כיצד להצית לחץ האטמוספרה מיקרוגל פלזמה לפיד ללא כל igniters נוסף

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

סרט זה מראה כיצד לפיד פלזמה לחץ אטמוספרי ניתן הצית ידי כוח המיקרוגל ללא igniters נוסף. לאחר ההצתה של הפלזמה, פעולה יציבה ומתמשכת של הפלזמה היא אפשרית ולפיד הפלזמה יכול לשמש ליישומים רבים ושונים. מצד אחד, הפלזמה החמה (3,600 טמפרטורת K גז) יכולה לשמש לתהליכים כימיים ומצד שני הזוהר הקר (טמפרטורות עד כמעט RT) יכולות להיות מיושמות בתהליכי פני השטח. לדוגמא סינתזות כימיות הם תהליכי נפח מעניינים. הנה לפיד הפלזמה המיקרוגל יכול לשמש לפירוק של גזי פליטה מזיקים ותורמים להתחממות הגלובלית, אבל יש צורך בתחריט גזים בגידול מגזרי תעשייה כמו ענף המוליכים למחצה. יישום נוסף הוא הניתוק של CO _2. אנרגיה חשמלית עודפת ממקורות אנרגיה מתחדשים יכולה לשמש כדי לנתק CO ₂ לCO ו- O _2. CO יכול להיות פרו נוסףcessed לפחמימנים גבוהים יותר גזים או נוזליים ובכך לספק אחסון כימי של האנרגיה, דלקים סינטטיים או כימיקלים פלטפורמה לתעשייה הכימית. יישומים של הזוהר של לפיד הפלזמה הם טיפול במשטחים להגדיל את ההידבקות של לכה, דבק או צבע, ועיקור או חיטוי מסוג של משטחים שונים. הסרט יסביר כיצד להצית את הפלזמה אך ורק על ידי כוח המיקרוגל ללא כל igniters נוסף, למשל, ניצוצות חשמליים. לפיד הפלזמה המיקרוגל מבוסס על שילוב של שתי תהודה - אחד קואקסיאליים המספק ההצתה של הפלזמה ואחת גלילי המבטיחה פעולה רציפה ויציבה של הפלזמה לאחר הצתה. הפלזמה יכולה להיות מופעלת בצינור שקוף מיקרוגל ארוך לתהליכי נפח או מעוצבת על ידי פתחים למטרות טיפול פני השטח.

Introduction

לפידי פלזמה מיקרוגל לחץ אטמוספרי מציעים מגוון רחב של יישומים שונים. מצד אחד הם יכולים לשמש לתהליכים כימיים ונפח מצד שני הפלזמה הזוהר שלהם יכולה להיות מיושמת לטיפול במשטחים. כטיפול שטח תהליכי הטיפול להגדיל את ההידבקות של דבק, צבע או לכה או הטיהור או עיקור של משטחים יכול להיות שם. הפלזמה החמה ותגובתי עצמו יכול לשמש לתהליכי נפח כמו הפירוק של גזי פליטה ^1-7. גזי פליטה אלה מזיקים, תורמים להתחממות כדור הארץ וכמעט לא יכולים להיות מושפלים באופן קונבנציונלי. עם זאת, הם נדרשים בגידול ענפי תעשייה כגון ענף המוליכים למחצה. יישומים אחרים הם סינתזה כימית כמו הניתוק של CO ₂ לCO ו- O ₂ או ₄ CH לפחמן ומימן ^8,9. אנרגיה חשמלית עודפת ממקורות אנרגיה מתחדשים יכולה לשמש כדי לנתק CO _{2 לCO ו- O 2. CO יכול להיות מעובד נוסף לפחמימנים גבוהים יותר שיכול לשמש כדלקים מלאכותיים לתחבורה, כמו כימיקלים פלטפורמה לתעשייה הכימית או כאחסון כימי.}

יש כמה לפידי פלזמה מיקרוגל אבל רובם יש חסרונות: יש להם רק בנפחי פלזמה קטנים מאוד, צריך igniters נוסף, צריך קירור של כור הפלזמה או יכולים להיות מופעלים רק במצב ^10-18 פעם. לפיד הפלזמה המיקרוגל מוצג בסרט הזה מציע הצתה של הפלזמה אך ורק עם כוח המיקרוגל הניתן ללא igniters נוסף, כמו גם פעולה יציבה ורציפה ללא כל קירור של כור הפלזמה עבור מגוון רחב של פרמטרים תפעול וניתן להשתמש בם לכל היישומים שהוזכרו לעיל. לפיד הפלזמה המיקרוגל מבוסס על שילוב של שתי תהודה: אחד קואקסיאליים ואחד גלילי. יש המהוד הגלילי באיכות נמוכה, והוא operated ב-mode E ₀₁₀ הידוע עם השדה החשמלי הגבוה ביותר במרכזו. המהוד קואקסיאליים ממוקם מתחת למהוד הגלילי והוא מורכב מפיית מתכת מטלטלין בשילוב עם אספקת גז משיקה. האיכות הגבוהה של המהוד קואקסיאליים מציגה עקומת תהודה מאוד צרה אך עמוקה. בשל האיכות הגבוהה של המהוד קואקסיאליים ניתן להגיע לשדה חשמלי גבוה הנדרש להצתה של הפלזמה. עם זאת, באיכות הגבוהה של המהוד קואקסיאליים קשורה עם עקומת תהודה צרה מאוד ולכן תדר התהודה יש ​​להתאים את התדר של המיקרוגל מסופק בצורה מושלמת. מאז משמרות תדר תהודה לאחר ההצתה של הפלזמה בשל permittivity של הפלזמה, המיקרוגל כבר לא יכול לחדור לתוך המהוד קואקסיאליים. לפעולה רציפה של הפלזמה יש צורך המהוד הגלילי עם איכות נמוכה ועקום תהודה רחבה.

אספקת גז צירי נוספת באמצעות הזרבובית מתכתית של המהוד קואקסיאליים אפשרית. הפלזמה מובערת ומוגבלת בצינור מיקרוגל-שקוף, למשל שפופרת קוורץ. Permittivity של שפופרת קוורץ משפיע גם על תדר התהודה. מאז קוורץ יש permittivity של> 1, הנפח של המהוד הגלילי הוא כמעט מוגדל שמוביל לתדר תהודה נמוך יותר. תופעה זו יש לקחת בחשבון כאשר הממדים של המהוד הגלילי נועדו. ניתן למצוא דיון מפורט על איך תדר התהודה מושפע משפופרת קוורץ הוכנסה בהתייחסות 23. אם נעשה שימוש בשפופרת קוורץ ארוכה וממושכת, זה יכול לשמש גם תא התגובה לתהליכי הנפח. עם זאת, לטיפולי שטח הפלזמה יכולה להיות גם בצורה שונה על ידי סוג של פתחים שונים. המיקרוגל מסופק באמצעות מוליך גל מלבני מmagnetron. כדי למנוע מטרדי רעש השימוש בmagnetron אדווה נמוך הוא recommהסתיים. Magnetron המשמש בסרט הוא אדווה נמוכה אחד.

להצתה של הפלזמה המהוד קואקסיאליים באיכות גבוהה משמש בעת פעולה יציבה ורציפה מסופקת על ידי המהוד הגלילי. כדי להשיג את ההצתה של הפלזמה על ידי המהוד קואקסיאליים באיכות הגבוהה תדר התהודה של מהוד זה יש להתאים את התדר של המיקרוגל הניתן על ידי magnetron להשתמש בצורה מושלמת. מכיוון שכל magnetrons אינו פולט תדרי מיקרוגלם בדיוק בתדר הנומינלי ומאז התדירות תלויה בתפוקת החשמל, magnetron יש למדוד עם מנתח ספקטרום. תדר התהודה של המהוד קואקסיאליים יכול להיות מותאם על ידי נע מעלה ומטה הזרבובית מתכתית. תדר תהודה זו ניתן למדוד ובכך גם מותאם לתדירות השליחה של magnetron שימוש עם מנתח רשת. כדי להגיע לשדה החשמלי הגבוה בקצה הנחיר, הנדרש להצתהשל הפלזמה, יש צורך במקלט שלושה בדל בנוסף. מקלט בדל שלושה זהו מרכיב מיקרוגל נפוץ. מקלט שלושה הבדל הוא רכוב בין לפיד הפלזמה המיקרוגל וmagnetron. לאחר תדר התהודה של המהוד קואקסיאליים מותאם, הכח קדימה מוגדל והכוח בא לידי ביטוי למזער על ידי iteratively התאמת הספחים של מקלט שלושה בדל.

לאחר שהתאים את תדר התהודה של המהוד קואקסיאליים כמו גם שמרבית הסמכויות קדימה באמצעות מקלט שלושה בדל, הפלזמה של לפיד הפלזמה מיקרוגל ניתן הציתה כאשר לפיד הפלזמה המיקרוגל מחובר לmagnetron. להצתה של הפלזמה כוח מיקרוגל מינימום של כ 0.3-1 כ"ס מספיק. הפלזמה מציתה במהוד קואקסיאליים. לאחר ההצתה של הפלזמה תדר התהודה של המהוד קואקסיאליים מוסט בשל permittivity דיאלקטרי של הפלזמה והמיקרוגל יכול לאעוד לחדור לתוך המהוד קואקסיאליים. לפיכך, מתגי הפלזמה מהמצב למצב קואקסיאליים הגלילי הרבה יותר המורחב שלה בוערים בחופשיות-עומדים מעל הנחיר המתכתי במרכז המהוד הגלילי. מכיוון שאיכות המצב הגלילי היא נמוכה מאוד, ולכן מציגה עקומת תהודה רחבה, המיקרוגל עדיין יכול לחדור לתוך המהוד הגלילי למרות המשמרת של תדר התהודה בשל permittivity דיאלקטרי של הפלזמה. לפיכך, פעולה רציפה ויציבה של הפלזמה במצב הגלילי מסופקת על ידי לפיד הפלזמה מיקרוגל. עם זאת, כדי להגיע לקליטה של ​​כוח המיקרוגל סופק מוחלטת, הספחים של מקלט בדל שלושה צריכים להיות וסדרה. אחרת כוח המיקרוגל סיפק לא נספג לחלוטין על ידי הפלזמה אבל אחוז מסוים של המיקרוגל סיפק בא לידי ביטוי ונקלט על ידי עומס המים.

כדי לבחון את ההצתה של הפלזמה בקואקסיאלייםמצב ולאחר מכן המעבר שלה למצב הגלילי המורחב, ההצתה הפלזמה נצפתה על ידי מצלמה במהירות גבוהה.

הסרט הוצג יציג כיצד התלות בתדר של magnetron נמדדת, תדר התהודה של המהוד קואקסיאליים מותאם, איך הכח קדימה מוגדל ואיך הפלזמה שמוצתת באמצעות כוח המיקרוגל מסופק. הקלטת מצלמת המהירות הגבוהה מוצגת גם כן.

Protocol

1. מדידה של Magnetron

הערה: סכמטי של הגדרת הניסוי למדידת magnetron מתואר באיור 1 א.

1. חבר את magnetron למבודד בהיקף של circulator ומי עומס עם 10 ברגים.
2. חבר את מבודד למצמד כיוונית עם 10 ברגים.
3. חבר את המצמד כיווני לשני עומס מים עם 10 ברגים.
4. לספק את כל עומסי המים עם מים.
5. לכייל את מנתח הספקטרום עם פונקצית כיולה על פי הפרוטוקול של היצרן.
6. חבר 20 dB מחליש למנתח הספקטרום על ידי חיבור 20 dB המחליש למנתח הספקטרום.
   הערה: 20 dB המחליש משמש להגנה על מנתח הספקטרום מסמכויות גבוהות מדי מעל וו 1
7. חבר את מנתח הספקטרום המצויד 20 מחליש dB עד סוף הכבלים קואקסיאליים מצוידים במחבר BNC ידי חיבור שיתוףכבל צירי ל -20 מחליש dB.
8. חבר את הקצה של כבל קואקסיאלי מצויד במחבר N למצמד כיווני ידי חיבור הכבלים קואקסיאליים לכבל כיוונית.
9. הפעל את magnetron באמצעות אספקת החשמל ואת הספקטרום של המיקרוגל הנפלט מוצג על מנתח הספקטרום.
10. במידת צורך, להתאים את מוצג abscissa, לתאם והרזולוציה שלהם בהתאם להוראות של מנתח הספקטרום.
11. כדי למדוד את התדר של מיקרוגל הפלט בתלות של כוח המיקרוגל, להגדיל את כוח המיקרוגל מ -10% ל המרבי של כוח התפוקה ב 5% עד 10% וצעדים על כל צעד לקבוע את התדירות של משרעת המקסימלי של הקשת מוצג על ידי מנתח הספקטרום.
    הערה: בדרך כלל, ספקטרום התדרים של magnetron מתחת ל -10% מההספק המרבי שלה הוא רחב מאוד, מציג פסגות רבות ושונות, ולכן אינו שמיש.

2. התאמה שלתדר תהודה

הערה: סכמטי של הגדרת הניסוי למדידה והתאמת תדר התהודה מתוארת באיור 2 א.

1. לכייל את מנתח הרשת עם ערכת הכיול להפעלת S11 (על פי הפרוטוקול של היצרן).
2. חבר את הכבלים קואקסיאליים באמצעות N-המחבר לחלק קואקסיאליים של מעבר מדריך קואקסיאליים אל מלבני-גל על ​​ידי חיבור הכבלים קואקסיאליים לגל-מדריך-המעבר קואקסיאליים ל.
3. חבר את החלק המלבני של מעבר המדריך קואקסיאליים אל מלבני-גל למקלט שלושה בדל עם 10 ברגים.
4. חבר את מקלט שלושה בדל להרכבת לפיד הפלזמה מיקרוגל עם 10 ברגים.
5. במתג תפריט מנתח הרשת לפעולת S11.
6. בתפריט הרשת Analyzer לעבור למצב VSWR או כדי להיכנס למצב.
7. איטרטיבי להתאים את תדר התהודה של ההרכבה לפיד הפלזמה המיקרוגל לfreque המדודncy של magnetron בתפוקת חשמל של 25% - 60% מההספק המרבי על ידי נע מעלה ומטה הזרבובית. תדר התהודה של ההרכבה לפיד הפלזמה המיקרוגל ניתן על ידי הטבילה של מדידת פרמטר S11 כמתואר באיור 2. התאם לטבול זה על ידי הזזת הזרבובית למעלה ולמטה כדי התדירות המומלצת.
8. כאשר תדר התהודה מותאם, לנעול את המיקום של הזרבובית עם אגוז הנעילה.
9. להגדיל את כוח המיקרוגל קדימה איטרטיבי על ידי התאמת שלושה הספחים של מקלט שלושה בדל ידי נע מעלה ומטה הספחים. כוח המיקרוגל נקלט על ידי ההרכבה לפיד הפלזמה המיקרוגל ניתן על ידי את עומק הטבילה של פרמטר S11. כך, למקסם את הטבילה זה על ידי התאמת הספחים של מקלט שלושה בדל. בדרך כלל, די בכך ששניים משלושת הספחים משמשים.

3. הצתה של פלזמה

1. יש להרכיב משקפיים הגנת UV מאז הפלזמה פולטת רדיע UVtion. הפעל את לפיד הפלזמה תחת אוורור גז המקומי מאז הפלזמה מייצרת תחמוצות ניטריד.
2. חבר את ההרכבה לפיד הפלזמה מיקרוגל עם המהוד המותאם קואקסיאליים (זרבובית נעולה) והמקלט שלושה בדל המותאם לmagnetron מצויד במבודד בהיקף של circulator המחובר למי עומס.
3. חבר את אספקת הגז ללפיד הפלזמה מיקרוגל.
4. הפעל את אספקת הגז ל5 עד 20 SLM.
5. מכיוון שקרינת מיקרוגל במינונים גבוהים יותר מזיקה במיוחד לעיניים, לבדוק שאין דליפות מיקרוגל.
   1. לשם כך, להפעיל את המיקרוגל בעצמה נמוכה מאוד של 10% עד 12% ובדקו את כל חיבורי המיקרוגל עם מד מיקרוגל לדליפות.
   2. אם יש דליפות להסיר לחלוטין אותם לפני הגדלת כוח המיקרוגל או הפעלת לפיד הפלזמה מיקרוגל.
6. אם אין דליפות להפעיל את המיקרוגל מתחיל עם כוחות נמוכים של 10% ולהגדיל את המיקרופוןכוח rowave לאט בתוך 10 עד 60 שניות עד הפלזמה מציתה בשפופרת קוורץ של לפיד הפלזמה מיקרוגל.
7. אנא קראו בעיון אם והיכן הפלזמה מציתה אבל להיזהר עם מיקרוגל אולי הקרין. רצוי להשתמש במראה להתבוננות בהצתת הפלזמה.
8. אם לא מציתה פלזמה, לכבות את חשמל המיקרוגל ולבדוק היטב אם כוח המיקרוגל בשילוב כראוי למהוד קואקסיאליים ולא מוטעה לרכיבים אחרים מתחממים או אפילו לפגוע בהם. בדקו אם חלק מהמרכיבים מקבלים התחממו.
   1. אם כל רכיב מתחמם - כלומר, כוח המיקרוגל הוא מוטעה - להעביר את כל הספחים של מקלט שלושה בדל ממוליך הגל ולהתאים אותם למקסם את צימוד המיקרוגל להרכבת לפיד הפלזמה כמתואר בשלב 2.9. ואז להתחיל שוב עם שלב 3.1.
   2. התאם את תדר התהודה של המהוד קואקסיאליים של לפיד הפלזמה לתדר השליחה של magnetron בכוח מיקרוגל תפוקה גבוהה מספיק של 25% עד 60% מההספק המרבי עם מנתח הרשת כמתואר בשלב 2. כדי לשפר את ההצתה, להתאים את תדר התהודה של המהוד קואקסיאליים כמתואר בשלב 2 לגבוה יותר תפוקת חשמל. ואז להתחיל שוב עם שלב 3.1.
9. אם הפלזמה מציתה אי שם בלפיד הפלזמה ולא לעבור באופן אוטומטי למצב קואקסיאליים או גלילי, להשתנות את זרימת חשמל המיקרוגל וגז המסופקת עד ששורף במצב הגלילי.
10. כאשר הפלזמה שורפת במצב הגלילי, איטרטיבי להתאים את הספחים של מקלט שלושה בדל ידי הזזתם למעלה ולמטה, כך שכל כוח המיקרוגל מסופק נספג על ידי הפלזמה וכוח המיקרוגל לידי ביטוי הופך לאפס.
    הערה: אם דיודה מיקרוגל מחוברת לעומס המים והקלט המקביל של יחידת הבקרה, חשמל המיקרוגל משתקף מוצג ביחידת הבקרה של אספקת חשמל המיקרוגל.איך לעשות את זה מתואר במדריך של אספקת חשמל המיקרוגל.
11. כאשר כוחות מיקרוגל גבוהים יותר של 1.5 קילוואט או יותר ותזרים גז הנמוך של פחות מ -15 SLM משמשים, לבדוק היטב שהפלזמה לא לגעת בקירות של צינור קוורץ. שפופרת קוורץ אסור זוהרת בכל מקום.
12. אם שפופרת קוורץ זוהרת בצבע אדום, להקטין את כוח המיקרוגל או להגביר את זרימת הגז עד שנעלם לגמרי.
13. מאז ניתן הקרין מיקרוגל על ​​ידי הפלזמה בשל המוליכות של הפלזמה, לבדוק עם מד מיקרוגל שהכח המיקרוגל המוקרן הוא מתחת לסף.
14. אם כוח המיקרוגל המוקרן הוא מעל הסף, להגן על הפלזמה עם רשת מתכתית שבו גודל הרשת הוא הרבה יותר קטן ממחצית אורך גל מיקרוגל בשימוש.

סרט מצלמה 4. מהיר של ההצתה פלזמה

הערה: מאחר שההצתה של הפלזמה והמעבר שלה למצב הגלילי היא בטווח שלכמה מאה מילי-שניות, יכולים להיות הכי טובות חקרו את התהליך הזה באמצעות מצלמה במהירות גבוהה. עם זאת, אין זה הכרחי כדי לבחון את תהליך ההצתה באמצעות מצלמה במהירות גבוהה בכל פעם הפלזמה ניצתת.

1. מניחים את העדשה של המצלמה במהירות הגבוהה מול לפיד הפלזמה המיקרוגל מחפש דרך חריץ האבחון בחלק הקדמי של לפיד הפלזמה.
2. התאם עד המצלמה פונים למהוד קואקסיאליים בקצה הנחיר המתכתי.
3. למקד את המצלמה על קצה הנחיר המתכתי.
4. התחל הקלטה עם 1,000 תמונות בשניה (פריימים לשניה) של המצלמה במהירות הגבוהה.
5. להצית את הפלזמה כאמור בסעיף 3.

5. פלזמה פעולה יציבה ורציפה

הערה: כאשר הפלזמה כבר הציתה במצב הגלילי ומקלט שלושה הבדל הותאם על מנת למקסם את הספיגה של כוח המיקרוגל על ​​ידי הפלזמה יציבה וContinפעולת uous של לפיד הפלזמה היא אפשרית.

1. התאם את הממד - רדיאלי וצירי ההארכה - של הפלזמה לממד הרצוי על ידי שינוי כוח המיקרוגל סיפק בין 10% ל ההספק המרבי ואת זרימת הגז בין 10 ל 70 SLM. שמור את הממד הרדיאלי מוגבל לקוטר של צינור קוורץ. הפלזמה אסור לגעת בקיר של צינור קוורץ מה שאומר ששפופרת קוורץ אסור זוהרת.
2. לעצב את הפלזמה לצורות שונות, להשתמש בשפופרת קוורץ קצרה שרק מגבילה את הפלזמה פנימית של המהוד הגלילי ולמקם את פתח אחד בחלק העליון של ההרכבה לפיד פלזמה.
3. במידת צורך, להדק את הפתחים עם כמה ברגים.

תוצאות

כדי לספק הצתה פלזמה ללא כל igniters נוסף, כמו גם פעולת פלזמה יציבה ורציפה מהוד קואקסיאליים באיכות גבוהה עם תדר תהודה מתכווננת היה בשילוב עם מהוד גלילי באיכות נמוכה ללפיד פלזמה מיקרוגל. סכמטי של לפיד פלזמה זו מוצגת באיור 3. הפלזמה מוגבלת לתוך צינור מיקרוגל-שקו?...

Discussion

הסרט הוצג מסביר כיצד הצתה של פלזמה מיקרוגל לחץ אטמוספרי ללא כל igniters נוסף יכולה להתממש, את העקרונות הבסיסיים של לפיד זה מיקרוגל פלזמה, התאמת, תהליך ההצתה של הפלזמה והפעולה היציבה והמתמשכת שלה. כפי שתואר במבוא, יש סוגים של לפידי פלזמה מיקרוגל שונים כבר אבל אף אחד מאותם י...

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