Come Ignite una Pressione atmosferica Microonde torcia al plasma senza alcuna accenditori supplementari

Riepilogo

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

Questo film mostra come una torcia al plasma a pressione atmosferica può essere incendiato da potenza a microonde senza accenditori supplementari. Dopo l'accensione del plasma, un funzionamento stabile e continuo del plasma è possibile e la torcia al plasma può essere utilizzato per svariate applicazioni. Da un lato, la vasca (3.600 K temperatura gas) plasma può essere utilizzato per processi chimici e dall'altro bagliore fredda (temperature fino a quasi RT) possono essere applicati per processi di superficie. Per esempio sintesi chimiche sono processi di volume interessanti. Qui la torcia al plasma a microonde può essere utilizzato per la decomposizione di gas di scarico nocivi e contribuiscono al riscaldamento globale, ma sono necessari come incisione gas nella coltivazione settori industriali come il ramo semiconduttori. Un'altra applicazione è la dissociazione di CO _2. Energia elettrica Surplus da fonti energetiche rinnovabili può essere utilizzato per dissociarsi CO ₂ di CO e O _2. Il CO può essere ulteriormente protrasformati ad idrocarburi superiori gassosi o liquidi fornendo così stoccaggio chimico dell'energia, combustibili sintetici o chimici piattaforma per l'industria chimica. Applicazioni del bagliore della torcia al plasma sono il trattamento di superfici per aumentare l'adesione di lacca, colla o vernice, e la sterilizzazione o decontaminazione di diversi tipi di superfici. Il film spiega come accendere il plasma esclusivamente dalla potenza microonde senza accenditori supplementari, ad esempio, scintille elettriche. La torcia al plasma a microonde è basato su una combinazione di due risonatori - uno coassiale che fornisce l'accensione del plasma e una cilindrica che garantisce un funzionamento continuo e stabile del plasma dopo l'accensione. Il plasma può essere utilizzato in un tubo lungo microonde trasparente per i processi di volume o formate da orifizi per scopi di trattamento superficiale.

Introduzione

Torce al plasma a microonde Pressione atmosferica offrono una varietà di applicazioni diverse. Da un lato possono essere utilizzati per i processi chimici di volume e dall'altro loro plasma bagliore può essere applicata per il trattamento di superfici. Come trattamento di superficie elabora il trattamento per aumentare l'adesione di colla, vernice o lacca o la decontaminazione o sterilizzazione di superfici può essere chiamato. Il plasma caldo e reattiva stesso può essere utilizzato per i processi di volume come la decomposizione del gas di scarico ^1-7. Questi gas di scarico sono nocivi, contribuiscono al riscaldamento globale e difficilmente possono essere degradati convenzionale. Tuttavia, sono necessari nella coltivazione settori industriali quali il ramo semiconduttori. Altre applicazioni sono la sintesi chimica come la dissociazione di CO ₂ di CO e O ₂ o CH ₄ di carbonio e idrogeno ^8,9. L'energia elettrica in eccesso da fonti rinnovabili può essere utilizzato per dissociarsi CO _{2 in CO e O 2. Il CO può essere ulteriormente elaborato per idrocarburi superiori che possono essere utilizzati come combustibili sintetici per il trasporto, come prodotti chimici di piattaforma per l'industria chimica o lo stoccaggio chimico.}

Ci sono alcune torce al plasma a microonde, ma la maggior parte di loro hanno svantaggi: Hanno solo molto piccoli volumi di plasma, hanno bisogno di accenditori supplementari, hanno bisogno di raffreddamento del reattore al plasma o possono funzionare solo in modalità pulsata ^10-18. La torcia al plasma a microonde presentato in questo film offre l'accensione del plasma con la sola forza microonde fornito senza accenditori supplementari nonché un funzionamento stabile e continuo senza raffreddamento del reattore al plasma per una vasta gamma di parametri di funzionamento e può essere usato per tutte le applicazioni sopra menzionate. La torcia al plasma a microonde è basato su una combinazione di due risonatori: uno coassiale e una cilindrica. Il risonatore cilindrico ha una qualità bassa ed è operated in noto E ₀₁₀ -mode con il campo elettrico massimo nel suo centro. Il risonatore coassiale si trova sotto il risonatore cilindrica ed è costituito da un ugello metallico mobile in combinazione con una fornitura di gas tangenziale. L'elevata qualità del risonatore coassiale presenta una curva di risonanza molto stretta ma profonda. A causa della elevata qualità del risonatore coassiale un campo elettrico elevato può essere raggiunto che è necessaria per l'accensione del plasma. Tuttavia, la qualità del risonatore coassiale è associato con una curva di risonanza molto stretta e quindi la frequenza di risonanza deve adattarsi perfettamente alla frequenza della microonda fornita. Poiché gli spostamenti di frequenza di risonanza dopo l'accensione del plasma a causa della permittività del plasma, il forno non può più penetrare nel risonatore coassiale. Per il funzionamento continuo del plasma è necessario il risuonatore cilindrica con una qualità bassa e un'ampia curva di risonanza.

Una fornitura di gas assiale aggiuntiva tramite l'ugello metallico del risonatore coassiale è possibile. Il plasma è acceso e confinato in un tubo trasparente alle microonde, ad esempio un tubo di quarzo. La permittività del tubo di quarzo influenza anche la frequenza di risonanza. Poiché il quarzo ha una permittività di> 1, il volume del risonatore cilindrico è praticamente allargata che porta ad una frequenza di risonanza più bassa. Questo fenomeno deve essere considerato quando le dimensioni del risonatore cilindrico sono progettati. Una discussione dettagliata di come la frequenza di risonanza è influenzato dal tubo di quarzo inserito può essere trovato in riferimento 23. Se si utilizza un tubo di quarzo lungo e prolungato, questo può anche agire come camera di reazione per i processi di volume. Tuttavia, per trattamenti superficiali il plasma può anche essere una forma diversa da diversi tipi di orifizi. Il forno viene alimentato attraverso una guida d'onda rettangolare dal magnetron. Per evitare l'inquinamento acustico l'uso di un basso ripple magnetron è consigliatoconclusa. Il magnetron che viene utilizzato nel film è uno basso ripple.

Per l'accensione del plasma viene utilizzato il risonatore coassiale alta qualità mentre un'operazione stabile e continuo è fornito dal risonatore cilindrico. Per ottenere l'accensione del plasma dal risonatore coassiale alta qualità la frequenza di risonanza del risonatore deve corrispondere perfettamente la frequenza della microonda fornita dal magnetron utilizzato. Poiché tutti i magnetron non emettono loro frequenza microonde esattamente alla frequenza nominale e poiché la frequenza dipende dalla potenza di uscita, il magnetron deve essere misurata con un analizzatore di spettro. La frequenza di risonanza del risonatore coassiale può essere regolata spostando l'ugello metallico su e giù. Questa frequenza di risonanza può essere misurata e quindi rettificato per la frequenza di invio del magnetron utilizzato con un analizzatore di rete. Per raggiungere il campo elettrico alto sulla punta dell'ugello, necessaria per l'accensionedel plasma, un sintonizzatore tre stub è necessaria in aggiunta. Questo sintonizzatore tre stub è un componente microonde comunemente usato. Il sintonizzatore tre stub è montato tra la torcia al plasma a microonde ed il magnetron. Dopo la frequenza di risonanza del risonatore coassiale viene regolata, la potenza è massimizzata e la potenza riflessa minimizzato iterativamente i mozzi del sintonizzatore tre stub.

Dopo aver regolato la frequenza di risonanza del risonatore coassiale oltre ad aver massimizzato le potenze in avanti mediante il sintonizzatore tre stub, il plasma della torcia al plasma a microonde può essere acceso quando la torcia al plasma a microonde è collegato ad un magnetron. Per l'accensione del plasma una potenza minima microonde di circa 0,3 a 1 kW è sufficiente. Il plasma accende nel risonatore coassiale. Dopo l'accensione del plasma della frequenza di risonanza del risonatore coassiale è spostata a causa della permittività dielettrica del plasma e il forno a microonde non puòpenetrano più nel risonatore coassiale. Così, gli interruttori plasma dal modo coassiale nel suo modo cilindrico molto più esteso bruciare liberamente piedi sopra l'ugello metallico al centro del risonatore cilindrico. Poiché la qualità della modalità cilindrica è molto bassa e quindi presenta un'ampia curva di risonanza, il forno può ancora penetrare nel risonatore cilindrica nonostante lo spostamento della frequenza di risonanza a causa della permittività dielettrica del plasma. Così, un funzionamento continuo e stabile del plasma nella modalità cilindrica è fornito dalla torcia al plasma a microonde. Tuttavia, per raggiungere un completo assorbimento della potenza fornita microonde, gli stub dei tre sintonizzatore stub devono essere riadattato. Altrimenti la potenza delle microonde fornita non è completamente assorbito dal plasma, ma una certa percentuale della microonda fornita viene riflessa e assorbita dal carico dell'acqua.

Per esaminare l'accensione del plasma nel coassialimodalità e quindi la sua transizione in modalità cilindrica estesa, l'accensione del plasma è osservato da una telecamera ad alta velocità.

Il film presentato mostrerà come viene misurata la dipendenza dalla frequenza del magnetron, la frequenza di risonanza del risonatore coassiale viene regolata, come viene massimizzata la potenza e come il plasma viene acceso dalla potenza fornita microonde. La registrazione della videocamera ad alta velocità è indicata pure.

Protocollo

1. Misurazione della Magnetron

Nota: Lo schema del setup sperimentale per misurare il magnetron è illustrato nella Figura 1A.

1. Collegare il magnetron ad un isolante costituito da un circolatore e un carico di acqua con 10 viti.
2. Collegare l'isolatore ad un accoppiatore direzionale con 10 viti.
3. Collegare l'accoppiatore direzionale per un secondo carico acqua con 10 viti.
4. Fornire tutti i carichi d'acqua con l'acqua.
5. Calibrare l'analizzatore di spettro con la sua funzione di taratura secondo il protocollo del produttore.
6. Collegare un attenuatore 20 dB per l'analizzatore di spettro collegando il dB attenuatore 20 per l'analizzatore di spettro.
   Nota: Il dB attenuatore 20 è utilizzato per proteggere l'analizzatore di spettro da troppo elevate potenze superiori a 1 W.
7. Collegare l'attenuatore 20 dB analizzatore di spettro dotato all'estremità del cavo coassiale con connettore BNC collegando cocavo assiale in dB attenuatore 20.
8. Collegare l'estremità del cavo coassiale dotato di un connettore N alla accoppiatore direzionale collegando il cavo coassiale al cavo direzionale.
9. Accendere il magnetron tramite l'alimentazione e lo spettro della microonda emessa viene visualizzato l'analizzatore di spettro.
10. Se necessario, regolare l'ascissa visualizzato, ordinata e la loro risoluzione in base al manuale dell'analizzatore di spettro.
11. Per misurare la frequenza delle microonde in uscita in funzione della potenza delle microonde, aumentare la potenza delle microonde dal 10% al massimo della potenza di uscita in 5% a 10% passi e per ogni passo determinare la frequenza dell'ampiezza massima dello spettro visualizzato dall'analizzatore di spettro.
    Nota: Solitamente, lo spettro di frequenza di un magnetron inferiore al 10% della sua massima potenza di uscita è molto ampio, presenta molti picchi differenti e quindi non è utilizzabile.

2. AdeguamentoLa frequenza di risonanza

Nota: Lo schema della configurazione sperimentale per la misurazione e la regolazione della frequenza di risonanza è illustrato nella Figura 2A.

1. Calibrare l'analizzatore di rete con il kit di calibrazione per il funzionamento S11 (secondo il protocollo del produttore).
2. Collegare il cavo coassiale attraverso la N connettore coassiale alla parte di una transizione guida coassiali a onda rettangolare inserendo il cavo coassiale coassiale a guida d'onda-transizione.
3. Collegare la parte rettangolare della transizione guida coassiali-to-rettangolare-wave di un sintonizzatore a tre stub con 10 viti.
4. Collegare il sintonizzatore tre stub al gruppo torcia a microonde al plasma con 10 viti.
5. Nel interruttore menù analizzatore di rete per il funzionamento S11.
6. Nel menu di analizzatore di rete passare alla modalità ROS o la modalità per accedere.
7. Iterativamente regolare la frequenza di risonanza del gruppo torcia microonde plasma al freque misuratoncy del magnetron ad una potenza di uscita di 25% - 60% della potenza massima di uscita spostando l'ugello su e giù. La frequenza di risonanza del gruppo torcia al plasma a microonde è dato dal dip della misurazione parametro S11 come illustrato nella Figura 2B. Regolare questo tuffo spostando l'ugello su e giù per la frequenza raccomandata.
8. Quando viene regolata la frequenza di risonanza, bloccare la posizione dell'ugello con il dado di bloccaggio.
9. Aumentare la potenza delle microonde avanti iterativamente regolando le tre mozzi del sintonizzatore tre stub spostando gli stub su e giù. La potenza delle microonde assorbita dal gruppo torcia al plasma a microonde è dato dalla profondità del dip del parametro S11. Così, massimizzare questo tuffo regolando la stub del sintonizzatore tre stub. Comunemente, è sufficiente che due dei tre mozzi sono utilizzati.

3. Accensione del Plasma

1. Indossare occhiali di protezione UV in quanto il plasma emette Radia UVzione. Azionare la torcia al plasma sotto ventilazione locale di gas in quanto il plasma produce ossidi di nitruro.
2. Collegare il gruppo torcia al plasma a microonde con il risonatore coassiale adjusted (ugello è bloccato) e la corretta sintonizzatore tre stub al magnetron dotato di un isolante costituito da un circolatore collegato a un carico di acqua.
3. Collegare l'alimentazione del gas alla torcia al plasma a microonde.
4. Accendere l'alimentazione del gas a 5 a 20 slm.
5. Poiché la radiazione a microonde in dosi più elevate è dannoso soprattutto per gli occhi, verificare che non ci siano perdite a microonde.
   1. Per fare ciò, accendere il forno a microonde a bassissima potenza di 10% al 12% e verificare tutti i collegamenti a microonde con un metro a microonde per perdite.
   2. Se ci sono perdite rimuoverli completamente prima di aumentare la potenza a microonde o il funzionamento della torcia al plasma a microonde.
6. Se non ci sono perdite accendere il microonde iniziando con basse potenze di 10% e aumentare il microfonopotenza rowave lentamente in 10 60 sec fino plasma accende nel tubo di quarzo della torcia al plasma a microonde.
7. Osservare con attenzione se e dove il plasma prede fuoco ma attenzione con le microonde eventualmente irradiati. Preferibilmente usare uno specchio per l'osservazione dell'accensione plasma.
8. Se no al plasma si accende, spegnere l'alimentazione microonde e verificare attentamente se la potenza delle microonde è correttamente accoppiato nel risonatore coassiale e non fuorviante per gli altri componenti il ​​riscaldamento in su o addirittura danneggiare. Controllare se alcuni componenti sono sempre riscaldati.
   1. Se qualsiasi componente viene riscaldato - cioè, la potenza delle microonde è fuorviante - spostare tutti mozziconi di sintonizzatore tre stub fuori della guida d'onda e regolare loro di massimizzare l'accoppiamento microonde nel gruppo torcia al plasma come descritto al punto 2.9. Poi ricominciare con passo 3.1.
   2. Regolare la frequenza di risonanza del risonatore coassiale della torcia al plasma per la frequenza di invio della rivistaNetron ad una sufficiente potenza elevata microonde del 25% al ​​60% della potenza massima con l'analizzatore di rete come descritto nel passaggio 2. Per migliorare l'accensione, regolare la frequenza di risonanza del risonatore coassiale come descritto al punto 2 per una maggiore potenza di uscita. Poi ricominciare con passo 3.1.
9. Se il plasma accende qualche parte nella torcia al plasma e non passa automaticamente alla modalità coassiale o cilindrica, variare il flusso di potenza a microonde e gas fornito fino brucia in modo cilindrico.
10. Quando il plasma brucia in modalità cilindrica, iterativamente regolare la mozzi del sintonizzatore tre stub spostandoli su e giù in modo che tutta la potenza fornita microonde è assorbita dal plasma e la potenza delle microonde riflessa diventa zero.
    Nota: Se un diodo microonde è collegato al carico di acqua e alla corrispondente ingresso dell'unità di controllo, la potenza delle microonde riflessa viene visualizzata l'unità di controllo della potenza delle microonde alimentazione.Come fare questo è descritto nel manuale della potenza del microonde alimentazione.
11. Quando si utilizzano potenze microonde superiori di 1,5 kW o superiore e flussi di gas bassi inferiori a 15 slm, controllare attentamente che il plasma non tocchi le pareti del tubo di quarzo. Il tubo di quarzo non deve brillare ovunque.
12. Se il tubo di quarzo diventa rosso, diminuire la potenza delle microonde o aumentare il flusso di gas fino a quando scompare completamente.
13. Poiché le microonde possono essere irradiati dal plasma dovuta alla conducibilità del plasma, controllare con un metro microonde che la potenza delle microonde irradiata è inferiore alla soglia.
14. Se la potenza delle microonde irradiata è superiore alla soglia, schermare il plasma con una rete metallica in cui la dimensione delle maglie è molto inferiore alla metà della lunghezza d'onda utilizzata microonde.

4. Alta velocità Movie Camera del Ignition Plasma

Nota: Poiché l'accensione del plasma e del suo passaggio alla modalità cilindrica è nell'intervalloalcune centinaia di millisecondi, questo processo può essere meglio studiati mediante una telecamera ad alta velocità. Tuttavia, non è necessario osservare il processo di accensione mediante una telecamera ad alta velocità ogni volta che il plasma viene acceso.

1. Posizionare la lente della telecamera ad alta velocità di fronte alla torcia al plasma a microonde guardando attraverso la fessura diagnostico nella parte anteriore della torcia al plasma.
2. Regolare finché la fotocamera punta nel risonatore coassiale alla punta dell'ugello metallico.
3. Mettere a fuoco sulla punta dell'ugello metallico.
4. Avviare la registrazione con 1.000 fps (fotogrammi al secondo) della telecamera ad alta velocità.
5. Accendere il plasma come descritto nel paragrafo 3.

5. Stabile e continuo funzionamento Plasma

Nota: Quando il plasma è stato acceso in modalità cilindrica e il sintonizzatore tre stub è stato regolato per massimizzare l'assorbimento della potenza delle microonde dal plasma stabile e Continnue funzionamento della torcia al plasma è possibile.

1. Regolare la dimensione - radiale ed assiale estensione - del plasma alla dimensione desiderata variando la potenza delle microonde fornita tra il 10% e la potenza massima di uscita e il flusso di gas tra 10 e 70 slm. Mantenere la dimensione radiale limitata al diametro del tubo di quarzo. Il plasma non deve toccare la parete del tubo di quarzo che significa che il tubo di quarzo non deve bagliore.
2. Per modellare il plasma in forme diverse, utilizzare una breve tubo di quarzo che limita solo il plasma all'interno del risonatore cilindrica e posizionare un foro sulla parte superiore del gruppo torcia al plasma.
3. Se necessario, fissare gli orifizi con alcune viti.

Risultati

Per fornire un'accensione plasma senza accenditori supplementari così come un'operazione plasma stabile e continuo un risonatore coassiale di alta qualità con una frequenza di risonanza registrabile è stato combinato con un risonatore bassa cilindrica qualità ad una torcia al plasma a microonde. Lo schema della torcia al plasma è presentato nella figura 3. Il plasma è confinato in un tubo trasparente alle microonde, qui un tubo di quarzo. Questo tubo può agire come una camera di rea...

Discussione

Il film presentato spiega come l'accensione di un plasma a microonde pressione atmosferica senza accenditori supplementari può essere realizzato, i principi di base di questa torcia al plasma a microonde, la sua regolazione, il processo di accensione del plasma e del suo funzionamento stabile e continuo. Come descritto nell'introduzione, esistono già diversi tipi di torce al plasma a microonde ma nessuno di quelli forniscono l'accensione del plasma senza accenditori aggiuntivi e funzionamento plasma stabil...

Materiali

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