Как Зажечь атмосферном давлении микроволновой плазменной горелки без каких-либо дополнительных воспламенителей

Резюме

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.

Аннотация

Этот фильм показывает, как плазма атмосферного давления давление факел может воспламениться от мощности СВЧ без каких-либо дополнительных воспламенителей. После зажигания плазмы, стабильной и непрерывной работы плазме можно и плазменная горелка может быть использована для различных приложений. С одной стороны, горячая (3600 К Температура газа) в плазме могут быть использованы для химических процессов, а с другой стороны холодной послесвечения (температура почти до комнатной температуры) может применяться для поверхностных процессов. Например химический синтез интересные процессы регулировки громкости. Здесь микроволновой плазменной горелки могут быть использованы для разложения отходящих газов, которые вредны и способствуют глобальному потеплению, но которые необходимы как травление газов в растущей отрасли промышленности, как в полупроводниковой отрасли. Другое применение диссоциации СО _2. Избыток электрической энергии из возобновляемых источников энергии может быть использован для диссоциации СО ₂ в СО и О _2. СО может быть дополнительно Processed газообразных или жидких высших углеводородов, тем самым обеспечивая химическую хранения энергии, синтетических топлив или химических платформы для химической промышленности. Применение послесвечения плазменной горелки являются обработка поверхностей для увеличения адгезии лака, клея или краски, а также стерилизация или обеззараживание различного рода поверхностей. Фильм будет объяснить, как разжечь плазмы исключительно СВЧ мощности без каких-либо дополнительных воспламенителей, например, электрических искр. СВЧ-плазмотрон на основе комбинации двух резонаторов - коаксиального один, который обеспечивает зажигание плазмы и цилиндрической один, который гарантирует непрерывный и стабильную работу в плазме после зажигания. Плазма может работать в течение длительного микроволновой прозрачной трубки для процессов объем или форму с отверстиями для целей обработки поверхности.

Введение

Атмосферные микроволновые давление плазмотроны предлагают различные приложения. С одной стороны, они могут быть использованы в процессах химической объема, а с другой стороны, их послесвечения плазмы могут быть применены для лечения поверхностей. Как обработка поверхности обрабатывает обработке для повышения адгезии клея, краски или лака или дезактивации или стерилизации поверхностей назвать нельзя. Сама горячая и реактивной плазмы могут быть использованы для объемных процессов, таких как разложение отработанных газов ^1-7. Эти отходящие газы вредны, способствуют глобальному потеплению и вряд ли может быть снижено условно. Тем не менее, они необходимы в растущих промышленных секторов, таких как полупроводникового отрасли. Другие приложения химического синтеза, например диссоциации СО ₂ в СО и O ₂ или CH ₄ в углерод и ^8,9 водорода. Избыток электрической энергии из возобновляемых источников энергии может быть использован для диссоциации СО _{2 в СО и O 2. СО может быть обработан далее высших углеводородов, которые могут быть использованы в качестве синтетического топлива для транспортировки, а платформы химических веществ для химической промышленности или в качестве химического хранения.}

Есть некоторые плазмотроны СВЧ, но большинство из них имеют свои недостатки: они только имеют очень небольшие объемы плазмы, нужны дополнительные воспламенители, нужно охлаждение плазменного реактора или может работать только в импульсном режиме ^10-18. СВЧ-плазмотрон представлены в этом фильме предлагает зажигание плазмы исключительно с указанной мощности СВЧ без каких-либо дополнительных воспламенителей, а также стабильной и непрерывной работы без охлаждения реактора плазмы в широком диапазоне рабочих параметров и может быть использован для всех указанных выше применений. СВЧ-плазмотрон на основе комбинации двух резонаторов: коаксиального один и цилиндрической. Цилиндрический резонатор имеет низкое качество и осуществляющей свою деятельностьред в известной Е ₀₁₀ -mode с самым высоким электрическим полем в центре. Коаксиальный резонатор находится ниже цилиндрического резонатора и состоит из подвижной металлической насадкой в ​​сочетании с тангенциальной подачи газа. Высокое качество коаксиального резонатора имеет очень узкий, но глубокий резонансной кривой. Благодаря высокому качеству коаксиального резонатора высокое электрическое поле может быть достигнуто, которая требуется для зажигания плазмы. Тем не менее, высокое качество коаксиального резонатора связано с очень узкой резонансной кривой и, следовательно, резонансная частота должна идеально соответствовать частоту подаваемой микроволновой печью. Поскольку резонансная частота смены после зажигания плазмы за счет диэлектрической проницаемости плазмы, СВЧ больше не может проникнуть в коаксиального резонатора. Для непрерывной работы в плазме цилиндрический резонатор с низким качеством и широкой резонансной кривой необходимо.

Дополнительный блок осевого газа с помощью металлической насадки коаксиального резонатора возможно. Плазма воспламеняется и заключен в микроволновой прозрачный трубки, например в кварцевую трубку. Диэлектрическая проницаемость кварцевой трубки также влияет на резонансную частоту. Поскольку кварц имеет диэлектрическую проницаемость> 1, объем цилиндрического резонатора практически увеличенном что приводит к более низкой резонансной частоте. Это явление следует рассматривать, когда размеры цилиндрического резонатора разработаны. Подробное обсуждение о том, как резонансная частота зависит от вставленной кварцевую трубку можно найти в ссылке 23. Если используется длинный и расширенный кварцевую трубку, это может также выступать в качестве реакционной камеры для процессов объема. Тем не менее, для обработки поверхности плазмы также может иметь другую форму путем различного рода отверстий. Микроволновая подается через прямоугольный волновод с магнетроном. Чтобы избежать шумового воздействия Применение низкой пульсации магнетрона рекомзакончилась. Магнетрон, используемый в фильме низкая пульсация один.

Для зажигания плазмы высокого качества Коаксиальный резонатор используется во время стабильной и непрерывной работы обеспечивается цилиндрического резонатора. Для достижения зажигание плазмы высокое качество коаксиального резонатора на резонансную частоту этого резонатора должен идеально соответствовать частоты микроволны, представленной используемого магнетрона. Так как все магнетроны не выделяют их микроволновую частоту в одно и то номинальной частоты и так как частота зависит от выходной мощности, магнетрон должен быть измерен с помощью анализатора спектра. Резонансная частота коаксиального резонатора можно регулировать путем перемещения металлического сопла вверх и вниз. Это резонансная частота может быть измерена и тем самым регулировать в передающей частоты, используемой магнетрона с помощью сетевого анализатора. Чтобы достичь высокой электрическое поле на кончике сопла, необходимое для зажиганияплазмы, три заглушки тюнера необходимо дополнительно. Это три заглушки тюнер обычно используется СВЧ компонент. Три заглушки тюнер устанавливается между горелкой и микроволнового плазменного магнетрона. После резонансная частота коаксиального резонатора регулируют, вперед сила максимальна, и отраженная мощность сведена к минимуму путем итеративного регулировани заглушки в три заглушки тюнера.

После настройки резонансной частоты коаксиального резонатора, а также то, разворачивания вперед полномочия с помощью трех заглушки тюнер, плазменная СВЧ плазмотрона может воспламениться при Микроволновая плазменная горелка подключена к магнетрона. Для зажигания плазмы минимальная мощность микроволн примерно от 0,3 до 1 кВт достаточно. Плазма воспламеняется в коаксиального резонатора. После зажигания плазмы резонансная частота коаксиального резонатора сдвигается из-за диэлектрической проницаемости плазмы и микроволновой печью может небольше проникает в коаксиальный резонатор. Таким образом, в плазме переключается из коаксиального режима в его гораздо более расширенном режиме цилиндрической сжигания свободно нависает над металлическим соплом в центре цилиндрического резонатора. Поскольку качество режиме цилиндрической очень низка и, следовательно, обладает широкой резонансной кривой, микроволновая все еще может проникать в цилиндрического резонатора, несмотря на сдвиг резонансной частоты за счет диэлектрической проницаемости плазмы. Таким образом, непрерывное и стабильное функционирование плазмы в режиме цилиндрической обеспечивается микроволновой плазменной горелки. Однако, чтобы достичь полного поглощения прилагаемого микроволновой власти, огарки трех заглушки тюнера должны быть скорректированы. В противном случае подается СВЧ-мощность, не полностью поглощается в плазме, но некоторый процент предоставленной микроволновой печи отражается и поглощается водной нагрузки.

Чтобы проверить зажигание плазмы в коаксиальнойРежим, а затем ее переход в режим расширенного цилиндрического плазма зажигания наблюдается с помощью высокоскоростной камеры.

Представлены фильмы покажут, как частотная зависимость магнетрона измеряется, резонансная частота коаксиального резонатора регулируется, как прямой мощности максимальна, а как плазма зажигается в комплект поставки мощности СВЧ. Высокая скорость записи камеры показан также.

протокол

1. Измерение магнетронного

Примечание: схема экспериментальной установки для измерения магнетрона показана на рисунке 1А.

1. Подключите магнетрон к изолятору, состоящей из циркуляционного насоса и водной нагрузки с 10 винтами.
2. Подключите изолятор для направленного ответвителя с 10 винтами.
3. Подключите направленный ответвитель на второй водной нагрузки с 10 винтами.
4. Поставка всех нагрузок воды с водой.
5. Калибровка анализатора спектра с его функцией калибровки в соответствии с протоколом производителя.
6. Подключите дБ аттенюатор 20 на анализаторе спектра, подключив дБ аттенюатор 20 на анализатор спектра.
   Примечание: дБ аттенюатор 20 используется для защиты анализатора спектра из-за слишком высоких степеней выше 1 Вт
7. Подключите 20 дБ аттенюатора оборудованная анализатор спектра до конца коаксиального кабеля, оснащенного разъемом BNC, подключив сотрудничествакоаксиальный кабель в дБ аттенюатор 20.
8. Подключите конец коаксиального кабеля, оснащенного разъемом N для направленного ответвителя, подключив коаксиальный кабель к направленной кабеля.
9. Включите магнетрона через блок питания и спектра излучаемого микроволновой печью отображается на анализаторе спектра.
10. Если необходимо, отрегулируйте отображаемое абсцисс, ординат и их разрешение в соответствии с инструкцией анализатора спектра.
11. Для измерения частоты выходного СВЧ в зависимости от мощности СВЧ, увеличивают мощность микроволн от 10% до максимума выходной мощности в 5% до 10%, и шаги для каждого шага определить частоту максимальной амплитуды спектра отображается с помощью анализатора спектра.
    Примечание: Как правило, спектр частот магнетрона ниже 10% от максимальной выходной мощности очень широк, имеет много различных пиков и, следовательно, не могут быть использованы.

2. РегулировкаРезонансная частота

Примечание: схема экспериментальной установки для измерения и регулировки резонансной частоты изображена на рисунке 2А.

1. Калибровка анализатора сети с калибровочного набора для работы S11 (в соответствии с протоколом производителя).
2. Подключите коаксиальный кабель через N-разъем к коаксиальному части коаксиального к прямоугольной волны направляющей перехода путем подключения коаксиального кабеля к волновод-перехода коаксиальный к действию.
3. Подключите прямоугольную часть направляющего перехода коаксиального к прямоугольной волны на три заглушки тюнера 10 винтов.
4. Подключите три заглушки тюнер для СВЧ плазмы сборки горелки с 10 винтами.
5. В меню сетевых анализатор переключается на режим S11.
6. В меню Network Analyzer переключиться в режим КСВ или режим журнала.
7. Итеративно настроить резонансную частоту микроволнового плазменного сборки горелки к измеренной frequeNCY магнетрона при выходной мощности 25% - 60% от максимальной выходной мощности путем перемещения сопла вверх и вниз. Резонансная частота микроволнового плазменного факела сборки задается провала измерения параметров S11, как показано на фиг.2В. Отрегулируйте этот провал, перемещая насадку вверх и вниз с рекомендуемой частотой.
8. При резонансная частота регулируется, зафиксировать положение сопла с фиксирующей гайкой.
9. Увеличение вперед СВЧ мощности многократно, регулируя три заглушки на три заглушки тюнера перемещением заглушки вверх и вниз. СВЧ-мощность, потребляемая в микроволновой плазменной горелки в сборе задается глубины провала параметра S11. Таким образом, максимизировать этот провал, регулируя заглушки из трех заглушки тюнера. Как правило, достаточно, чтобы два из трех шлейфов используются.

3. зажигания плазмы

1. Носите защиту от УФ очки с плазменным, излучает УФ Radiaния. Используйте плазменный факел под газовой вентиляции местного, так как плазма производит оксиды нитрида.
2. Подключите СВЧ плазмы в сборе горелки в соответствии с заданной коаксиального резонатора (сопло заблокирована) и скорректированной три заглушки тюнера магнетрона, оснащенного изолятора, состоящей из циркуляционного насоса, подключенного к водной нагрузки.
3. Подключите подачу газа в микроволновой плазменной горелки.
4. Включите подачу газа от 5 до 20 ПОМ.
5. Так СВЧ-излучение в больших дозах вреден, особенно для глаз, убедитесь, что нет никаких микроволновых утечки.
   1. Чтобы сделать это, включите микроволновой печи при очень малой мощности 10% до 12%, а проверить все микроволновые соединения с микроволновой печью метр за утечек.
   2. Если есть какие-либо утечки полностью удалить их, прежде чем увеличивать мощность микроволн или эксплуатации микроволновой плазменной горелки.
6. Если нет утечки включите микроволновой печью, начиная с малых мощностях 10% и увеличить микрофонrowave питания медленно в течение от 10 до 60 сек, пока плазма не воспламеняется в кварцевой трубке СВЧ плазмотрона.
7. Тщательно соблюдайте если и где плазма зажигает, но будьте осторожны, возможно, с излучаемых микроволн. Предпочтительно использовать зеркало для наблюдения за поджига.
8. Если плазмы не воспламеняется, выключите мощность микроволн и тщательно проверить, если мощность микроволн правильно подключён в коаксиального резонатора, а не заблуждение других компонентов нагревая их до или даже вредить им. Проверьте, если некоторые компоненты становятся нагревается.
   1. Если какой-либо компонент нагревается до - то есть, мощность микроволн заблуждение - переместить все заглушки из трех заглушки тюнера из волновода и скорректировать их, чтобы максимизировать микроволновой связи в плазменную сборки горелки, как описано в шаге 2.9. Тогда начните снова с шага 3.1.
   2. Регулировка резонансную частоту коаксиального резонатора плазмотрона с передающей частоты MAGNetron на высоком достаточно микроволновая мощностью от 25% до 60% от максимальной выходной мощности с сетевым анализатором, как описано в шаге 2. Чтобы улучшить зажигание, регулировать резонансную частоту коаксиального резонатора, как описано в стадии 2, чтобы больше выходная мощность. Тогда начните снова с шага 3.1.
9. Если плазма зажигается где-то в плазменной горелки и не будет автоматически переключаться к коаксиальному или цилиндрической режиме, изменять потока подаваемого мощности микроволн и газа до тех пор, пока горит в режиме цилиндрической.
10. Когда плазма горит в цилиндрической режиме, многократно корректировать заглушки из трех заглушки тюнера, перемещая их вверх и вниз, так что все входящего в комплект поставки СВЧ мощности поглощается плазмой и отражение СВЧ мощности становится равным нулю.
    Примечание: Если микроволновая диода соединен с водной нагрузкой и с соответствующим входом блока управления, отражение СВЧ мощности отображается на блоке управления СВЧ-источника питания.Как это сделать, описано в руководстве по эксплуатации микроволновой питания.
11. Когда более высокие мощности излучения мощностью 1,5 кВт и более и низкой газовых потоков менее 15 SLM используются, тщательно проверить, плазма не касаться стенок кварцевой трубки. Кварцевая трубка не должна светиться в любом месте.
12. Если кварцевая трубка светится красным, уменьшите мощность микроволн или увеличить расход газа до тех пор, пока полностью исчезает.
13. С микроволны могут излучаться плазмы за счет проводимости плазмы, проверьте с микроволновой печью метр, что излучаемая мощность микроволн ниже порогового значения.
14. Если излучаемой мощности СВЧ выше порога, защитить плазму с металлической сеткой, где размер ячеек много меньше половины используемой длины волны микроволнового.

4. Высокоскоростной кинокамерой плазменного воспламенения

Примечание: С зажигания плазмы и ее перехода в цилиндрической режиме находится в диапазоненесколько сотен миллисекунд, этот процесс может быть наилучшим образом изучены с помощью высокоскоростной камеры. Тем не менее, это не является необходимым, чтобы наблюдать за процессом зажигания посредством высокоскоростной камеры каждый раз, когда плазма зажигается.

1. Поместите линзу высокой скорости камеры в передней части микроволновой плазменной горелки, глядя через диагностический щели в передней части плазменного факела.
2. Регулировка пока камера не указывает в коаксиального резонатора на кончике металлической насадки.
3. Фокус камеры на кончике металлической насадки.
4. Начните запись с 1000 FPS (кадров в секунду) высокоскоростной камеры.
5. Ignite плазму, как описано в разделе 3.

5. стабильное и бесперебойное плазменным Операция

Примечание: При плазма зажжена в режиме цилиндрической и три заглушки тюнер была скорректирована, чтобы максимально поглощение СВЧ мощности плазмой стабильной и CONTINрывном режиме плазменной горелки возможно.

1. Установите размеры - радиальное и осевое удлинение - плазмы до нужного размера достигается изменением поступающего СВЧ-мощности между 10% и максимальной выходной мощности и потока газа между 10 и 70 ПОМ. Хранить радиальный размер ограничивается диаметра кварцевой трубке. Плазма не должна касаться стенки кварцевой трубки, которая означает, что кварцевая трубка не должна светиться.
2. Для формирования плазмы в различных формах, использовать короткую кварцевую трубку, которая только ограничивает плазму внутри цилиндрического резонатора и поместить одно отверстие в верхней части сборки плазменной горелки.
3. Если необходимо, закрепите отверстия с некоторыми винтами.

Результаты

Чтобы обеспечить зажигание плазмы без каких-либо дополнительных воспламенителей, а также стабильной и непрерывной работы плазменной высокого качества коаксиальный резонатор с регулируемым резонансной частоты была в сочетании с низким качеством цилиндрического резонатора к мик?...

Обсуждение

Представлены фильмы объясняет, как зажигание атмосферного СВЧ давление плазмы без каких-либо дополнительных воспламенителей могут быть реализованы, основные принципы этой микроволновой плазменной горелки, ее настройки, процесс зажигания плазмы и ее стабильного и непрерывного дейст...

Материалы

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