Comment Ignite une pression atmosphérique à micro-ondes de la flamme plasma sans aucune Allumeurs supplémentaires

Résumé

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.

Résumé

Ce film montre comment une torche à plasma à pression atmosphérique peut être allumé en puissance micro-ondes sans allumeurs supplémentaires. Après l'allumage du plasma, un fonctionnement stable et continu du plasma est possible, et la torche à plasma peut être utilisé pour de nombreuses applications différentes. D'une part, le chaud (3600 K Température de gaz) plasma peut être utilisé pour les procédés chimiques et d'autre part la rémanence à froid (températures à presque RT) peuvent être appliqués pour les processus de surface. Par exemple synthèses chimiques sont des procédés de volumes intéressants. Voici la torche à plasma à micro-ondes peut être utilisé pour la décomposition des gaz résiduaires qui sont nocifs et contribuent au réchauffement global, mais sont nécessaires comme la gravure gaz dans les secteurs de l'industrie de plus en plus comme la branche des semi-conducteurs. Une autre application est la dissociation de CO _2. L'énergie électrique excédentaire à partir de sources d'énergie renouvelables peut être utilisée pour dissocier CO ₂ à CO et O _2. Le CO peut être plus protransformés en hydrocarbures gazeux ou liquides supérieurs fournissant ainsi le stockage chimique de l'énergie, des carburants de synthèse ou de produits chimiques de plate-forme pour l'industrie chimique. Les applications de la rémanence de la torche à plasma sont le traitement de surfaces pour augmenter l'adhérence de la laque, de la colle ou de la peinture, et la stérilisation ou la décontamination de différents types de surfaces. Le film explique comment allumer le plasma uniquement par la force de micro-ondes sans allumeurs supplémentaires, par exemple, des étincelles électriques. La torche à plasma micro-ondes est fondé sur une combinaison de deux résonateurs coaxiaux - un qui fournit une l'allumage du plasma et un autre cylindrique qui garantit un fonctionnement stable et continu du plasma après l'allumage. Le plasma peut être utilisé dans un tube transparent aux micro-ondes pendant longtemps procédés de volume ou de forme par des orifices à des fins de traitement de surface.

Introduction

Torches à plasma à micro-ondes de pression atmosphériques offrent une variété d'applications différentes. D'une part, ils peuvent être utilisés pour des procédés chimiques et de volume, d'autre part leur plasma post-décharge peut être appliqué pour le traitement de surfaces. Comme traitement de surface traite le traitement pour augmenter l'adhérence de la colle, de la peinture ou de la laque ou la décontamination ou la stérilisation de surfaces peuvent être nommés. Le plasma chaud et réactif lui-même peut être utilisé pour les procédés de volume tels que la décomposition des gaz résiduaires ^1-7. Ces gaz résiduaires sont nuisibles, contribuent au réchauffement mondial et peuvent difficilement être dégradés conventionnelle. Cependant, ils sont nécessaires dans les secteurs industriels de plus en plus comme la branche de semi-conducteurs. D'autres applications sont la synthèse chimique comme la dissociation de CO ₂ et de CO ou CH ₂ O ₄ de carbone et d'hydrogène ^8,9. L'énergie électrique excédentaire à partir de sources d'énergie renouvelables peut être utilisée pour dissocier CO _{2 en CO et O 2. Le CO peut être traité en outre en hydrocarbures supérieurs qui peuvent être utilisés en tant que combustibles de synthèse pour le transport, la plate-forme comme produits chimiques pour l'industrie chimique ou le stockage de produits chimiques.}

Il ya quelques torches à plasma à micro-ondes, mais la plupart d'entre eux présentent des inconvénients: Ils ne ont que de très petits volumes de plasma, doivent allumeurs supplémentaires, doivent refroidissement du réacteur à plasma ou ne peuvent être exploités en mode pulsé ^10-18. La torche à plasma hyperfréquence présenté dans ce film offre un allumage du plasma uniquement avec la puissance micro-onde muni d'aucun allumeurs supplémentaires ainsi que d'un fonctionnement stable et continu sans aucun refroidissement du réacteur à plasma pour une large gamme de paramètres de fonctionnement et peut être utilisé pour toutes les applications mentionnées ci-dessus. La torche à plasma micro-ondes est fondé sur une combinaison de deux résonateurs coaxiaux: l'une cylindrique et une une. Le résonateur cylindrique a une faible qualité et est opérated dans le célèbre E ₀₁₀ -mode avec le champ électrique plus élevée en son centre. Résonateur coaxial se trouve au-dessous du résonateur cylindrique et se compose d'une buse métallique mobile en combinaison avec une alimentation en gaz tangentielle. La haute qualité du résonateur coaxial présente une courbe de résonance très étroite mais profonde. En raison de la haute qualité du résonateur coaxial un champ électrique élevé peut être atteint ce qui est nécessaire pour l'allumage du plasma. Toutefois, la haute qualité du résonateur coaxial est associé à une courbe de résonance très étroit et par conséquent la fréquence de résonance doit correspondre parfaitement à la fréquence de l'onde hyperfréquence fournie. Étant donné que les décalages de fréquence de résonance après l'allumage du plasma en raison de la permittivité du plasma, le micro-ondes ne peut plus pénétrer dans le résonateur coaxial. Pour le fonctionnement en continu du plasma du résonateur cylindrique avec une basse qualité et une courbe de résonance large est nécessaire.

Un apport supplémentaire de gaz axiale via la buse métallique du résonateur coaxial est possible. Le plasma est allumé et confiné dans un tube transparent aux micro-ondes, par exemple un tube en quartz. La permittivité du tube de quartz affecte également la fréquence de résonance. Étant donné que le quartz présente une permittivité de> 1, le volume du résonateur est pratiquement cylindrique élargie qui conduit à une fréquence de résonance inférieure. Ce phénomène doit être pris en considération lorsque les dimensions du résonateur cylindrique sont conçus. Une discussion détaillée de la façon dont la fréquence de résonance est affectée par le tube de quartz inséré peut être trouvé dans la référence 23. Si un tube long et prolongé quartz est utilisé, il peut également agir en tant que chambre de réaction pour les procédés de volume. Toutefois, pour les traitements de surface du plasma peut également être mis en forme différemment par différents types d'orifices. Le micro-ondes est fourni par l'intermédiaire d'un guide d'onde rectangulaire à partir du magnétron. Pour éviter les nuisances sonores de l'utilisation d'une faible ondulation magnétron est recommterminé. Le magnétron qui est utilisé dans le film est une faible ondulation.

Pour l'allumage du plasma du résonateur coaxial haute qualité est utilisé pendant un fonctionnement stable et continu est fourni par le résonateur cylindrique. Pour réaliser l'allumage du plasma par le résonateur coaxial haute qualité de la fréquence de résonance de ce résonateur doit correspondre parfaitement à la fréquence des micro-ondes fournie par le magnétron utilisé. Comme toutes les magnétrons ne émettent pas leur fréquence de micro-ondes à la fréquence nominale exactement et que la fréquence est fonction de la puissance de sortie, le magnétron doit être mesurée avec un analyseur de spectre. La fréquence de résonance du résonateur coaxial peut être ajustée en déplaçant la buse métallique de haut en bas. Cette fréquence de résonance peut être mesurée et par conséquent également ajustée à la fréquence d'émission du magnétron est utilisé avec un analyseur de réseau. Pour atteindre le champ électrique élevé à la pointe de la buse, nécessaire pour l'allumagedu plasma, un tuner trois tampon est nécessaire en plus. Ce trois syntoniseur à ligne est un composant à micro-ondes utilisée. Le tuner trois tampon est monté entre la torche à plasma micro-onde et le magnétron. Après la fréquence de résonance du résonateur coaxial est réglée, la puissance incidente est maximisée et la puissance réfléchie minimisé en ajustant de manière itérative les talons du tuner trois stub.

Après avoir réglé la fréquence de résonance du résonateur coaxial ainsi que d'avoir maximisé les puissances directes au moyen du tuner trois stub, le plasma de la torche plasma micro-ondes peut être allumé lorsque la torche plasma micro-ondes est reliée à un magnétron. Pour l'allumage du plasma d'une puissance minimale à micro-ondes d'environ 0,3 à 1 kW est suffisant. Le plasma se enflamme dans le résonateur coaxial. Après l'allumage du plasma de la fréquence de résonance du résonateur coaxial est décalée à cause de la permittivité diélectrique du plasma et l'onde hyperfréquence ne peuventpénétrer plus dans le résonateur coaxial. Ainsi, les commutateurs de plasma provenant du mode coaxial dans son mode cylindrique beaucoup plus étendue brûlant librement debout-dessus de la buse métallique au centre du résonateur cylindrique. Étant donné que la qualité du mode cylindrique est très faible et présente une courbe de résonance large par conséquent, le micro-ondes peut toujours pénétrer dans le résonateur cylindrique en dépit du changement de la fréquence de résonance due à la permittivité diélectrique du plasma. Ainsi, un fonctionnement continu et stable du plasma en mode cylindrique est fournie par la torche à plasma micro-ondes. Toutefois, pour parvenir à une absorption complète de la puissance micro-ondes fournie, toutes les souches des trois syntoniseur à ligne doivent être réajustés. Sinon, la puissance micro-ondes fourni ne est pas complètement absorbée par le plasma, mais un certain pourcentage de micro-ondes fournie est réfléchi et absorbé par la charge de l'eau.

Pour examiner l'allumage du plasma dans le coaxialmode, puis son passage dans le mode cylindrique prolongée, l'allumage du plasma est observée par une caméra à grande vitesse.

Le film a présenté montrera comment la dépendance en fréquence du magnétron est mesurée, la fréquence de résonance du résonateur coaxial est ajustée, la façon dont la puissance incidente est maximisée et la façon dont le plasma est allumé par la puissance micro-ondes fourni. L'enregistrement de la caméra haute vitesse se affiche ainsi.

Protocole

1. Mesure du magnétron

Remarque: Le schéma du dispositif expérimental permettant de mesurer le magnétron est représenté sur la figure 1A.

1. Connectez le magnétron à un isolant constitué d'un circulateur et une charge d'eau avec 10 vis.
2. Connectez l'isolant à un coupleur directionnel avec 10 vis.
3. Connecter le coupleur directionnel à une deuxième charge de l'eau 10 avec des vis.
4. Fournir toutes les charges d'eau avec de l'eau.
5. Étalonner l'analyseur de spectre avec sa fonction d'étalonnage selon le protocole du fabricant.
6. Connecter un atténuateur 20 dB à l'analyseur de spectre en branchant la atténuateur 20 dB à l'analyseur de spectre.
   Remarque: Le 20 dB atténuateur est utilisé pour protéger l'analyseur de spectre de puissances trop élevées au-dessus de 1 W.
7. Branchez le 20 dB atténuateur équipée analyseur de spectre à l'extrémité du câble coaxial équipé d'un connecteur BNC en branchant le cocâble coaxial dans l'atténuateur 20 dB.
8. Connectez l'extrémité du câble coaxial équipé d'un connecteur N pour le coupleur directionnel en branchant le câble coaxial pour le câble directionnelle.
9. Allumer le magnétron via le bloc d'alimentation et le spectre de l'onde hyperfréquence émise est affichée sur l'analyseur de spectre.
10. Si nécessaire, ajuster l'abscisse affiché, coordonner et de leur résolution, selon le manuel de l'analyseur de spectre.
11. Pour mesurer la fréquence de l'onde hyperfréquence de sortie en fonction de la puissance micro-onde, augmenter la puissance des micro-ondes à partir de 10% au maximum de la puissance de sortie de 5% à 10% étapes et pour chaque étape de déterminer la fréquence de l'amplitude maximale du spectre affichée par l'analyseur de spectre.
    Remarque: En général, le spectre de fréquence d'un magnétron en dessous de 10% de sa puissance de sortie maximale est très large, présente de nombreux pics différents et par conséquent ne est pas utilisable.

2. Réglage deLa fréquence de résonance

Remarque: Le schéma du dispositif expérimental pour la mesure et le réglage de la fréquence de résonance est représenté sur la figure 2A.

1. Calibrer l'analyseur de réseau avec le kit de calibrage pour le fonctionnement S11 (selon le protocole du fabricant).
2. Branchez le câble coaxial par la N-connecteur coaxial à la partie d'une transition de guidage coaxial-onde rectangulaire en branchant le câble coaxial à l'onde-guide transition coaxiale à l'autre.
3. Connectez la partie rectangulaire de la transition de guidage coaxial-onde rectangulaire à un tuner trois de l'arbre avec 10 vis.
4. Connecter le tuner trois stub à l'assemblage de la torche plasma micro-ondes avec 10 vis.
5. Dans le menu de l'analyseur commutateur de réseau à l'exploitation S11.
6. Dans le menu de l'analyseur de réseau de passer en mode de ROS ou en mode connecté.
7. Ajuster de façon itérative la fréquence de résonance de l'ensemble formant torche à plasma micro-onde à la mesure Fréquence du magnétron à une puissance de sortie de 25% - 60% de la puissance maximale de sortie de la buse en déplaçant de haut en bas. La fréquence de résonance de l'ensemble formant torche à plasma micro-onde est donnée par l'inclinaison de la mesure du paramètre S11 tel que représenté sur la figure 2B. Réglez cette trempette en déplaçant la buse de haut en bas à la fréquence recommandée.
8. Lorsque la fréquence de résonance est ajustée, verrouiller la position de la buse avec l'écrou de blocage.
9. Augmentation de la puissance micro-ondes vers l'avant de manière itérative en ajustant les trois ergots du tuner trois tampon en déplaçant le moignons de haut en bas. La puissance micro-ondes absorbée par l'ensemble de torche à plasma micro-onde est donnée par la profondeur du creux du paramètre S11. Ainsi, de maximiser cette trempette en ajustant les talons du tuner trois moignon. Généralement, il suffit que deux des trois talons sont utilisés.

3. allumage du plasma

1. Porter des lunettes de protection UV depuis le plasma émet radia UVtion. Actionner la torche à plasma sous ventilation de gaz locale depuis le plasma produit des oxydes de nitrure.
2. Raccorder la structure de torche à plasma à micro-ondes avec le résonateur coaxial ajusté (buse est verrouillé) et le talon ajusté trois tuner au magnétron équipé d'un isolateur constitué par un circulateur relié à une charge d'eau.
3. Connectez l'alimentation en gaz à la torche plasma micro-onde.
4. Allumez l'alimentation en gaz de 5 à 20 slm.
5. Depuis rayonnement micro-ondes, à doses élevées est nuisible surtout pour les yeux, vérifier qu'il n'y a pas de fuites de micro-ondes.
   1. Pour ce faire, mettez le micro-ondes à une puissance très faible de 10% à 12% et de vérifier toutes les connexions à micro-ondes avec un compteur de micro-ondes pour les fuites.
   2. Se il ya des fuites les supprimer complètement avant d'augmenter la puissance de micro-ondes ou faire fonctionner la torche plasma micro-onde.
6. Se il n'y a pas de fuites allumer le micro-ondes à partir de faibles puissances de 10% et d'augmenter le micropuissance rowave lentement à l'intérieur de 10 à 60 secondes jusqu'à ce que le plasma se allume dans le tube de quartz de la torche à plasma micro-ondes.
7. Observer attentivement si et où le plasma se allume mais être prudent avec micro-ondes rayonnées éventuellement. Utilisez de préférence un miroir pour l'observation de l'allumage du plasma.
8. Si aucun plasma ne se enflamme, coupez l'alimentation de micro-ondes et de vérifier soigneusement si la puissance de micro-ondes est correctement couplée dans le résonateur coaxial et non erronée à d'autres composants en les chauffant ou même leur nuire. Vérifiez si certains composants sont chauffés se.
   1. Si un composant se réchauffe - ce est à dire, la puissance de micro-ondes est erronée - déplacer tous les talons de l'accordeur de trois talon de sortir du guide et les ajuster pour maximiser le couplage de micro-ondes dans l'ensemble de torche à plasma comme décrit dans l'étape 2.9. Puis recommencer à l'étape 3.1.
   2. Ajuster la fréquence de résonance du résonateur coaxial de la torche à plasma à la fréquence d'envoi de la magnetron à une puissance de micro-ondes suffisamment rendement élevé de 25% à 60% de la puissance maximale de sortie de l'analyseur de réseau tel que décrit à l'étape 2. Pour améliorer le contact, régler la fréquence de résonance du résonateur coaxial comme décrit dans l'étape 2 à un niveau supérieur puissance de sortie. Puis recommencer à l'étape 3.1.
9. Si le plasma se allume quelque part dans la torche à plasma et ne passe pas automatiquement en mode coaxial ou cylindrique, varier le flux de puissance micro-ondes jusqu'à ce que le gaz fourni et il brûle en mode cylindrique.
10. Lorsque le plasma brûle en mode cylindrique, ajuster de façon itérative les talons du tuner trois stub en les déplaçant vers le haut et vers le bas de sorte que la totalité de la puissance micro-ondes fournie est absorbée par le plasma et la puissance micro-onde réfléchi devient zéro.
    Remarque: Si une diode à micro-ondes est reliée à la charge de l'eau et à l'entrée correspondante de l'unité de commande, la puissance micro-onde réfléchie est affichée à l'unité de la puissance micro-onde d'alimentation de commande.Comment faire cela est décrit dans le manuel de la puissance micro-ondes approvisionnement.
11. Lorsque les pouvoirs supérieurs à micro-ondes de 1,5 kW ou plus et les faibles débits de gaz de moins de 15 slm sont utilisés, vérifier soigneusement que le plasma ne touche pas les parois du tube de quartz. Le tube de quartz ne doit pas briller partout.
12. Si le tube de quartz se allume en rouge, diminuer la puissance de micro-ondes ou d'augmenter le débit de gaz jusqu'à ce qu'il disparaît complètement.
13. Étant donné que les micro-ondes peuvent être rayonnée par le plasma en raison de la conductivité du plasma, de vérifier avec un appareil de mesure à micro-ondes que la puissance micro-onde rayonné est inférieur au seuil.
14. Si la puissance micro-onde rayonnée est supérieure au seuil, soustraire le plasma avec un treillis métallique dont la taille de maille est plus petite que la moitié de la longueur d'onde des micro-ondes utilisées.

Movie 4. Caméra haute vitesse de l'allumage plasma

Remarque: Comme l'allumage du plasma et son passage à l'état cylindrique est dans la plage dequelques centaines de millisecondes, ce processus peuvent être mieux étudiées au moyen d'une caméra à haute vitesse. Cependant, il ne est pas nécessaire d'observer le processus d'allumage au moyen d'une caméra à grande vitesse à chaque fois que le plasma est allumé.

1. Placer la lentille de la caméra grande vitesse en avant de la torche à plasma micro-onde en regardant à travers la fente de diagnostic à l'avant de la torche à plasma.
2. Ajuster jusqu'à ce que la caméra est pointée dans le résonateur coaxial à la pointe de la buse métallique.
3. Mise au point sur la pointe de la buse métallique.
4. Lancer l'enregistrement avec 1000 fps (images par seconde) de la caméra à haute vitesse.
5. Allumer le plasma comme décrit dans l'article 3.

5. Fonctionnement plasma stable et continue

Remarque: lorsque le plasma a été allumé en mode cylindrique et le tuner trois tampon a été ajusté pour maximiser l'absorption de la puissance micro-ondes par le plasma stable et un continue fonctionnement de la torche à plasma est possible.

1. Ajuster la dimension - le prolongement radial et axial - du plasma à la dimension souhaitée en faisant varier la puissance micro-ondes fourni entre la puissance maximale de sortie et 10% et le débit de gaz entre 10 et 70 slm. Conserver la dimension radiale limitée au diamètre du tube de quartz. Le plasma ne doit pas toucher la paroi du tube de quartz qui signifie que le tube de quartz ne doit pas briller.
2. Pour mettre en forme le plasma à des formes différentes, utiliser un tube de quartz court qui ne confine le plasma à l'intérieur du résonateur cylindrique et un orifice de placer sur le dessus de l'assemblage de torche à plasma.
3. Si nécessaire, fixer les orifices avec quelques vis.

Résultats

Pour assurer un allumage du plasma sans allumeurs supplémentaires ainsi que d'une opération de plasma stable et continue, un résonateur coaxial haute qualité avec une fréquence de résonance réglable a été combinée avec une faible qualité de résonateur cylindrique à une torche à plasma micro-ondes. Le schéma de cette torche à plasma est présenté dans la figure 3. Le plasma est confiné dans un tube transparent aux micro-ondes, ici un tube de quartz. Ce tube peut agir comme une...

Discussion

Le film présenté explique comment une inflammation d'une pression atmosphérique plasma micro-ondes sans allumeurs supplémentaires peut être réalisé, les principes de base de cette torche à plasma micro-onde, son ajustement, le processus d'allumage du plasma et son fonctionnement stable et continue. Comme décrit dans l'introduction, il existe déjà différents types de torches à plasma à micro-ondes, mais aucun de ceux fournissent un allumage du plasma sans allumeurs supplémentaires ainsi que des...

matériels

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