Cómo Encender una presión atmosférica de microondas de la antorcha de plasma sin ningún Encendedores adicionales

Resumen

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.

Resumen

Esta película muestra cómo un soplete de plasma a presión atmosférica puede ser encendido por la energía de microondas sin encendedores adicionales. Después de la ignición del plasma, una operación estable y continua del plasma es posible y la antorcha de plasma se puede utilizar para muchas aplicaciones diferentes. Por un lado, la caliente (3600 K de temperatura de gas) de plasma se puede utilizar para procesos químicos y por otro lado el resplandor frío (temperaturas de hasta casi RT) se pueden aplicar para los procesos de superficie. Por ejemplo síntesis químicas son procesos volumen interesantes. Aquí la antorcha de plasma de microondas se puede utilizar para la descomposición de los gases residuales nocivos y contribuyen al calentamiento global, pero son necesarios como el grabado de gases en el crecimiento de los sectores de la industria como la rama de semiconductores. Otra aplicación es la disociación de CO _2. Excedente de energía eléctrica a partir de fuentes de energía renovables puede utilizarse para disociar CO ₂ a CO y _O2. El CO puede ser más prosar en hidrocarburos superiores gaseosos o líquidos, proporcionando así el almacenamiento químico de la energía, los combustibles sintéticos o químicos de plataforma para la industria química. Aplicaciones del resplandor de la antorcha de plasma son el tratamiento de superficies para aumentar la adherencia de la laca, el pegamento o la pintura, y la esterilización o descontaminación de los diferentes tipos de superficies. La película se explica cómo encender el plasma únicamente por la potencia de microondas sin ningún ignitores adicionales, por ejemplo, chispas eléctricas. La antorcha de plasma de microondas se basa en una combinación de dos resonadores - una coaxial que proporciona la ignición del plasma y una cilíndrica, que garantiza un funcionamiento continuo y estable del plasma después de la ignición. El plasma puede ser operado en un tubo transparente a largo microondas durante los procesos de volumen o en forma de por orificios para los propósitos de tratamiento de superficies.

Introducción

Sopletes de plasma de microondas presión atmosféricas ofrecen una variedad de aplicaciones diferentes. Por un lado se pueden utilizar para los procesos químicos de volumen y por otra parte su plasma resplandor puede ser aplicado para el tratamiento de superficies. Como tratamiento de la superficie procesa el tratamiento para aumentar la adherencia del pegamento, pintura o laca o la descontaminación o esterilización de superficies puede ser identificado. El propio plasma caliente y reactiva se puede utilizar para los procesos de volumen, como la descomposición de los gases residuales ^1-7. Estos gases residuales son perjudiciales, contribuyen al calentamiento global y difícilmente pueden ser degradados convencionalmente. Sin embargo, se necesitan en el crecimiento de los sectores industriales, tales como la rama de semiconductores. Otras aplicaciones son la síntesis química como la disociación de CO ₂ a CO y O ₂ o CH ₄ de carbono y ^8,9 hidrógeno. Excedente de energía eléctrica a partir de fuentes de energía renovables puede utilizarse para disociar CO _{2 en CO y O2. El CO se puede procesar adicionalmente en hidrocarburos superiores que pueden utilizarse como combustibles sintéticos para el transporte, como los productos químicos de la plataforma para la industria química o como almacenamiento de productos químicos.}

Hay algunas antorchas de plasma de microondas, pero la mayoría de ellos tienen desventajas: Sólo tienen volúmenes de plasma muy pequeñas, necesitan ignitores adicionales, necesitan refrigeración del reactor de plasma o sólo pueden funcionar en modo pulsado ^10-18. La antorcha de plasma de microondas presentado en esta película ofrece una ignición del plasma únicamente con la potencia de microondas proporcionan sin ignitores adicionales, así como una operación estable y continua sin ningún enfriamiento del reactor de plasma para una amplia gama de parámetros de funcionamiento y se puede utilizar para todas las aplicaciones mencionadas anteriormente. La antorcha de plasma de microondas se basa en una combinación de dos resonadores: una coaxial y una cilíndrica. El resonador cilíndrico tiene una baja calidad y es operated en el conocido E ₀₁₀ -mode con el campo eléctrico más alto en el centro. El resonador coaxial se encuentra por debajo del resonador cilíndrico y consiste en una boquilla metálica móvil en combinación con un suministro de gas tangencial. La alta calidad del resonador coaxial presenta una curva de resonancia muy estrecha pero profunda. Debido a la alta calidad del resonador coaxial un campo eléctrico de alta puede llegar a que es necesario para el encendido del plasma. Sin embargo, la alta calidad del resonador coaxial está asociado con una curva de resonancia muy estrecho y por lo tanto la frecuencia de resonancia tiene para adaptarse perfectamente a la frecuencia de las microondas suministrado. Dado que los cambios de frecuencia de resonancia después de la ignición del plasma debido a la permitividad del plasma, el horno de microondas ya no puede penetrar en el resonador coaxial. Para el funcionamiento continuo del plasma se necesita el resonador cilíndrico con una calidad baja y una curva de resonancia amplia.

Un suministro de gas axial adicional a través de la boquilla metálica del resonador coaxial es posible. El plasma se enciende y confinado en un tubo transparente a las microondas, por ejemplo un tubo de cuarzo. La permitividad del tubo de cuarzo también afecta a la frecuencia de resonancia. Dado que el cuarzo tiene una permitividad de> 1, el volumen del resonador cilíndrico es prácticamente ampliada que conduce a una frecuencia de resonancia más baja. Este fenómeno tiene que ser considerado cuando las dimensiones del resonador cilíndrico están diseñados. Una discusión detallada sobre cómo la frecuencia de resonancia se ve afectada por el tubo de cuarzo insertado se puede encontrar en la referencia 23. Si se utiliza un tubo de cuarzo largo y prolongado, este también puede actuar como la cámara de reacción para los procesos de volumen. Sin embargo, para los tratamientos de superficie del plasma también puede tener una forma distinta por diferentes tipos de orificios. El microondas se suministra a través de una guía de ondas rectangular de la magnetrón. Para evitar la contaminación acústica el uso de un magnetrón ondulación baja es recommterminado. El magnetrón que se utiliza en la película es un mínimo de un ondulación.

Para el encendido del plasma se utiliza el resonador coaxial de alta calidad mientras una operación estable y continua es proporcionada por el resonador cilíndrico. Para lograr el encendido del plasma por el resonador coaxial de alta calidad la frecuencia de resonancia de este resonador tiene que coincidir perfectamente la frecuencia de las microondas suministrada por el magnetrón utilizado. Dado que todos los magnetrones no emiten su frecuencia de microondas exactamente a la frecuencia nominal y puesto que la frecuencia depende de la potencia de salida, el magnetrón tiene que ser medido con un analizador de espectro. La frecuencia de resonancia del resonador coaxial se puede ajustar moviendo la boquilla metálica arriba y hacia abajo. Esta frecuencia de resonancia se puede medir y por lo tanto también ajustada a la frecuencia de envío del magnetrón se utiliza con un analizador de red. Para alcanzar el campo eléctrico de alta en la punta de la boquilla, requerida para la ignicióndel plasma, se necesita un sintonizador de tres stub en adición. Este tres sintonizador talón es un componente de microondas de uso común. El sintonizador de tres stub se monta entre la antorcha de plasma de microondas y el magnetrón. Después se ajusta la frecuencia de resonancia del resonador coaxial, la potencia hacia adelante se maximiza y minimiza la potencia reflejada por iterativamente ajustar el talones del sintonizador de tres trozo.

Después de haber ajustado la frecuencia de resonancia del resonador coaxial, así como de haber maximizado los poderes hacia adelante por medio del sintonizador de tres stub, el plasma de la antorcha de plasma de microondas puede ser encendido cuando la antorcha de plasma de microondas está conectado a un magnetrón. Para el encendido de la potencia de microondas de plasma de un mínimo de alrededor de 0,3 a 1 kW es suficiente. El plasma se enciende en el resonador coaxial. Después de la ignición del plasma la frecuencia de resonancia del resonador coaxial se desplaza debido a la permitividad dieléctrica del plasma y el horno de microondas puede noya penetrar en el resonador coaxial. Por lo tanto, los interruptores de plasma desde el modo coaxial en su modo cilíndrica mucho más extendida quema libremente de pie encima de la boquilla metálica en el centro del resonador cilíndrico. Dado que la calidad de la modalidad cilíndrica es muy baja y por lo tanto exhibe una curva de resonancia amplia, el horno de microondas todavía puede penetrar en el resonador cilíndrico a pesar del desplazamiento de la frecuencia de resonancia debido a la permitividad dieléctrica del plasma. Por lo tanto, un funcionamiento continuo y estable del plasma en el modo cilíndrico está provisto por la antorcha de plasma de microondas. Sin embargo, para llegar a una absorción completa de la potencia de microondas suministrada, los talones de los tres sintonizador de talón tienen que ser reajustado. De lo contrario, la potencia de microondas suministrada no está completamente absorbida por el plasma, pero un porcentaje del microondas proporcionada es reflejada y absorbida por la carga de agua.

Para examinar la ignición del plasma en el coaxialmodo y luego su transición al modo cilíndrica extendida, el encendido de plasma es observada por una cámara de alta velocidad.

La película presentada mostrará cómo se mide la dependencia de la frecuencia del magnetrón, la frecuencia de resonancia del resonador coaxial se ajusta, cómo se maximiza la potencia hacia adelante y cómo el plasma se enciende por la potencia de microondas suministrado. La grabación de la cámara de alta velocidad se muestra también.

Protocolo

1. Medición del magnetrón

Nota: El esquemática de la configuración experimental para medir el magnetrón se representa en la Figura 1A.

1. Conecte el magnetrón de un aislante que consiste en un dispositivo de circulación y una carga de agua con 10 tornillos.
2. Conecte el aislante a un acoplador direccional con 10 tornillos.
3. Conecte el acoplador direccional a una segunda carga de agua con 10 tornillos.
4. Proporcione todas las cargas de agua con agua.
5. Calibrar el analizador de espectro con su función de calibración de acuerdo con el protocolo del fabricante.
6. Conectar un atenuador de 20 dB para el analizador de espectro conectando el atenuador de 20 dB para el analizador de espectro.
   Nota: El atenuador de 20 dB se utiliza para proteger el analizador de espectro de muy altas potencias por encima de 1 W.
7. Conectar el atenuador 20 dB equipado analizador de espectro para el extremo del cable coaxial equipado con un conector BNC enchufando el cocable axial en el atenuador 20 dB.
8. Conectar el extremo del cable coaxial equipado con un conector N al acoplador direccional conectando el cable coaxial al cable direccional.
9. Encender el magnetrón a través de la fuente de alimentación y el espectro de las microondas emitida se muestra en el analizador de espectro.
10. Si es necesario, ajuste el eje de abscisas se muestra, ordenada y su resolución de acuerdo con el manual del analizador de espectro.
11. Para medir la frecuencia de la salida de microondas en dependencia de la potencia de microondas, aumentar la potencia de microondas desde el 10% hasta el máximo de la potencia de salida en 5% a 10% pasos y por cada paso de determinar la frecuencia de la amplitud máxima del espectro mostrado por el analizador de espectro.
    Nota: Por lo general, el espectro de frecuencia de un magnetrón por debajo del 10% de su potencia de salida máxima es muy amplio, presenta muchos picos diferentes y por lo tanto no es utilizable.

2. Ajuste deLa frecuencia de resonancia

Nota: El esquemática de la configuración experimental para medir y ajustar la frecuencia de resonancia se representa en la Figura 2A.

1. Calibrar el analizador de red con el kit de calibración para la operación S11 (de acuerdo con el protocolo del fabricante).
2. Conectar el cable coaxial a través de la N-conector coaxial a la parte de una transición guía-coaxial-to-onda rectangular conectando el cable coaxial a la guía de ondas a la transición coaxial-a-ser.
3. Conecte la parte rectangular de la transición guía-coaxial-a-onda rectangular a un sintonizador tres talón con 10 tornillos.
4. Conecte el sintonizador de tres de empalme hacia el conjunto de la antorcha de plasma de microondas con 10 tornillos.
5. En el interruptor menú analizador de red a la operación S11.
6. En el menú de analizador de red cambiar al modo de ROE o al modo de registro.
7. Iterativamente ajustar la frecuencia de resonancia del conjunto de la antorcha de plasma de microondas para la medición frequency del magnetrón en una potencia de salida de 25% - 60% de la potencia máxima de salida moviendo la boquilla hacia arriba y hacia abajo. La frecuencia de resonancia del conjunto de la antorcha de plasma de microondas está dada por la inclinación de la medición de parámetros S11 tal como se representa en la figura 2B. Ajuste este dip moviendo la boquilla hacia arriba y hacia abajo a la frecuencia recomendada.
8. Cuando se ajusta la frecuencia de resonancia, bloquear la posición de la boquilla con la tuerca de bloqueo.
9. Aumentar la potencia de microondas hacia adelante de forma iterativa mediante el ajuste de los tres trozos de el sintonizador de tres stub moviendo el talones de arriba y abajo. La potencia de microondas absorbida por el conjunto de antorcha de plasma de microondas está dada por la profundidad de la inmersión del parámetro S11. Por lo tanto, maximizar esta inmersión ajustando los talones del sintonizador tres trozo. Comúnmente, es suficiente que dos de los tres trozos se utilizan.

3. Encendido del plasma

1. Use lentes de protección UV ya que el plasma emite radiaciones UVción. Opere la antorcha de plasma bajo ventilación local de gas ya que el plasma produce óxidos de nitruro.
2. Conectar el conjunto de antorcha de plasma de microondas con el resonador coaxial ajustado (boquilla está bloqueado) y el sintonizador de tres ajustada de empalme hacia el magnetrón equipado con un aislante que consta de un circulador conectado a una carga de agua.
3. Conectar el suministro de gas a la antorcha de plasma de microondas.
4. Abra el suministro de gas a 5 a 20 slm.
5. Dado que la radiación de microondas en dosis más elevadas es perjudicial especialmente para los ojos, compruebe que no hay fugas de microondas.
   1. Para ello, encender el microondas a una potencia muy baja de 10% a 12% y compruebe todas las conexiones de microondas con un medidor de microondas para fugas.
   2. Si hay cualquier fuga que eliminar completamente antes de aumentar la potencia de microondas u operar la antorcha de plasma de microondas.
6. Si no hay fugas de encender el microondas a partir de bajas potencias de 10% y aumentar el micrófonopoder rowave lentamente dentro de 10 a 60 segundos hasta que el plasma se enciende en el tubo de cuarzo de la antorcha de plasma de microondas.
7. Observe cuidadosamente si y donde el plasma se enciende pero ten cuidado con microondas posiblemente radiadas. Utilizar preferentemente un espejo para la observación de la ignición del plasma.
8. Si no plasma enciende, apague la potencia de microondas y comprobar cuidadosamente si la potencia de microondas se acopla correctamente en el resonador coaxial y no equivocada a otros componentes calentarlos o incluso hacerles daño. Compruebe si algunos componentes se están calentados.
   1. Si algún componente se calienta para arriba - es decir, la potencia de microondas es un error - se mueven todos los talones del sintonizador tres trozo de la guía de ondas y ajustarlos para maximizar el acoplamiento de microondas en el conjunto de la antorcha de plasma como se describe en el paso 2.9. A continuación, empezar de nuevo con el paso 3.1.
   2. Ajustar la frecuencia de resonancia del resonador coaxial de la antorcha de plasma a la frecuencia de envío de la magnetron en una salida de potencia de microondas suficiente alto de 25% a 60% de la potencia máxima de salida con el analizador de red como se describe en el paso 2. Para mejorar el encendido, ajustar la frecuencia de resonancia del resonador coaxial como se describe en el paso 2 a una mayor potencia de salida. A continuación, empezar de nuevo con el paso 3.1.
9. Si el plasma se enciende en algún lugar de la antorcha de plasma y no cambia automáticamente al modo coaxial o cilíndrica, variar el flujo de potencia de microondas y el gas suministrado hasta que se apague en el modo cilíndrico.
10. Cuando el plasma se quema en el modo cilíndrico, iterativamente ajustar el talones del sintonizador de tres stub moviendo hacia arriba y hacia abajo de manera que toda la potencia de microondas suministrada es absorbida por el plasma y la potencia de microondas reflejada se convierte en cero.
    Nota: Si un diodo de microondas está conectado a la carga de agua y a la entrada correspondiente de la unidad de control, la potencia de microondas reflejada se muestra en la unidad de control de la potencia de microondas de suministro.Cómo hacer esto se describe en el manual de la potencia de microondas de suministro.
11. Cuando se utilizan altas potencias de microondas de 1,5 kW o más y los flujos bajos de gas de menos de 15 slm, comprobar cuidadosamente que el plasma no toca las paredes del tubo de cuarzo. El tubo de cuarzo no debe brillar en cualquier lugar.
12. Si el tubo de cuarzo se ilumina en rojo, reduzca la potencia de microondas o aumentar el flujo de gas hasta que desaparece por completo.
13. Dado que las microondas pueden ser irradiadas por el plasma debido a la conductividad del plasma, verifique con un metro de microondas que la potencia de microondas radiada está por debajo del umbral.
14. Si la potencia de microondas radiada está por encima del umbral, proteger el plasma con una malla metálica en el que el tamaño de malla es mucho menor que la mitad de la longitud de onda de microondas utilizado.

4. Cámara de alta velocidad de la película de la ignición de plasma

Nota: Puesto que la ignición del plasma y su transición al modo cilíndrica está en el intervalo dealgunos cientos de milisegundos, este proceso puede ser mejor investigados por medio de una cámara de alta velocidad. Sin embargo, no es necesario observar el proceso de encendido por medio de una cámara de alta velocidad cada vez que el plasma se enciende.

1. Coloque la lente de la cámara de alta velocidad en frente de la antorcha de plasma de microondas mirando a través de la rendija de diagnóstico en la parte delantera de la antorcha de plasma.
2. Ajuste hasta que la cámara está señalando en el resonador coaxial en la punta de la boquilla metálica.
3. Enfoque la cámara en la punta de la boquilla metálica.
4. Inicie la grabación con 1000 fps (fotogramas por segundo) de la cámara de alta velocidad.
5. Encender el plasma como se describe en la sección 3.

5. Funcionamiento de plasma estable y continua

Nota: Cuando el plasma ha sido encendido en el modo cilíndrico y el sintonizador de tres stub se ha ajustado para maximizar la absorción de la potencia de microondas por el plasma de un establo y Continoperación superfluo de la antorcha de plasma es posible.

1. Ajustar la dimensión - la radial y axial de extensión - del plasma a la dimensión deseada mediante la variación de la potencia de microondas suministrado entre 10% y la potencia de salida máxima y el flujo de gas entre 10 y 70 slm. Mantenga la dimensión radial limitada al diámetro del tubo de cuarzo. El plasma no debe tocar la pared del tubo de cuarzo que significa que el tubo de cuarzo no debe brillar.
2. Para dar forma el plasma a diferentes formas, usar un tubo de cuarzo corto que sólo limita el plasma en el interior del resonador cilíndrico y colocar un orificio en la parte superior del conjunto de antorcha de plasma.
3. Si es necesario, fije los orificios con algunos tornillos.

Resultados

Para proporcionar una ignición del plasma sin ningún ignitores adicionales, así como una operación de plasma estable y continua un resonador coaxial de alta calidad con una frecuencia de resonancia ajustable se combinó con una baja calidad del resonador cilíndrico a una antorcha de plasma de microondas. El esquema de esta antorcha de plasma se presenta en la Figura 3. El plasma está confinado en un tubo transparente a las microondas, aquí un tubo de cuarzo. Este tubo puede actuar como una ...

Discusión

La película presentada explica cómo una ignición de un plasma de microondas presión atmosférica sin ningún ignitores adicionales se puede realizar, los principios básicos de esta antorcha de plasma de microondas, su ajuste, el proceso de ignición del plasma y su operación estable y continua. Como se describe en la introducción, ya hay diferentes tipos de sopletes de plasma de microondas pero ninguno de los proporcionan una ignición del plasma sin ningún ignitores adicionales así como la operación de plasma...

Materiales

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