어떻게 추가 점화기없이 대기압 마이크로 웨이브 플라즈마 토치를 점화

요약

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.

초록

이 영화는 대기압 플라즈마 토치가 추가 점화기와 마이크로파 전력에 의해 점화 할 수있는 방법을 보여줍니다. 플라즈마를 점화 한 후, 플라즈마를 안정적으로 연속 운전이 가능하고, 플라즈마 토치는 많은 상이한 애플리케이션에 사용될 수있다. 한편, 고온 (3600 K 가스 온도)가 저온 플라즈마 잔광 화학적 과정과 반대로 사용될 수있다 (온도는 거의 RT까지) 표면 처리에 적용 할 수있다. 예를 들어 화학 합성 흥미로운 볼륨 프로세스입니다. 여기서 마이크로파 플라즈마 토치가 유해하고, 지구 온난화에 기여하지만, 반도체 분기 같은 산업 분야에서 성장을 에칭 가스로서 필요한 폐기 가스의 분해에 사용될 수있다. 다른 응용 CO _2의 해리이다. 신 재생 에너지 원으로부터 잉여의 전기 에너지가 CO와 O ₂ CO _{2 해리를} 위해 사용될 수있다. CO는 더 프로가 될 수이에 따라 화학 산업의 에너지, 합성 연료 또는 플랫폼 화학 물질의 화학 스토리지를 제공하는 기체 또는 액체 높은 탄화수소 cessed. 플라즈마 토치의 잔광의 애플리케이션 래커, 접착제 나 도료의 밀착성을 높이기 위해 표면 처리를하고, 표면 살균 또는 다른 종류의 오염 제거된다. 영화는 추가 점화기, 예를 들어, 전기 스파크없이 마이크로파 전력만으로 플라즈마를 점화하는 방법을 설명합니다. 플라즈마 점화 후 플라즈마의 연속적이고 안정적​​인 동작을 보장 원통형 하나의 점화를 제공 한 동축 - 마이크로파 플라즈마 토치는 두 개의 공진기의 조합에 기초한다. 플라즈마는 프로세스 체적 긴 마이크로파 튜브 투명 동작 또는 표면 처리 목적 오리피스에 의해 형성 될 수있다.

서문

대기압 마이크로 웨이브 플라즈마 토치는 다른 다양한 응용 프로그램을 제공합니다. 한편 그들은 화학적 프로세스 볼륨 및 잔광 플라즈마 표면 처리에 적용 할 수있는 반면에, 사용될 수있다. 표면 처리는 접착제, 페인트 또는 래커 또는 표면 살균 또는 멸균의 밀착성을 증가시키는 처리를 프로세스로 명명 될 수있다. 고온 반응성 플라즈마 자체 폐가스 ^1-7의 분해 등 체적 공정에 사용될 수있다. 이들 폐기 가스는 유해 지구 온난화에 기여하고, 종래 거의 분해 할 수 없다. 그러나, 이들은 그러한 반도체 산업 분야로 분기 성장에 필요하다. 다른 응용 프로그램은 CO에 CO _2의 해리 O ₂ 또는 탄소와 수소의 ^8,9에 CH _4와 같은 화학 합성입니다. 신 재생 에너지 원으로부터 전기 에너지가 잉여 CO를 해리하는데 사용될 수있다 _{2 CO와 O 2로. CO는 화학 산업에 대한 물질 또는 화학 물질 저장과 같은 플랫폼 화학 물질로, 더 교통 합성 연료로 사용할 수 있습니다 높은 탄화수소를 처리 할 수​​ 있습니다.}

몇 가지 마이크로파 플라즈마 토치가 있지만 대부분은 단점이있다 : 그들은 단지, 매우 적은 플라즈마 볼륨이 추가 점화기 필요 플라즈마 리액터의 냉각을 필요로하거나 단지 펄스 모드 ^10-18에서 작동 될 수있다. 이 영화에서 제시 마이크로파 플라즈마 토치 운전 파라미터의 광범위한 플라즈마 반응기의 임의의 냉각없이 단독으로 추가 점화기뿐만 아니라 안정적이고 지속적인 작동으로 제공 마이크로파 전력과 플라즈마의 점화를 제공하여 사용할 수있다 위에서 언급 한 모든 응용 프로그램에 대한. 동축 원통형 하나 하나 마이크로파 플라즈마 토치 두 공진기의 조합에 기초한다. 원통형 공진기는 낮은 품질을 갖고 운전 방식이다중심에서 높은 전기장과 공지 E ₀₁₀ -mode 에드. 동축 공진기는 원통형 공진기의 아래에 위치 접선 가스 공급과 함께 가동 금속 노즐로 구성된다. 동축 공진기의 높은 품질은 매우 좁은 속을 공진 곡선을 나타낸다. 때문에 높은 전계가 도달 할 수있는 동축 공진기의 높은 품질로되는 플라즈마의 점화 요구된다. 그러나, 동축 공진기의 높은 품질은 매우 좁고 공진 곡선과 연관되고, 따라서 공진 주파수를 완벽하게 제공 마이크로파의 주파수와 일치한다. 인해 플라즈마의 유전율은 플라즈마 점화 후의 공진 주파수 이동하기 때문에, 전자는 더 이상 동축 공진기에 침투 할 수 없다. 플라즈마의 연속 동작을위한 낮은 품질과 넓은 공진 곡선 원통형 공진기가 필요하다.

동축 공진기의 금속 노즐을 통해 추가적인 축 가스 공급이 가능하다. 플라즈마를 점화하고, 예를 들면, 마이크로파 튜브 투명 석영 관을 한정된다. 석영 관의 유전율은 공진 주파수에 영향을 미친다. 석영> (1)의 유전율을 갖기 때문에, 원통형 공진기의 부피는 낮은 공진 주파수에 이르게 사실상 대형화. 이 현상은 원통형 공진기의 치수를 설계 할 때 고려되어야한다. 공진 주파수가 삽입 된 석영 관에 의해 영향을받는 방법에 대한 상세한 설명은 길고 연장 된 석영 관이 사용되는 경우,이 또한 대량 처리 용 반응 챔버로서 작용할 수 레퍼런스 23에서 찾을 수있다. 그러나, 표면 처리를위한 플라즈마는 또한 오리피스의 다른 종류가 다르게 형성 될 수있다. 전자 렌지는 마그네트론에서 직사각형 도파관을 통해 공급된다. 낮은 리플 마그네트론의 사용이 권장 합이다 소음 불쾌를 피하려면했다. 영화에서 사용되는 마그네트론은 낮은 리플 하나입니다.

안정적이고 지속적인 작동이 원통형 공진기에 의해 제공되는 동안 플라즈마의 점화 용 고품질 동축 공진기가 사용된다. 고품질 동축 공진기하여 공진기의 공진 주파수를 플라즈마의 점화를 달성하기 완벽 마그네트론 사용에 의해 제공되는 마이크로파의 주파수와 일치한다. 모든 마그네트론 정확히 공칭 주파수에서 그들의 마이크로파 주파수를 방출하지 않기 때문에 주파수와 출력 전력에 의존하므로, 마그네트론은 스펙트럼 분석기로 측정되어야한다. 동축 공진기의 공진 주파수는 상하 금속 노즐을 이동시킴으로써 조절 될 수있다. 이것은 공진 주파수를 측정함으로써, 또한 네트워크 분석기를 사용 마그네트론의 송신 주파수로 조정될 수있다. 노즐의 선단에 높은 전계에 도달하기 위해 필요한 시동플라즈마의, 세 개의 스터브 튜너 부가 필요하다. 이 3- 스터브 튜너는 일반적으로 사용되는 전자 부품이다. 세 개의 스터브 튜너는 마이크로파 플라즈마 토치와 마그네트론 사이에 장착된다. 동축 공진기의 공진 주파수를 조정 한 후, 순방향 전력은 최대화하고, 반사 전력 반복적 세 스터브 튜너 스텁을 조정함으로써 최소화.

마이크로파 플라즈마 토치가 마그네트론에 접속 될 때, 동축 공진기의 공진 주파수뿐만 아니라 최대화 것으로서 세 스터브 튜너를 이용하여 순방향 전력을 조정 한 후, 마이크로파 플라즈마 토치의 플라즈마가 점화 될 수있다. 플라즈마의 점화에 대해 0.3~1 킬로와트의 최소 마이크로파 전력은 충분하다. 플라즈마 점화 동축 공진기. 동축 공진기의 공진 주파수는 플라즈마의 유전율 수 마이크로파로 인해 시프트되는 플라즈마의 점화가 끝난이상 동축 공진기에 침투. 따라서, 그것의 더 확장 된 모드로 원통형 동축 모드로부터 플라즈마 스위치 원통형 공진기의 중심에 금속 노즐 위에 자유롭게 서있는 레코딩. 원통형 모드의 품질이 매우 낮기 때문에, 넓은 공명 곡선을 나타내고 있기 때문에, 마이크로파는 여전히 인해 플라즈마의 유전율에 공진 주파수의 변화에​​도 불구하고 원통형 공진기에 침투 할 수있다. 따라서, 원통형 모드에서 플라즈마의 연속적이고 안정적​​으로 동작 마이크로파 플라즈마 토치가 제공된다. 그러나, 공급되는 마이크로파 전력의 완전한 흡수를 달성하기 위해, 세 개의 스터브 튜너의 스터브는 재조정되어야한다. 그렇지 마이크로파 전력 공급이 완전히 플라즈마에 흡수되지 않고 제공 마이크로파의 일부는 반사되고 백분율 물의 하중에 의해 흡수된다.

동축에서 플라즈마의 점화를 검사모드와 확장 원통 모드로 전환 한 다음 그, 플라즈마 점화는 고속 카메라로 관찰된다.

플라즈마가 공급되는 마이크로파 전력에 의해 점화되는 방법 마그네트론의 주파수 의존성을 측정하는 방법을 보여줄 것이다 제시된 동영상은 동축 공진기의 공진 주파수는 순방향 전력이 최대가되는 방식으로 조정하고있다. 고속 카메라 기록도 도시되어있다.

프로토콜

마그네트론 1. 측정

주 : 마그네트론을 측정하는 실험 장치의 개략도는도 1a에 도시되어있다.

1. 서큘 레이터 10 나사 물 부하로 구성된 절연체에 마그네트론을 연결합니다.
2. (10) 나사 방향성 결합기에 절연체를 연결합니다.
3. (10) 나사 두 번째 물 부하에 방향성 결합기를 연결합니다.
4. 물과 모든 물 부하를 공급한다.
5. 제조사의 프로토콜에 따라 그 보정 기능을 갖는 스펙트럼 분석기를 보정.
6. 스펙트럼 분석기에 20 dB 감쇠기를 연결하여 스펙트럼 분석기에 20 dB 감쇠기를 연결합니다.
   주 : 20dB 감쇠기는 상술 한 W. 너무 높은 전력에서 스펙트럼 분석기를 보호하는 데 사용되는
7. 공동을 밀봉하여 BNC 커넥터가 장착 동축 케이블의 단부에 20dB 감쇠기 구비 스펙트럼 분석기를 연결20 dB 감쇠기에 축 케이블을 연결합니다.
8. 방향성 케이블에 동축 케이블을 연결하여 방향성 결합기에 N 커넥터가 장착 동축 케이블의 단부를 연결한다.
9. 전원과 상기 마이크로파의 방사 스펙트럼을 통해 마그네트론에서 스위치는 스펙트럼 분석기에 표시된다.
10. 필요한 경우, 표시 횡축, 종축 및 스펙트럼 분석기의 설명서에 따라 자신의 해상도를 조정한다.
11. 마이크로파 전력의 의존도의 출력 마이크로파의 주파수를 측정하기 위해, 10 % 단계 5 %의 출력 전력의 최대 10 %에서 마이크로파 전력을 높이고 각 단계에 대한 스펙트럼의 최대 진폭의 주파수를 결정 스펙트럼 분석기에 의해 디스플레이.
    주 : 일반적으로, 최대 출력 전력의 10 % 이하 마그네트론의 주파수 스펙트럼은 매우 넓 여러 피크를 나타내며, 따라서 사용이 불가능하다.

2. 조정공명 주파수

주 : 측정하고, 공진 주파수를 조정하기위한 실험 장치의 개략도는도 2a에 도시되어있다.

1. (제조사의 프로토콜에 따라) S11 동작을위한 교정 키트 네트워크 분석기를 보정.
2. 동축 - 투 - 웨이브 가이드 전환에 동축 케이블을 연결하여 동축 - 투 - 직사각형 파 가이드 전환의 동축 부분에 N-커넥터를 통해 동축 케이블을 연결합니다.
3. (10) 나사 세 스텁 튜너에 동축 - 투 - 직사각형 파 가이드 전환의 직사각형 부분을 연결합니다.
4. (10) 나사를 사용하여 마이크로 웨이브 플라즈마 토치 어셈블리에 세 스텁 튜너를 연결합니다.
5. S11 작업에 대한 네트워크 분석기 메뉴 전환합니다.
6. 네트워크 분석기 메뉴에서 VSWR 모드로 전환하거나 모드를 기록.
7. 반복적으로 측정 freque 마이크로파 플라즈마 토치 어셈블리의 공진 주파수를 조정할상하 노즐을 이동시킴으로써 최대 출력 전력의 60 % - 25 %의 출력 전력에서의 마그네트론 ncy. 도 2b에 도시 된 바와 같이, 마이크로파 플라즈마 토치 조립체의 공진 주파수 S11 파라미터 측정 딥에 의해 주어진다. 권장 주파수 위아래로 노즐을 이동하여이 수영을 조정합니다.
8. 공진 주파수가 조정되는 경우, 잠금 너트와 노즐의 위치가 고정.
9. 상하 스텁을 이동시킴으로써 세 스터브 튜너 세 스텁을 반복적으로 조정함으로써 순방향 마이크로파 전력을 증가시킨다. 마이크로파 플라즈마 토치 조립체에 의해 흡수 마이크로파 전력 S11 파라미터의 딥의 깊이에 의해 주어진다. 따라서, 세 스텁 튜너의 스텁을 조정하여이 수영을 극대화 할 수 있습니다. 일반적으로, 상기 세 개의 스터브를 사용하는 것이 충분하다.

플라즈마 3. 점화

1. 플라즈마는 자외선은 Radia을 방출하기 때문에 자외선 보호 안경을 착용기. 플라즈마 질화 산화물을 생성 이후 로컬 가스 환기 하에서 플라즈마 토치를 작동.
2. 조정 된 동축 공진기 (노즐이 잠겨) 및 물 부하에 접속 서큘 이루어지는 절연체를 구비 마그네트론 조정 세 스터브 튜너 마이크로파 플라즈마 토치 조립체를 연결한다.
3. 마이크로 웨이브 플라즈마 토치에 대한 가스 공급을 연결합니다.
4. 20 SLM 5에 대한 가스 공급을 켭니다.
5. 고용량의 전자 방사선이 눈에 특히 유해한 때문에, 어떤 전자 누출이 없는지 확인합니다.
   1. 이를 위해, 12 %, 10 %의 매우 낮은 전력에서 전자 레인지를 켜고 누출에 대한 전자 미터 모든 전자 연결을 확인하십시오.
   2. 어떤 누출이있는 경우 마이크로파 전력을 증가 또는 마이크로파 플라즈마 토치를 작동하기 전에 완전히 제거.
6. 더 누출이없는 경우 10 %의 낮은 힘으로 시작하는 전자 레인지를 켜고 마이크를 증가rowave 전력 천천히 10 내지 60 초 이내에 플라즈마는 마이크로파 플라즈마 토치의 석영 관에서 점화까지.
7. 플라즈마가 있지만 아마도 방사 전자 레인지에주의 점화시키는 경우 경우주의 깊게 관찰한다. 바람직하게는, 플라즈마 점화의 관찰을 위해 거울을 사용합니다.
8. 더 플라즈마 점화없는 경우, 전자 레인지 전원을 끄고 전자 레인지 전원이 제대로 동축 공진기에 결합하고이를 가열 또는 그들을 해치지 다른 구성 요소에 대한 잘못된되지 않은 경우주의 깊게 확인합니다. 일부 구성 요소가 가열지고 있는지 확인합니다.
   1. 어떤 구성 요소가 가열되는 경우 - 즉, 마이크로파 전력은 잘못이다 - 도파관 밖으로 세 스터브 튜너의 모든 명세서를 이동하고, 단계 2.9에 기재된 바와 같이 플라즈마 토치 조립체 내로 마이크로파 커플 링을 최대화하도록 조정한다. 다음 단계 3.1 다시 시작합니다.
   2. 탄창의 송신 주파수에 플라즈마 토치의 동축 공진기의 공진 주파수를 조절할이상으로 단계 (2)에서 설명한 바와 같이 네트워크 분석기와 최대 출력 전력의 25 % 내지 60 %의 높은 정도로 마이크로파 전력 출력에서​​ netron는 점화를 개선 동축 공진기의 공진 주파수를 조정하기 위해 2 단계에서 기술 된 바와 같이 출력 전력. 다음 단계 3.1 다시 시작합니다.
9. 플라즈마가 플라즈마 토치의 어딘가에 자동 점화 또는 동축 원통형 모드로 전환하지 않는 경우가 원통형 모드에서 연소 될 때까지, 마이크로파 전력 공급 및 가스 유량을 변화.
10. 플라즈마가 원통형 모드 불타는 반복적 공급 마이크로파 전력의 전부가 플라즈마에 의해 흡수되어 반사 마이크로파 전력이 제로가되도록 이들을 상하 운동에 의해 세 개의 스터브 튜너 스텁을 조정한다.
    주 : 마이크로파 다이오드 물 부하 및 제어 유닛의 대응하는 입력에 연결되어있는 경우, 반사 된 마이크로파 전력은 마이크로파 전력 공급 제어 장치에 표시된다.이 작업을 수행하는 방법을 전자 레인지 전원 공급 장치의 사용 설명서에 설명되어 있습니다.
11. 이 1.5㎾ 이상 15 미만 SLM 낮은 가스 유동 높은 마이크로파 전력이 사용되는 경우, 플라즈마가 석영 관의 벽에 닿지 않도록 잘 확인. 석영 관은 어디서나 빛을하지 않아야합니다.
12. 석영 관이 빨간색 경우, 마이크로파 전력을 감소 시키거나 완전히 소멸 할 때까지의 가스 유동을 증가시킨다.
13. 마이크로파 인해 플라즈마의 전도도에 플라즈마에 의해 방출 될 수 있기 때문에, 방사 된 마이크로파 전력이 임계 값보다 마이크로파 m 확인.
14. 방사 된 마이크로파 전력이 임계 값보다 높다면, 메쉬 크기가 사용되는 마이크로파의 파장의 절반보다 훨씬 작은 금속 메쉬 플라즈마를 차폐.

플라즈마 점화 4. 고속 카메라 동영상

주 : 플라즈마 원통형 모드로의 전환이 점화의 범위에 있기 때문에몇 백 밀리 초,이 프로세스는 가장 고속 카메라를 이용하여 조사 할 수있다. 그러나, 고속 카메라를 이용하여 플라즈마를 착화 할 때마다 점화 처리를 관찰 할 필요가 없다.

1. 플라즈마 토치의 전방에 슬릿을보고 진단 마이크로파 플라즈마 토치 앞의 고속 카메라의 렌즈를 놓는다.
2. 카메라 금속 노즐의 선단에 동축 공진기로 포인팅 할 때까지 조정한다.
3. 금속 노즐의 선단에 카메라 초점.
4. 고속 카메라의 1,000 FPS (초당 프레임)로 녹화를 시작합니다.
5. 섹션 3에 기재된 바와 같이 플라즈마를 점화.

5. 안정적이고 지속적인 플라즈마 운전

주 : 플라즈마가 원통형 모드 착화되면 세 스터브 튜너는 안정적이고 CONTIN 플라즈마에 의해 마이크로파 전력의 흡수를 최대화하도록 조정 된플라즈마 토치의 uous 작업이 가능합니다.

1. 치수 조정 - 반경 방향 및 축 방향 연장 - 원하는 치수에 플라즈마를 10 % 최대 출력 파워와 SLM (10)과 (70) 사이의 가스 유동 간의 마이크로파 전력 공급을 변화시킴으로써. 석영 관의 직경에 제한 반경 치수를 유지합니다. 플라즈마는 석영 관 점등되지해야한다는 것을 의미 석영 관의 벽을 만지지해야합니다.
2. 다른 모양에 플라즈마를 형성하기 위해 단지 원통형 공진기의 내부에 플라즈마를 가두는 짧은 석영 관을 사용하여 플라즈마 토치 조립체의 상부에 하나의 오리피스를 배치했다.
3. 필요한 경우, 일부 나사 구멍을 고정합니다.

결과

추가 점화기뿐만 아니라 조정 가능한 공진 주파수를 갖는 고품질 동축 공진기는 마이크로파 플라즈마 토치에 저품질 원통형 공진기와 결합 된 안정적이고 연속적인 플라즈마 조작없이 플라즈마 점화를 제공한다. 이 플라즈마 토치의 회로도는 그림 3에 제시되어있다. 플라즈마는 여기에 전자 레인지 투명 튜브, 석영 관으로 제한됩니다. 볼륨 플라즈마 처리 또는 표면 처리를위한...

토론

제시된 동영상 추가 점화기없이 대기압 마이크로파 플라즈마의 점화는,이 마이크로파 플라즈마 토치, 그 조정, 플라즈마의 점화 처리와 안정적이고 연속 동작의 기본 원리를 실현할 수있는 방법을 설명한다. 서론에서 설명한 바와 같이,이 마이크로 웨이브 플라즈마 토치 이미 여러 종류가 있지만 그 중 어느 것도 추가 점화기뿐만 아니라 지속적이고 안정적​​인 플라즈마 작동하지 않고 플라즈...

자료

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