The authors would like to thank the Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen &#8222;Otto von Guericke&#8220; e.V., AiF (German Federation of Industrial Research Associations) and the Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG (German Research Foundation) for partly funding the presented work under contract number 14248 and STR 662/4-1, respectively.

1. Misurazione della Magnetron Nota: Lo schema del setup sperimentale per misurare il magnetron è illustrato nella Figura 1A. <ol><li> Collegare il magnetron ad un isolante costituito da un circolatore e un carico di acqua con 10 viti. </li><li> Collegare l&#39;isolatore ad un accoppiatore direzionale con 10 viti. </li><li> Collegare l&#39;accoppiatore direzionale per un secondo carico acqua con 10 viti. </li><li> Fornire tutti i carichi d&#39;acqua con l&#39;acqua. </li><li> Calibrare l&#39;analizzatore di spettro con la sua funzione di taratura secondo il protocollo del produttore. </li><li> Collegare un attenuatore 20 dB per l&#39;analizzatore di spettro collegando il dB attenuatore 20 per l&#39;analizzatore di spettro. Nota: Il dB attenuatore 20 è utilizzato per proteggere l&#39;analizzatore di spettro da troppo elevate potenze superiori a 1 W. </li><li> Collegare l&#39;attenuatore 20 dB analizzatore di spettro dotato all&#39;estremità del cavo coassiale con connettore BNC collegando cocavo assiale in dB attenuatore 20. </li><li> Collegare l&#39;estremità del cavo coassiale dotato di un connettore N alla accoppiatore direzionale collegando il cavo coassiale al cavo direzionale. </li><li> Accendere il magnetron tramite l&#39;alimentazione e lo spettro della microonda emessa viene visualizzato l&#39;analizzatore di spettro. </li><li> Se necessario, regolare l&#39;ascissa visualizzato, ordinata e la loro risoluzione in base al manuale dell&#39;analizzatore di spettro. </li><li> 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&#39;ampiezza massima dello spettro visualizzato dall&#39;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. </li></ol> 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. <ol><li> Calibrare l&#39;analizzatore di rete con il kit di calibrazione per il funzionamento S11 (secondo il protocollo del produttore). </li><li> 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&#39;onda-transizione. </li><li> Collegare la parte rettangolare della transizione guida coassiali-to-rettangolare-wave di un sintonizzatore a tre stub con 10 viti. </li><li> Collegare il sintonizzatore tre stub al gruppo torcia a microonde al plasma con 10 viti. </li><li> Nel interruttore menù analizzatore di rete per il funzionamento S11. </li><li> Nel menu di analizzatore di rete passare alla modalità ROS o la modalità per accedere. </li><li> 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&#39;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&#39;ugello su e giù per la frequenza raccomandata. </li><li> Quando viene regolata la frequenza di risonanza, bloccare la posizione dell&#39;ugello con il dado di bloccaggio. </li><li> 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. </li></ol> 3. Accensione del Plasma <ol><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Collegare l&#39;alimentazione del gas alla torcia al plasma a microonde. </li><li> Accendere l&#39;alimentazione del gas a 5 a 20 slm. </li><li> Poiché la radiazione a microonde in dosi più elevate è dannoso soprattutto per gli occhi, verificare che non ci siano perdite a microonde. <ol><li> 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. </li><li> Se ci sono perdite rimuoverli completamente prima di aumentare la potenza a microonde o il funzionamento della torcia al plasma a microonde. </li></ol></li><li> 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. </li><li> Osservare con attenzione se e dove il plasma prede fuoco ma attenzione con le microonde eventualmente irradiati. Preferibilmente usare uno specchio per l&#39;osservazione dell&#39;accensione plasma. </li><li> Se no al plasma si accende, spegnere l&#39;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. <ol><li> Se qualsiasi componente viene riscaldato - cioè, la potenza delle microonde è fuorviante - spostare tutti mozziconi di sintonizzatore tre stub fuori della guida d&#39;onda e regolare loro di massimizzare l&#39;accoppiamento microonde nel gruppo torcia al plasma come descritto al punto 2.9. Poi ricominciare con passo 3.1. </li><li> 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&#39;analizzatore di rete come descritto nel passaggio 2. Per migliorare l&#39;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. </li></ol></li><li> 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. </li><li> 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&#39;unità di controllo, la potenza delle microonde riflessa viene visualizzata l&#39;unità di controllo della potenza delle microonde alimentazione.Come fare questo è descritto nel manuale della potenza del microonde alimentazione. </li><li> 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. </li><li> Se il tubo di quarzo diventa rosso, diminuire la potenza delle microonde o aumentare il flusso di gas fino a quando scompare completamente. </li><li> 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. </li><li> 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&#39;onda utilizzata microonde. </li></ol> 4. Alta velocità Movie Camera del Ignition Plasma Nota: Poiché l&#39;accensione del plasma e del suo passaggio alla modalità cilindrica è nell&#39;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. <ol><li> 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. </li><li> Regolare finché la fotocamera punta nel risonatore coassiale alla punta dell&#39;ugello metallico. </li><li> Mettere a fuoco sulla punta dell&#39;ugello metallico. </li><li> Avviare la registrazione con 1.000 fps (fotogrammi al secondo) della telecamera ad alta velocità. </li><li> Accendere il plasma come descritto nel paragrafo 3. </li></ol> 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&#39;assorbimento della potenza delle microonde dal plasma stabile e Continnue funzionamento della torcia al plasma è possibile. <ol><li> 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. </li><li> Per modellare il plasma in forme diverse, utilizzare una breve tubo di quarzo che limita solo il plasma all&#39;interno del risonatore cilindrica e posizionare un foro sulla parte superiore del gruppo torcia al plasma. </li><li> Se necessario, fissare gli orifizi con alcune viti. </li></ol>

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The authors have nothing to disclose.

Il film presentato spiega come l&#39;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&#39;introduzione, esistono già diversi tipi di torce al plasma a microonde ma nessuno di quelli forniscono l&#39;accensione del plasma senza accenditori aggiuntivi e funzionamento plasma stabil...

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&#39;altro loro plasma bagliore può essere applicata per il trattamento di superfici. Come trattamento di superficie elabora il trattamento per aumentare l&#39;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&#39;energia elettrica in eccesso da fonti rinnovabili può essere utilizzato per dissociarsi CO <sub&gt; 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&#39;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&#39;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&#39;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&#39;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&#39;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&#39;ampia curva di risonanza. Una fornitura di gas assiale aggiuntiva tramite l&#39;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&gt; 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&#39;onda rettangolare dal magnetron. Per evitare l&#39;inquinamento acustico l&#39;uso di un basso ripple magnetron è consigliatoconclusa. Il magnetron che viene utilizzato nel film è uno basso ripple. Per l&#39;accensione del plasma viene utilizzato il risonatore coassiale alta qualità mentre un&#39;operazione stabile e continuo è fornito dal risonatore cilindrico. Per ottenere l&#39;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&#39;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&#39;ugello, necessaria per l&#39;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&#39;accensione del plasma una potenza minima microonde di circa 0,3 a 1 kW è sufficiente. Il plasma accende nel risonatore coassiale. Dopo l&#39;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&#39;ugello metallico al centro del risonatore cilindrico. Poiché la qualità della modalità cilindrica è molto bassa e quindi presenta un&#39;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&#39;acqua. Per esaminare l&#39;accensione del plasma nel coassialimodalità e quindi la sua transizione in modalità cilindrica estesa, l&#39;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.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0">
	<tbody>
		<tr>
			<td>2 kW magnetron</td>
			<td>Muegge&#160;</td>
			<td>MH2000S 211BA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2 kW power supply</td>
			<td>Muegge&#160;</td>
			<td>ML2000D-111TC</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>insulator - circulator with water load</td>
			<td>Muegge&#160;</td>
			<td>MW1003A-210EC</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>water load</td>
			<td>Muegge&#160;</td>
			<td>MW1002E-260EC</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>three stub tuner</td>
			<td>Muegge&#160;</td>
			<td>MW2009A-260ED</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>orifices</td>
			<td>homemade</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>microwave plasma torch</td>
			<td>homemade</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>spectrum analyzer</td>
			<td>Agilent</td>
			<td>E4402B</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>network analyzer</td>
			<td>Anritsu</td>
			<td>MS4662A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>calibration kit</td>
			<td>Anritsu</td>
			<td>model 3753</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>directional coupler</td>
			<td>homemade</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>20 dB attenuator</td>
			<td>Weinschee engineering</td>
			<td>20 dB AA57u8</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>coaxial to rectangular wave guide transition</td>
			<td>Muegge&#160;</td>
			<td>MW5002A-260YD</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>adaptor 7-16 to N connector</td>
			<td>Teleg&#228;rtner</td>
			<td>7-16/N Adaptor</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>coaxial cable</td>
			<td>Rosenberger Hochfrequenztechnik</td>
			<td>LU7_070_800</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>high speed camera</td>
			<td>Photron</td>
			<td>fastcam SA5</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>lens</td>
			<td>Revueflex</td>
			<td>makro revuenon 1:3.5/28mm</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>local gas ventilation</td>
			<td>Industrievertrieb Henning</td>
			<td>ACD220</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>UV protection glasses</td>
			<td>uvex</td>
			<td>HC-F9178265</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>microwave leakage tester</td>
			<td>conrad electronic</td>
			<td>not available</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>microwave survey meter</td>
			<td>Holaday industries inc.</td>
			<td>81273</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

how to ignite an atmospheric pressure microwave plasma torch without any additional igniters

Questo film mostra come una torcia al plasma a pressione atmosferica può essere incendiato da potenza a microonde senza accenditori supplementari. Dopo l&#39;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&#39;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&#39;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&#39;energia, combustibili sintetici o chimici piattaforma per l&#39;industria chimica. Applicazioni del bagliore della torcia al plasma sono il trattamento di superfici per aumentare l&#39;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&#39;accensione del plasma e una cilindrica che garantisce un funzionamento continuo e stabile del plasma dopo l&#39;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.

<html> Per fornire un&#39;accensione plasma senza accenditori supplementari così come un&#39;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...

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How to Ignite an Atmospheric Pressure Microwave Plasma Torch without Any Additional Igniters

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.

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

This movie shows how an atmospheric pressure plasma torch can be ignited by microwave power with no additional igniters. After ignition of the plasma, a ...

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Research

JoVE Journal

Engineering

19.3K Views.  University of Stuttgart. 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. 

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Microwave Photonics Systems Based on Whispering-gallery-mode Resonators

Microwave photonics systems rely fundamentally on the interaction between microwave and optical signals. These systems are extremely promising for various areas of technology and applied science, such as aerospace and communication engineering, sensing, metrology, nonlinear photonics, and quantum optics. In this article, we present the principal techniques used in our lab to build microwave photonics systems based on ultra-high Q whispering gallery mode resonators. First detailed in this article is the protocol for resonator polishing, which is based on a grind-and-polish technique close to the ones used to polish optical components such as lenses or telescope mirrors. Then, a white light interferometric profilometer measures surface roughness, which is a key parameter to characterize the quality of the polishing. In order to launch light in the resonator, a tapered silica fiber with diameter in the micrometer range is used. To reach such small diameters, we adopt the "flame-brushing" technique, using simultaneously computer-controlled motors to pull the fiber apart, and a blowtorch to heat the fiber area to be tapered. The resonator and the tapered fiber are later approached to one another to visualize the resonance signal of the whispering gallery modes using a wavelength-scanning laser. By increasing the optical power in the resonator, nonlinear phenomena are triggered until the formation of a Kerr optical frequency comb is observed with a spectrum made of equidistant spectral lines. These Kerr comb spectra have exceptional characteristics that are suitable for several applications in science and technology. We consider the application related to ultra-stable microwave frequency synthesis and demonstrate the generation of a Kerr comb with GHz intermodal frequency.

The customized techniques developed in our lab to build microwave photonics systems based on ultra-high Q whispering gallery mode resonators are presented. The protocols to obtain and characterize these resonators are detailed, and an explanation of some of their applications in microwave photonics is given.

Microonde Photonics sistemi basati su risonatori-galleria-mode Whispering

Microwave photonics systems rely fundamentally on the interaction between microwave and optical signals. These systems are extremely promising for various ...

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Synthesis and Microdiffraction at Extreme Pressures and Temperatures

High pressure compounds and polymorphs are investigated for a broad range of purposes such as determine structures and processes of deep planetary interiors, design materials with novel properties, understand the mechanical behavior of materials exposed to very high stresses as in explosions or impacts. Synthesis and structural analysis of materials at extreme conditions of pressure and temperature entails remarkable technical challenges. In the laser heated diamond anvil cell (LH-DAC), very high pressure is generated between the tips of two opposing diamond anvils forced against each other; focused infrared laser beams, shined through the diamonds, allow to reach very high temperatures on samples absorbing the laser radiation. When the LH-DAC is installed in a synchrotron beamline that provides extremely brilliant x-ray radiation, the structure of materials under extreme conditions can be probed in situ. LH-DAC samples, although very small, can show highly variable grain size, phase and chemical composition. In order to obtain the high resolution structural analysis and the most comprehensive characterization of a sample, we collect diffraction data in 2D grids and combine powder, single crystal and multigrain diffraction techniques. Representative results obtained in the synthesis of a new iron oxide, Fe4O5 1 will be shown.

The laser heated diamond anvil cell combined with synchrotron micro-diffraction techniques allows researchers to explore the nature and properties of new phases of matter at extreme pressure and temperature (PT) conditions. Heterogeneous samples can be characterized in situ under high pressure by 2D mapping and combined powder, single-crystal and multigrain diffraction approaches.

Sintesi e microdiffrazione a pressioni e temperature estreme

High pressure compounds and polymorphs are investigated for a broad range of purposes such as determine structures and processes of deep planetary ...

Picoinjection of Microfluidic Drops Without Metal Electrodes

Existing methods for picoinjecting reagents into microfluidic drops require metal electrodes integrated into the microfluidic chip. The integration of these electrodes adds cumbersome and error-prone steps to the device fabrication process. We have developed a technique that obviates the needs for metal electrodes during picoinjection. Instead, it uses the injection fluid itself as an electrode, since most biological reagents contain dissolved electrolytes and are conductive. By eliminating the electrodes, we reduce device fabrication time and complexity, and make the devices more robust. In addition, with our approach, the injection volume depends on the voltage applied to the picoinjection solution; this allows us to rapidly adjust the volume injected by modulating the applied voltage. We demonstrate that our technique is compatible with reagents incorporating common biological compounds, including buffers, enzymes, and nucleic acids.

We have developed a technique for picoinjecting microfluidic drops that does not require metal electrodes. As such, devices incorporating our technique are simpler to fabricate and to use.

Picoinjection di Microfluidic Gocce senza elettrodi in metallo

Existing methods for picoinjecting reagents into microfluidic drops require metal electrodes integrated into the microfluidic chip. The integration of ...

Using Microwave and Macroscopic Samples of Dielectric Solids to Study the Photonic Properties of Disordered Photonic Bandgap Materials

Recently, disordered photonic materials have been suggested as an alternative to periodic crystals for the formation of a complete photonic bandgap (PBG). In this article we will describe the methods for constructing and characterizing macroscopic disordered photonic structures using microwaves. The microwave regime offers the most convenient experimental sample size to build and test PBG media. Easily manipulated dielectric lattice components extend flexibility in building various 2D structures on top of pre-printed plastic templates. Once built, the structures could be quickly modified with point and line defects to make freeform waveguides and filters. Testing is done using a widely available Vector Network Analyzer and pairs of microwave horn antennas. Due to the scale invariance property of electromagnetic fields, the results we obtained in the microwave region can be directly applied to infrared and optical regions. Our approach is simple but delivers exciting new insight into the nature of light and disordered matter interaction.

Our representative results include the first experimental demonstration of the existence of a complete and isotropic PBG in a two-dimensional (2D) hyperuniform disordered dielectric structure. Additionally we demonstrate experimentally the ability of this novel photonic structure to guide electromagnetic waves (EM) through freeform waveguides of arbitrary shape.

Disordered structures offer new mechanisms for forming photonic bandgaps and unprecedented freedom in functional-defect designs. To circumvent the computational challenges of disordered systems, we construct modular macroscopic samples of the new class of PBG materials and use microwaves to characterize their scale-invariant photonic properties, in an easy and inexpensive manner.

Utilizzo di microonde e campioni macroscopici di dielettrici solidi per studiare le proprietà fotoniche di Disordine Photonic Materials Bandgap

Recently, disordered photonic materials have been suggested as an alternative to periodic crystals for the formation of a complete photonic bandgap (PBG). ...

How to Build a Vacuum Spring-transport Package for Spinning Rotor Gauges

The spinning rotor gauge (SRG) is a high-vacuum gauge often used as a secondary or transfer standard for vacuum pressures in the range of 1.0 x 10-4 Pa to 1.0 Pa. In this application, the SRGs are frequently transported to laboratories for calibration. Events can occur during transportation that change the rotor surface conditions, thus changing the calibration factor. To assure calibration stability, a spring-transport mechanism is often used to immobilize the rotor and keep it under vacuum during transport. It is also important to transport the spring-transport mechanism using packaging designed to minimize the risk of damage during shipping. In this manuscript, a detailed description is given on how to build a robust spring-transport mechanism and shipping container. Together these form a spring-transport package. The spring-transport package design was tested using drop-tests and the performance was found to be excellent. The present spring-transport mechanism design keeps the rotor immobilized when experiencing shocks of several hundred g (g = 9.8 m/sec2 and is the acceleration due to gravity), while the shipping container assures that the mechanism will not experience shocks greater than about 100 g during common shipping mishaps (as defined by industry standards).

Here we describe how to build a robust spring-transport mechanism for a spinning rotor gauge. This device securely immobilizes the rotor and keeps it under vacuum during transportation. We also describe packaging that minimizes the risk of damage during transport. Tests show our design works for typical shocks during transport.

Come costruire un vuoto primavera-trasporto Pacchetto per la filatura rotore Indicatori

The spinning rotor gauge (SRG) is a high-vacuum gauge often used as a secondary or transfer standard for vacuum pressures in the range of 1.0 x 10-4 Pa to ...

An Atmospheric Pressure Plasma Setup to Investigate the Reactive Species Formation

Non-thermal atmospheric pressure (&#39;cold&#39;) plasmas have received increased attention in recent years due to their significant biomedical potential. The reactions of cold plasma with the surrounding atmosphere yield a variety of reactive species, which can define its effectiveness. While efficient development of cold plasma therapy requires kinetic models, model benchmarking needs empirical data. Experimental studies of the source of reactive species detected in aqueous solutions exposed to plasma are still scarce. Biomedical plasma is often operated with He or Ar feed gas, and a specific interest lies in investigation of the reactive species generated by plasma with various gas admixtures (O2, N2, air, H2O vapor, etc.) Such investigations are very complex due to difficulties in controlling the ambient atmosphere in contact with the plasma effluent. In this work, we addressed common issues of &#39;high&#39; voltage kHz frequency driven plasma jet experimental studies. A reactor was developed allowing the exclusion of ambient atmosphere from the plasma-liquid system. The system thus comprised the feed gas with admixtures and the components of the liquid sample. This controlled atmosphere allowed the investigation of the source of the reactive oxygen species induced in aqueous solutions by He-water vapor plasma. The use of isotopically labelled water allowed distinguishing between the species originating in the gas phase and those formed in the liquid. The plasma equipment was contained inside a Faraday cage to eliminate possible influence of any external field. The setup is versatile and can aid in further understanding the cold plasma-liquid interactions chemistry.

An experimental setup was created for the helium-operated kHz frequency plasma jet. The setup includes a cage for the plasma power supply and jet and an in-house built reactor to monitor plasma-induced reactive species without the interference of the ambient atmosphere.

Una configurazione plasma a pressione atmosferica per Indagare sulla formazione reattiva Specie

Non-thermal atmospheric pressure (&#39;cold&#39;) plasmas have received increased attention in recent years due to their significant biomedical potential. ...

New Application of an Atmospheric Pressure Plasma Jet as a Neuro-protective Agent Against Glucose Deprivation-induced Injury of SH-SY5Y Cells

The atmospheric pressure plasma jet (APPJ) has attracted the attention of many researchers from multiple disciplines in recent years because its emissions include multiple types of reactive nitrogen species (RNS) and reactive oxygen species (ROS). Our previous study has shown the cytoprotective effect of the APPJ against oxidative stress-induced injuries. The aim of the present study is to provide a detailed in vitro treatment protocol regarding the neuroprotective applications of helium APPJs on glucose deprivation-induced injury in SH-SY5Y cells. The SH-SY5Y human neuroblastoma-derived cell line was maintained in RPMI 1640 medium supplemented with 15% fetal calf serum. The culture medium was then changed to RPMI 1640 without glucose before APPJ treatment. After a 1 h incubation in a cell incubator, cell viability was determined using Cell Counting Kit 8. The results showed that, compared to the glucose deprivation group, cells treated with APPJ exhibited significantly increased cell viability in a dose-dependent manner, with 8 s/well observed as an optimal dose. Meanwhile, helium flow had no effect on the glucose deprivation-induced cell impairment. Our results indicated that APPJ could be potentially used as a treatment method for the diseases in the central nervous system related to glucose deprivation. This protocol could also be used as a cytoprotective application for other cells with different impairments, but the cell culture and APPJ treatment conditions should be readjusted, and the treatment dose must be relatively low.

A protocol for the neuroprotective application of low-dose atmospheric pressure plasma treatment on glucose deprivation-induced SH-SY5Y injuries.

Nuova applicazione di un getto di Plasma di pressione atmosferica come un agente di Neuro-protettivo contro la lesione indotta da privazione di glucosio delle cellule SH-SY5Y

The atmospheric pressure plasma jet (APPJ) has attracted the attention of many researchers from multiple disciplines in recent years because its emissions ...

Atmospheric Pressure Fabrication of Large-Sized Single-Layer Rectangular SnSe Flakes

Tin selenide (SnSe) belongs to the family of layered metal chalcogenide materials with a buckled structure like phosphorene, and has shown potential for applications in two-dimensional nanoelectronics devices. Although many methods to synthesize SnSe nanocrystals have been developed, a simple way to fabricate large-sized single-layer SnSe flakes remains a great challenge. Herein, we show the experimental method to directly grow large-sized single-layer rectangular SnSe flakes on commonly used SiO2/Si insulating substrates using a straightforward two-step fabrication method in an atmospheric pressure quartz tube furnace system. The single-layer rectangular SnSe flakes with an average thickness of ~6.8 &#197; and lateral dimensions of about 30 &#181;m &#215; 50 &#181;m were fabricated by a combination of vapor transport deposition technique and nitrogen etching route. We characterized the morphology, microstructure, and electrical properties of the rectangular SnSe flakes and obtained excellent crystallinity and good electronic properties. This article about the two-step fabrication method can help researchers grow other similar two-dimensional, large-sized, single-layer materials using an atmospheric pressure system.

A protocol is presented demonstrating a two-step fabrication technique to grow large-sized single-layer rectangular shaped SnSe flakes on low-cost SiO2/Si dielectrics wafers in an atmospheric pressure quartz tube furnace system.

Pressione atmosferica fabbricazione di fiocchi di medie e grandi monostrato rettangolare SnSe

Tin selenide (SnSe) belongs to the family of layered metal chalcogenide materials with a buckled structure like phosphorene, and has shown potential for ...

Nerve Stem Cell Differentiation by a One-step Cold Atmospheric Plasma Treatment In Vitro

As the development of physical plasma technology, cold atmospheric plasmas (CAPs) have been widely investigated in decontamination, cancer treatment, wound healing, root canal treatment, etc., forming a new research field named plasma medicine. Being a mixture of electrical, chemical, and biological reactive species, CAPs have shown their abilities to enhance nerve stem cells differentiation both in vitro and in vivo and are becoming a promising way for neurological disease treatment in the future. The much more exciting news is that using CAPs may realize one-step, and safely directed, differentiation of neural stem cells (NSCs) for tissue transportation. We demonstrate here the detailed experimental protocol of using a self-made CAP jet device to enhance NSC differentiation in C17.2-NSCs and primary rat neural stem cells, as well as observing the cell fate by inverted and fluorescence microscopy. With the help of immunofluorescence staining technology, we found both the NSCs showed an accelerated differential rate than the untreated group, and ~75% of the NSCs selectively differentiated into neurons, which are mainly mature, cholinergic, and motor neurons.

Nerve Stem Cell Differentiation by a One-step Cold Atmospheric Plasma Treatment In Vitro

This protocol aims to provide detailed experimental steps of a cold atmospheric plasma treatment on neural stem cells and immunofluorescence detection for differentiation enhancement.

Differenziazione delle cellule staminali nervose di un One-Step Plasma atmosferico freddo trattamento In Vitro

As the development of physical plasma technology, cold atmospheric plasmas (CAPs) have been widely investigated in decontamination, cancer treatment, ...

Carrier Lifetime Measurements in Semiconductors through the Microwave Photoconductivity Decay Method

This work presents a protocol employing the microwave photoconductivity decay (&#956;-PCD) for measurement of the carrier lifetime in semiconductor materials, especially SiC. In principle, excess carriers in the semiconductor generated via excitation recombine with time and, subsequently, return to the equilibrium state. The time constant of this recombination is known as the carrier lifetime, an important parameter in semiconductor materials and devices that requires a noncontact and nondestructive measurement ideally achieved by the &#956;-PCD. During irradiation of a sample, a part of the microwave is reflected by the semiconductor sample. Microwave reflectance depends on the sample conductivity, which is attributed to the carriers. Therefore, the time decay of excess carriers can be observed through detection of the reflected microwave intensity, whose decay curve can be analyzed for estimation of the carrier lifetime. Results confirm the suitability of the &#956;-PCD protocol in measuring the carrier lifetime in semiconductor materials and devices.

As one of the important physical parameters in semiconductors, carrier lifetime is measured herein via a protocol employing the microwave photoconductivity decay method.

Misure di vita portante in semiconduttori attraverso il metodo di deperimento di fotoconduttività a microonde

This work presents a protocol employing the microwave photoconductivity decay (&#956;-PCD) for measurement of the carrier lifetime in semiconductor ...