يستخدم في الفيلم هو واحد تموج منخفض.

لاشتعال البلازما يتم استخدام مرنان المحورية ذات جودة عالية في حين يتم توفير عملية مستقرة ومستمرة من قبل مرنان أسطواني. لتحقيق اشتعال البلازما من خلال نوعية مرنان المحورية عالية تردد صدى هذا مرنان أن المباراة تماما وتيرة الميكروويف التي تقدمها المغناطيسية المستخدمة. حيث أن جميع المغناطيسي لا تنبعث تردد الموجات الدقيقة الخاصة بهم في بالضبط تردد الاسمي ومنذ تردد يعتمد على انتاج الطاقة، والمغناطيسية لابد من قياس مع محلل الطيف. تردد صدى مرنان المحورية يمكن تعديلها عن طريق تحريك فوهة المعدني صعودا وهبوطا. ويمكن قياس هذا التردد الرنين وتعديلها وبالتالي أيضا إلى التردد ارسال المغنطرون استخدامها مع محلل شبكة. للوصول إلى المجال الكهربائي العالي في غيض من فوهة، اللازمة لاشتعالمن البلازما، وهناك حاجة إلى موالف ثلاثة كعب بالإضافة. هذا موالف كعب ثلاثة هو مكون الميكروويف شائعة الاستخدام. هي التي شنت موالف ثلاثة كعب بين الشعلة البلازما الميكروويف والمغناطيسية. بعد يتم ضبط تردد صدى مرنان المحورية، يتم تكبير قوة إلى الأمام وقوة ينعكس التقليل من خلال تعديل تكرارا على بذرة من موالف ثلاثة كعب.

بعد تعديل تردد صدى مرنان المحورية وكذلك بعد أن تكبير القوى إلى الأمام عن طريق موالف ثلاثة كعب، البلازما الشعلة البلازما الميكروويف يمكن أشعلت عند توصيل الشعلة البلازما الميكروويف إلى المغناطيسية. لاشتعال البلازما قوة الميكروويف الحد الأدنى من حوالي 0،3-1 كيلو واط كافية. يشعل البلازما في مرنان المحورية. بعد اشتعال البلازما يتم إزاحة تردد صدى مرنان المحورية بسبب السماحية عازلة من البلازما والميكروويف لا يمكن ليعد تخترق مرنان المحورية. وهكذا، فإن مفاتيح البلازما من وضع محوري في وضع لها أسطواني أكثر اتساعا بكثير حرق يقف بحرية-فوق فوهة المعدنية في وسط مرنان أسطواني. منذ نوعية وضع أسطواني منخفضة جدا والمعارض منحنى صدى واسع وبالتالي، يمكن الميكروويف لا تزال تخترق مرنان أسطواني على الرغم من التحول من تردد الرنين بسبب السماحية عازلة للبلازما. وهكذا، يتم توفير عملية مستمرة ومستقرة للبلازما في وضع أسطواني من قبل شعلة البلازما الميكروويف. ومع ذلك، من أجل التوصل إلى الاستيعاب الكامل للطاقة الميكروويف الموردة، وبذرة من موالف كعب الثلاث إلى إعادة تعديل. وإلا فإن السلطة الميكروويف المقدمة لا يمتص تماما من البلازما ولكن ينعكس بعض نسبة الميكروويف المقدمة واستيعابها من قبل حمولة المياه.

لفحص الاشتعال من البلازما في محوريوضع وبعد ذلك ه تمر بمرحلة انتقالية في وضع أسطواني الموسعة، لوحظ الاشتعال البلازما بواسطة كاميرا عالية السرعة.

الفيلم عرض وإظهار كيف يتم قياس الاعتماد تردد المغناطيسية، يتم ضبط تردد صدى مرنان متحد المحور، كيف يتم تكبير قوة إلى الأمام وكيف أشعل البلازما من قبل السلطة الميكروويف الموردة. ويظهر تسجيل كاميرا عالية السرعة أيضا.

Protocol

1. قياس ومفرغ

ملاحظة: وصفت والتخطيطي من الإعداد التجريبية لقياس المغناطيسية في الشكل 1A.

1. ربط المغناطيسية لعازل يتكون من شكل دائري وحمولة الماء مع 10 مسامير.
2. ربط عازل للمقرنة الاتجاه مع 10 مسامير.
3. ربط مقرنة اتجاهي لحمولة المياه الثاني مع 10 مسامير.
4. توريد جميع الأحمال الماء بالماء.
5. معايرة محلل الطيف مع وظيفة المعايرة وفقا لبروتوكول الشركة الصانعة.
6. توصيل 20 ديسيبل المخفف للمحلل الطيف عن طريق توصيل 20 ديسيبل المخفف للمحلل الطيف.
   ملاحظة: يستخدم 20 ديسيبل المخفف لحماية محلل الطيف من القوى مرتفعة جدا أعلى من 1 W.
7. ربط 20 ديسيبل المخفف مجهزة محلل الطيف إلى نهاية الكابلات المحورية مجهزة موصل BNC عن طريق توصيل التعاونكابل محوري في 20 ديسيبل المخفف.
8. ربط نهاية الكابلات المحورية مجهزة موصل N إلى مقرنة الاتجاه عن طريق توصيل كابل متحد المحور إلى كابل الاتجاه.
9. يتم عرض التبديل على المغناطيسية عبر التيار الكهربائي وطيف الموجات الدقيقة المنبعثة على محلل الطيف.
10. إذا لزم الأمر، وضبط عرض الإحداثي السيني، تنسيق وحلها وفقا لدليل للمحلل الطيف.
11. لقياس وتيرة الميكروويف الانتاج في الاعتماد على قوة الميكروويف، وزيادة قوة الميكروويف من 10٪ إلى أقصى حد من انتاج الطاقة في 5٪ إلى 10٪ خطوات ولكل خطوة تحديد وتيرة السعة القصوى من الطيف عرض من قبل محلل الطيف.
    ملاحظة: عادة، والطيف الترددي من المغناطيسية أقل من 10٪ من انتاج الطاقة القصوى لها واسع جدا، يسلك العديد من قمم مختلفة، وبالتالي ليست صالحة للاستعمال.

2. تعديلتردد الرنين

ملاحظة: وصفت والتخطيطي من الإعداد التجريبية لقياس وضبط تردد صدى في الشكل 2A.

1. معايرة محلل شبكة مع عدة المعايرة لتشغيل S11 (وفقا لبروتوكول الشركة المصنعة).
2. توصيل الكابلات المحورية عبر N-موصل إلى الجزء المحوري من محوري-لمستطيلة الموجة دليل الانتقال عن طريق توصيل كابل متحد المحور إلى موجة دليل-التحول المحورية ل.
3. ربط جزء مستطيل من محوري-لمستطيلة الموجة دليل التحول إلى موالف ثلاثة كعب مع 10 مسامير.
4. توصيل موالف ثلاثة كعب للجمعية الشعلة البلازما الميكروويف مع 10 مسامير.
5. في الشبكة القائمة محلل التحول إلى عملية S11.
6. في القائمة محلل شبكة التبديل إلى وضع VSWR أو إلى وضع تسجيل.
7. تكرارا ضبط تردد صدى للجمعية الشعلة البلازما الميكروويف إلى freque المقاسNCY من المغناطيسية في انتاج الطاقة من 25٪ - 60٪ من انتاج الطاقة القصوى عن طريق تحريك فوهة صعودا وهبوطا. ونظرا لتردد الرنين للجمعية الشعلة البلازما الميكروويف من تراجع للقياس المعلمة S11 كما هو مبين في الشكل 2B. ضبط هذا الانخفاض عن طريق تحريك فوهة صعودا وهبوطا إلى التردد الموصى بها.
8. عندما يتم ضبط تردد الرنين، وقفل موقف فوهة مع الجوز قفل.
9. زيادة قوة الميكروويف إلى الأمام تكرارا عن طريق ضبط بذرة ثلاثة من موالف ثلاثة كعب عن طريق تحريك بذرة صعودا وهبوطا. وتعطى قوة الميكروويف استيعابها من قبل التجمع الشعلة البلازما الميكروويف التي كتبها عمق تراجع المعلمة S11. وهكذا، وتعظيم هذا الانخفاض عن طريق ضبط بذرة من موالف ثلاثة كعب. عادة، فإنه يكفي أن تستخدم اثنين من بذرة الثلاثة.

3. الإشعال من البلازما

1. ارتداء النظارات الحماية للأشعة فوق البنفسجية منذ البلازما تنبعث راضية UVنشوئها. تشغيل الشعلة البلازما تحت التهوية الغاز المحلية منذ تنتج البلازما أكاسيد نيتريد.
2. ربط التجمع الشعلة البلازما الميكروويف مع مرنان المحورية المعدل (مقفل فوهة) والمعدل موالف ثلاثة كعب إلى المغناطيسية مجهزة عازل يتكون من شكل دائري متصل حمولة المياه.
3. قم بتوصيل امدادات الغاز الى الشعلة البلازما الميكروويف.
4. بدوره على امدادات الغاز الى 5 إلى 20 حركة تحرير السودان.
5. منذ أشعة الميكروويف في جرعات أعلى مضر خصوصا للعيون، والتحقق من عدم وجود أي تسرب الميكروويف.
   1. للقيام بذلك، قم بتشغيل فرن الميكروويف بكل قوة منخفضة جدا من 10٪ إلى 12٪ وتحقق كافة الاتصالات الميكروويف مع متر الميكروويف لمدة التسرب.
   2. إذا كان هناك أي تسرب إزالتها تماما قبل زيادة قوة الميكروويف أو تشغيل الشعلة البلازما الميكروويف.
6. إذا كان هناك أي تسرب تشغيل الميكروويف بدءا من القوى منخفضة بنسبة 10٪ وزيادة التصنيع العسكريالسلطة rowave ببطء داخل 10-60 ثانية حتى يشعل البلازما في أنبوب الكوارتز للشعلة البلازما الميكروويف.
7. مراقبة بعناية إذا وحيث البلازما يشعل لكن كن حذرا مع أفران ميكروويف ربما يشع. ويفضل استخدام المرآة لمراقبة الاشتعال البلازما.
8. إذا لم يشعل البلازما، وفصل التيار الكهربائي الميكروويف والتحقق بعناية إذا يقترن قوة الميكروويف بشكل صحيح في مرنان المحورية وليس مضللة إلى المكونات الأخرى تسخين عنها أو حتى إلحاق الأذى بهم. معرفة ما اذا كان يتم الحصول على تسخين بعض مكونات يصل.
   1. إذا كان يحصل يسخن أي مكون يصل - أي قوة الميكروويف مضللة - نقل ​​كافة بذرة من موالف ثلاثة كعب من الدليل الموجي وتعديلها لتحقيق أقصى قدر من اقتران الميكروويف في التجمع الشعلة البلازما كما هو موضح في الخطوة 2.9. ثم البدء من جديد مع خطوة 3.1.
   2. ضبط تردد صدى مرنان المحورية للشعلة البلازما إلى التردد ارسال ماجnetron في ما يكفي من ارتفاع انتاج الطاقة الميكروويف من 25٪ إلى 60٪ من انتاج الطاقة القصوى مع محلل شبكة كما هو موضح في الخطوة 2. لتحسين الاشتعال، وضبط تردد صدى مرنان متحد المحور كما هو موضح في الخطوة 2 إلى أعلى انتاج الطاقة. ثم البدء من جديد مع خطوة 3.1.
9. إذا يشعل البلازما في مكان ما في الشعلة البلازما وعدم التبديل تلقائيا إلى وضع محوري أو أسطواني، تختلف توفير الطاقة الميكروويف والغاز تدفق حتى يحترق في وضع أسطواني.
10. عندما تحرق البلازما في وضع أسطواني، وضبط تكرارا على بذرة من موالف ثلاثة كعب عن طريق نقلها صعودا وهبوطا حتى يتسنى لجميع من قوة الميكروويف زودت يتم امتصاصه من قبل البلازما ويصبح قوة الميكروويف ينعكس الصفر.
    ملاحظة: في حالة توصيل الصمام الثنائي الميكروويف لحمل المياه والمدخلات المقابلة من وحدة التحكم، يتم عرض قوة الميكروويف ينعكس في وحدة السيطرة على إمدادات الطاقة الميكروويف.كيفية القيام بذلك الموضح في دليل من امدادات الطاقة الميكروويف.
11. عندما تستخدم القوى الميكروويف أعلى من 1.5 كيلو واط أو أكثر وتدفقات الغاز منخفضة أقل من 15 حركة تحرير السودان، والتحقق بعناية أن البلازما لا تلمس جدران أنبوب الكوارتز. أنبوب الكوارتز لا يجب أن توهج في أي مكان.
12. إذا كان أنبوب الكوارتز يضيء الحمراء، وانخفاض قوة الميكروويف أو زيادة تدفق الغاز حتى تختفي تماما.
13. منذ أفران ميكروويف يمكن أن يشع من البلازما بسبب التوصيل من البلازما، وتحقق مع متر الميكروويف أن قوة الميكروويف المشعة هي دون عتبة.
14. إذا كانت السلطة الميكروويف المشعة فوق العتبة، درع البلازما مع شبكة معدنية حيث حجم شبكة أصغر بكثير من نصف طول الموجة المستخدمة الميكروويف.

4. عالية السرعة فيلم كاميرا للاشتعال البلازما

ملاحظة: منذ اشتعال البلازما وانتقالها إلى وضع أسطواني هو في حدودبعض مئات من ميلي ثانية، يمكن أن يكون أفضل التحقيق هذه العملية عن طريق كاميرا عالية السرعة. ومع ذلك، فإنه ليس من الضروري مراقبة عملية الاشتعال عن طريق كاميرا عالية السرعة في كل مرة يتم أشعلت البلازما.

1. وضع عدسة الكاميرا عالية السرعة أمام الشعلة البلازما الميكروويف النظر من خلال فتحة التشخيص في الجزء الأمامي من الشعلة البلازما.
2. ضبط حتى الكاميرا مشيرا إلى مرنان المحورية في غيض من فوهة المعدنية.
3. تركز الكاميرا على غيض من فوهة المعدنية.
4. بدء التسجيل مع 1،000 إطارا في الثانية (لقطة في الثانية) من كاميرا عالية السرعة.
5. إشعال البلازما كما هو موضح في القسم 3.

5. عملية البلازما مستقرة ومستمرة

ملاحظة: عندما تم أشعلت البلازما في وضع أسطواني وتم تعديل موالف ثلاثة كعب لتحقيق أقصى قدر من امتصاص قوة الميكروويف من البلازما مستقر وcontinعملية uous الشعلة البلازما هو ممكن.

1. ضبط البعد - شعاعي ومحوري تمديد - من البلازما إلى البعد المطلوب من خلال تغيير قوة الميكروويف الموردة بين 10٪ و انتاج الطاقة القصوى وتدفق الغاز ما بين 10 و 70 حركة تحرير السودان. الحفاظ على البعد شعاعي تقتصر على قطر أنبوب الكوارتز. البلازما يجب أن لا تلمس جدار أنبوب الكوارتز وهو ما يعني أن أنبوب الكوارتز يجب ألا توهج.
2. لتشكيل البلازما لأشكال مختلفة، استخدام أنبوب الكوارتز القصير التي تحصر فقط البلازما داخل مرنان أسطواني ووضع فوهة واحدة على رأس الجمعية شعلة البلازما.
3. إذا لزم الأمر، وربط فتحات مع بعض البراغي.

النتائج

لتوفير الاشتعال البلازما دون أي اشعال إضافية وكذلك عملية البلازما مستقرة ومستمرة والجمع بين ومتحد المحور مرنان جودة عالية مع تردد صدى قابل للتعديل مع انخفاض جودة أسطواني مرنان لشعلة البلازما الميكروويف. ويرد التخطيطي من هذه الشعلة البلازما في الشكل (3)،...

Discussion

ويوضح الفيلم عرض كيف يمكن أن تتحقق على الاشتعال من الغلاف الجوي البلازما الضغط الميكروويف دون أي اشعال إضافية، المبادئ الأساسية لهذا الميكروويف الشعلة البلازما، والتكيف لها، وعملية الاشتعال من البلازما وعملياتها مستقرة ومستمرة. كما هو موضح في المقدمة، هناك أنواع ?...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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