Como inflamar uma pressão atmosférica Microondas Plasma Torch sem qualquer Ignitores adicionais

Resumo

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.

Resumo

Este filme mostra como uma tocha de plasma pressão atmosférica podem ser inflamados por energia de microondas sem igniters adicionais. Após a ignição do plasma, uma operação estável e contínua do plasma é possível e o maçarico de plasma pode ser utilizado para muitas aplicações diferentes. Por um lado, a quente (temperatura de 3600 K gás) o plasma pode ser utilizado em processos químicos e, por outro lado, a pós-luminescência frio (temperaturas até quase RT) pode ser aplicada aos processos de superfície. Por exemplo sínteses químicas são processos de volume interessantes. Aqui, o maçarico de plasma de microondas pode ser utilizada para a decomposição de gases residuais que são prejudiciais e contribuem para o aquecimento global, mas que são necessários como gravura gases nos sectores em crescimento da indústria como o ramo de semicondutores. Outra aplicação é a dissociação de CO _2. Energia elétrica excedente a partir de fontes renováveis ​​de energia pode ser usada para dissociar CO ₂ para CO e _O2. O CO pode ser ainda mais processed de hidrocarbonetos líquidos ou gasosos mais elevados proporcionando assim o armazenamento de energia química, combustíveis sintéticos ou produtos químicos de plataforma para a indústria química. Aplicações de pós-luminescência do maçarico de plasma são o tratamento de superfícies para aumentar a aderência da laca, de cola ou de tinta, e a esterilização ou desinfecção de diferentes tipos de superfícies. O filme irá explicar como inflamar o plasma unicamente por energia de microondas sem igniters adicionais, por exemplo, faíscas elétricas. O maçarico de plasma de microondas é baseada numa combinação de dois ressonadores - um coaxial que fornece a ignição do plasma e um cilíndrico, que garante um funcionamento contínuo e estável de plasma, após a ignição. O plasma pode ser operado em um tubo transparente de microondas durante muito tempo processos de volume ou em forma de orifícios para fins de tratamento de superfície.

Introdução

Tochas de plasma de microondas pressão atmosférica oferecem uma variedade de diferentes aplicações. Por um lado, eles podem ser usados ​​para os processos químicos de volume e, por outro lado, a sua pós-luminescência de plasma pode ser aplicado para o tratamento de superfícies. Como tratamento de superfície processa o tratamento para aumentar a aderência da cola, tinta ou verniz ou de descontaminação ou de esterilização de superfícies pode ser chamado. O próprio plasma quente e reactivo pode ser utilizado para processos de volume, como a decomposição dos gases residuais ^1-7. Estes gases residuais são prejudiciais, contribuir para o aquecimento global e dificilmente pode ser degradada convencionalmente. No entanto, eles são necessários no crescimento sectores industriais, tais como o ramo de semicondutores. Outras aplicações são a síntese química, como a dissociação de CO ₂ para CO e O ₂ ou CH ₄ a carbono e ^8,9 de hidrogênio. Energia elétrica excedente a partir de fontes renováveis ​​de energia pode ser usada para dissociar CO _{2 em CO e O2. O CO pode ser ainda processado para hidrocarbonetos superiores que podem ser utilizados como combustíveis sintéticos para o transporte, como produtos químicos de plataforma para a indústria química ou como armazenamento de produtos químicos.}

Existem alguns maçaricos de plasma de micro-ondas, mas a maioria deles tem desvantagens: eles só têm volumes muito pequenos de plasma, precisa de escorvas adicionais, necessitam de arrefecimento do reactor de plasma ou só pode ser operado em modo pulsado ^10-18. O maçarico de plasma de microondas, apresentou neste filme oferece uma ignição do plasma apenas com a energia de microondas fornecida sem os dispositivos de ignição adicionais, bem como uma operação estável e contínua, sem qualquer arrefecimento do reactor de plasma para uma larga gama de parâmetros de operação e pode ser utilizada para todas as aplicações acima mencionadas. O maçarico de plasma de microondas é baseada numa combinação de dois ressonadores: um coaxial e um cilíndrico. O ressonador cilíndrico tem uma baixa qualidade e é operated no bem conhecido E ₀₁₀ -mode com o maior campo elétrico em seu centro. O ressonador coaxial situa-se abaixo do ressonador cilíndrica e é constituído por um bocal metálico móvel em combinação com uma fonte de gás tangencial. A elevada qualidade do ressonador coaxial apresenta uma curva de ressonância muito estreita, mas de profundidade. Devido à alta qualidade do ressonador coaxial de um campo eléctrico de alta pode ser atingido, o que é necessário para a ignição do plasma. No entanto, a alta qualidade do ressonador coaxial está associada com uma curva de ressonância muito estreita e, por conseguinte, a frequência de ressonância tem de corresponder perfeitamente a frequência das micro-ondas fornecido. Uma vez que os deslocamentos de frequência de ressonância após a ignição do plasma devido à permissividade do plasma, o forno de microondas não pode penetrar no ressonador coaxial. Para a operação contínua do plasma é necessário o ressonador cilíndrica com uma baixa qualidade e uma curva de ressonância larga.

Uma fonte de gás axial adicional através do bocal metálico do ressonador coaxial é possível. O plasma é inflamado e fechada num tubo de microondas-transparente, por exemplo um tubo de quartzo. A permissividade do tubo de quartzo, também afecta a frequência de ressonância. Uma vez que o quartzo tem uma permissividade de> 1, o volume do ressonador é praticamente cilíndrica alargada que leva a uma menor frequência de ressonância. Este fenómeno tem de ser considerado quando as dimensões do ressonador são desenhados cilíndrica. Uma discussão detalhada sobre a forma como a frequência de ressonância é afectada pelo tubo de quartzo inserido pode ser encontrado na referência 23. Se um tubo de quartzo e de longa estendida é utilizado, este pode também actuar como da câmara de reacção para os processos de volume. No entanto, os tratamentos de superfície para o plasma pode também ter uma forma diferente por diferentes tipos de orifícios. O forno é fornecida através de uma guia de onda rectangular a partir do magnetrão. Para evitar a poluição sonora a utilização de um baixo magnetron ripple é recommterminou. O magnetron que é usado no filme é uma baixa ondulação.

Para a ignição do plasma do ressonador coaxial de alta qualidade é usado enquanto uma operação estável e contínuo é fornecido pelo ressonador cilíndrica. Para conseguir a ignição do plasma pelo ressonador coaxial de alta qualidade a frequência de ressonância do ressonador este tem de corresponder perfeitamente a frequência das micro-ondas do magnetrão é fornecida por usado. Uma vez que todos os magnetrões não emitem a sua frequência de microondas a exactamente a frequência nominal e uma vez que a frequência é dependente da potência de saída, o magnetrão tem de ser medido com um analisador de espectro. A frequência de ressonância do ressonador coaxial pode ser ajustada movendo o bocal metálico cima e para baixo. Esta frequência de ressonância pode ser medida e, portanto, também ajustado para a frequência de envio do magnetrão utilizado com um analisador de rede. Para chegar ao campo eléctrico de alta na ponta do bocal, necessária para a igniçãodo plasma, é necessário um sintonizador três ramal em adição. Este três sintonizador topo é um componente de microondas utilizada. O sintonizador três esboço é montado entre o maçarico de plasma de microondas e o magnetrão. Após a frequência de ressonância do ressonador coaxial é ajustada, o poder para a frente é maximizada e a potência refletida minimizado pela iteratively ajustando os tocos do sintonizador de três stub.

Depois do ajuste da frequência de ressonância do ressonador coaxial, bem como tendo maximizada os poderes para a frente por meio do sintonizador três esboço, o plasma do maçarico de plasma de microondas pode ser inflamada quando o maçarico de plasma de micro-ondas é ligado a um magnetrão. Para a ignição do plasma de um consumo mínimo de energia de microondas de cerca de 0,3 a 1 kW é suficiente. O plasma inflama no ressonador coaxial. Depois da ignição do plasma a frequência de ressonância do ressonador coaxial é deslocada devido à permissividade dieléctrica do plasma e microondas pode nenhumamais penetrar no ressonador coaxial. Assim, os interruptores de plasma de modo coaxial em seu modo cilíndrico muito mais extensas queima livre-situando-se acima do bocal metálico no centro do dispositivo de ressonância cilíndrica. Uma vez que a qualidade do modo cilíndrico é muito baixo e, por conseguinte, apresenta uma curva de ressonância larga, o forno de microondas ainda pode penetrar no ressonador cilíndrica apesar da mudança da frequência de ressonância devido à permissividade dieléctrica do plasma. Assim, um funcionamento contínuo e estável de plasma no modo cilíndrico é fornecido por o maçarico de plasma de microondas. No entanto, para alcançar uma completa absorção da energia de microondas fornecida, os topos do sintonizador três topo tem que ser reajustada. Caso contrário, a energia de microondas fornecida não é completamente absorvida pelo plasma, mas uma percentagem de microondas fornecida é reflectida e absorvida pela carga de água.

Para examinar a ignição do plasma no coaxialo modo e, em seguida, a sua transição para o modo cilíndrico prolongado, a ignição do plasma é observado por uma câmara de alta velocidade.

O filme apresentado irá mostrar como a dependência do magnetrão frequência é medida, a frequência de ressonância do ressonador coaxial é ajustado, como a potência de entrada seja maximizada e a forma como o plasma é inflamado pela energia de microondas fornecida. A gravação da câmera de alta velocidade também é mostrado.

Protocolo

1. Medição da Magnetron

Nota: O esquema da montagem experimental para a medição do magnetrão é representada na Figura 1A.

1. Conecte o magnetron para um isolante que consiste em um circulador e uma carga de água com 10 parafusos.
2. Ligue o isolador de um acoplador direccional com 10 parafusos.
3. Conecte o acoplador direcional para uma segunda carga de água com 10 parafusos.
4. Fornecer todas as cargas de água com água.
5. Calibrar o analisador de espectro com a sua função de calibração de acordo com o protocolo do fabricante.
6. Conecte um dB atenuador 20 para o analisador de espectro, ligando a 20 dB atenuador para o analisador de espectro.
   Nota: A 20 dB atenuador é usado para proteger o analisador de espectro de muito altas potências acima de 1 W.
7. Ligue o atenuador 20 dB equipado analisador de espectro para a extremidade do cabo coaxial equipada com um conector BNC ligando o coaxial do cabo para o atenuador de 20 dB.
8. Ligar a extremidade do cabo coaxial equipada com um conector N para o acoplador direccional, ligando o cabo coaxial ao cabo direccional.
9. Ligar o magnetrão através da fonte de alimentação e o espectro de microondas emitida é exibida no analisador de espectro.
10. Se necessário, ajustar a abscissa exibido, coordenar e sua resolução de acordo com o manual do analisador de espectro.
11. Para medir a frequência das micro-ondas na dependência da saída da potência de microondas, aumentar a potência de micro-ondas de 10% para o máximo de potência de saída de 5% a 10% de passo e para cada passo de determinar a frequência a amplitude máxima do espectro exibida pelo analisador de espectro.
    Nota: Normalmente, o espectro de um magnetrão abaixo de 10% da sua potência máxima de saída de frequência é muito ampla, apresenta muitos picos diferentes e, portanto, não é utilizável.

2. Ajuste dea frequência de ressonância

Nota: O esquema da montagem experimental para medir e ajustar a frequência de ressonância é descrita na Figura 2A.

1. Calibra-se o analisador de rede com o kit de calibração para a operação S11 (de acordo com o protocolo do fabricante).
2. Conecte o cabo coaxial através do N-conector para a parte coaxial de uma transição guia coaxial-to-rectangular-ondas, conectando o cabo coaxial à onda-guide-transição coaxial para.
3. Conecte a parte retangular da transição guia coaxial-to-rectangular-ondas para um sintonizador de três stub com 10 parafusos.
4. Ligue o sintonizador de três stub para o conjunto da tocha de plasma de microondas com 10 parafusos.
5. Na chave de menu analisador de rede para operação S11.
6. No menu de analisador de rede mudar para o modo VSWR ou modo de registrar.
7. Iterativamente ajustar a frequência de ressonância do conjunto de tocha de plasma de microondas para o Freque medidoNCY do magnetrão com uma potência de saída de 25% - 60% da potência máxima de saída, movendo o bocal para cima e para baixo. A frequência de ressonância do conjunto do maçarico de plasma de microondas é dada pela inclinação da medição de parâmetros S11, como representado na Figura 2B. Ajuste este mergulho movendo o bico para cima e para baixo com a freqüência recomendada.
8. Quando a frequência de ressonância é ajustado, bloquear a posição do bocal com a porca de bloqueio.
9. Aumente a potência de microondas para a frente de forma iterativa, ajustando os três tocos do sintonizador três stub movendo o tocos cima e para baixo. A energia de microondas absorvida pela montagem da tocha de plasma de microondas é dada pela profundidade do mergulho do parâmetro S11. Assim, maximizar este mergulho, ajustando os tocos do sintonizador de três stub. Geralmente, é suficiente que dois dos três topos são utilizados.

3. Ignição do Plasma

1. Use óculos de proteção UV desde o plasma emite radia UVção. Operar a tocha plasma sob ventilação de gás local desde o plasma produz óxidos de nitreto.
2. Ligue o conjunto da tocha de plasma de microondas com o ressonador coaxial ajustado (bocal é bloqueado) e ajustado o sintonizador três derivação para o magnetrão equipado com um isolante que consiste de um dispositivo de circulação ligado a uma carga de água.
3. Ligue o fornecimento de gás para a tocha de plasma de microondas.
4. Ligue o fornecimento de gás para 5-20 SLM.
5. Como a radiação de microondas em doses mais elevadas é prejudicial especialmente para os olhos, verifique se existem fugas de microondas.
   1. Para isso, ligue o forno a uma potência muito baixa, de 10% para 12% e verifique todas as conexões de microondas com um medidor de microondas para detectar eventuais fugas.
   2. Se houver quaisquer fugas removê-los completamente antes de aumentar a potência de microondas ou a funcionar a tocha de plasma de microondas.
6. Se existem fugas ligar o microondas começando com baixas potências de 10% e aumentar o micpoder rowave lentamente dentro de 10 a 60 segundos até o plasma inflama no tubo de quartzo da tocha de plasma de micro-ondas.
7. Observar atentamente se e onde o plasma inflama, mas tome cuidado com microondas possivelmente irradiados. De preferência, use um espelho para a observação da ignição plasma.
8. Se nenhum plasma inflama, desligue a energia de microondas e verificar cuidadosamente se a energia de microondas é devidamente associado no ressonador coaxial e não equivocada de outros componentes aquecendo-os para cima ou até mesmo prejudicá-los. Verifique se alguns componentes estão a ficar aquecido.
   1. Se algum componente se aquece up - ou seja, o poder de microondas é equivocada - mover todos os topos do sintonizador três stub fora do guia de ondas e ajustá-los para maximizar o acoplamento de microondas para o conjunto da tocha plasma como descrito no passo 2.9. Em seguida, começar de novo com o passo 3.1.
   2. Ajustar a frequência de ressonância do ressonador coaxial do maçarico de plasma para o envio de frequência do magNetron a uma suficiente alta potência de microondas, de 25% a 60% da potência máxima de saída com o analisador de rede, tal como descrito no passo 2. Para melhorar a ignição, ajustar a frequência de ressonância do ressonador coaxial como descrito no passo 2 para uma maior potência de saída. Em seguida, começar de novo com o passo 3.1.
9. Se o plasma inflama em algum lugar da tocha de plasma e não muda automaticamente para o modo coaxial ou cilíndrico, variar o fluxo de energia de microondas e gás fornecido até que arde no modo cilíndrico.
10. Quando o plasma queima no modo cilíndrico, ajustar iterativamente os talões do sintonizador três topo, movendo-os para cima e para baixo de modo a que toda a energia de microondas fornecida é absorvida pelo plasma e da potência das microondas reflectidas torna-se zero.
    Nota: Se um diodo de micro-ondas é ligado à carga de água e para a entrada correspondente da unidade de controlo, a potência do microondas reflectidas é indicado no aparelho de micro-ondas a potência de alimentação de controle.Como fazer isso é descrito no manual da potência de microondas de abastecimento.
11. Quando os poderes de microondas mais elevados de 1,5 kW ou mais, e os fluxos de gás de baixa de menos de 15 slm são usados, verifique cuidadosamente se o plasma não toca nas paredes do tubo de quartzo. O tubo de quartzo não deve brilhar em qualquer lugar.
12. Se o tubo de quartzo brilha em vermelho, diminuir a potência de microondas ou aumentar o fluxo de gás até que ela desapareça completamente.
13. Uma vez que as microondas podem ser irradiada pelo plasma devido à condutividade do plasma, verificar com um medidor micro-ondas que a energia de microondas irradiada é inferior ao limiar.
14. Se a energia de microondas irradiada é acima do limiar, proteger o plasma com uma malha metálica onde o tamanho da malha é muito menor do que a metade do comprimento de onda de microondas utilizado.

4. de alta velocidade da câmera de filme do Ignition Plasma

Observação: Uma vez que a ignição do plasma e a sua transição para o modo cilíndrico é na gama dealgumas centenas de milissegundos, esse processo pode ser melhor investigados por meio de uma câmera de alta velocidade. No entanto, não é necessário observar o processo de ignição por meio de uma câmara de alta velocidade cada vez que o plasma é inflamado.

1. Coloque a lente da câmara de alta velocidade em frente do maçarico de plasma de microondas que olha através da abertura de diagnóstico na parte da frente do maçarico de plasma.
2. Ajuste até que a câmara está a apontar para o ressonador coaxial na ponta do bocal metálico.
3. Concentre-se a câmera na ponta do bico metálico.
4. Iniciar a gravação com 1000 fps (frames por segundo) com a câmara de alta velocidade.
5. Acenda o plasma como descrito na seção 3.

5. estável e contínuo Operação Plasma

Nota: Quando o plasma foi inflamado no modo cilíndrico e o sintonizador três topo foi ajustado para maximizar a absorção da energia de microondas por um plasma estável e continoperação horia do maçarico de plasma é possível.

1. Ajustar a dimensão - a extensão radial e axial - do plasma para a dimensão desejada através da variação da potência de microondas fornecida entre 10% e a potência de saída máxima e o fluxo de gás entre 10 e 70 sLm. Manter a dimensão radial limitada ao diâmetro do tubo de quartzo. O plasma não deve tocar a parede do tubo de quartzo que significa que o tubo de quartzo não deve brilhar.
2. Para formar o plasma de diferentes formas, utilizar um tubo de quartzo curto que apenas limita o plasma no interior do ressonador cilíndrica e colocar um orifício no topo do conjunto da tocha de plasma.
3. Se necessário, fixar os orifícios com alguns parafusos.

Resultados

Para proporcionar uma ignição de plasma sem quaisquer dispositivos de ignição adicionais assim como uma operação contínua e estável no plasma um ressonador coaxial de alta qualidade com uma frequência de ressonância ajustável foi combinada com uma baixa qualidade do ressonador cilíndrica a uma tocha de plasma de micro-ondas. O esquema desta maçarico de plasma é apresentado na Figura 3. O plasma é confinada num tubo de microondas-transparente, aqui um tubo de quartzo. Este tubo pode ...

Discussão

O filme apresentado explica como uma ignição de um plasma de microondas pressão atmosférica sem igniters adicionais podem ser realizados, os princípios básicos dessa tocha plasma de microondas, a sua regulação, o processo de ignição do plasma e do seu funcionamento estável e contínua. Como descrito na introdução, já existem diferentes tipos de maçaricos de plasma de micro-ondas, mas nenhum deles proporcionar um sistema de ignição do plasma sem quaisquer dispositivos de ignição adicionais assim como a...

Materiais

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