Как Зажечь атмосферном давлении микроволновой плазменной горелки без каких-либо дополнительных воспламенителей
Summary
This movie shows how an atmospheric plasma torch can be ignited by microwaves with no additional igniters and provides a stable and continuous plasma operation suitable for plenty of applications.
Abstract
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.
Introduction
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 <sub> 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.
Protocol
Representative Results
Discussion
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…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors would like to thank the Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ 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.
Materials
| 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 |
References
- Hong, Y. C., et al. Microwave plasma torch abatement of NF3 and SF6. Phys. Plasma. 13, 033508 (2006).
- Kabouzi, Y., et al. Abatement of perfluorinated compounds using microwave plasmas at atmospheric pressure. J. Appl. Phys. 93 (12), 9483-9496 (2003).
- Kabouzi, Y., Moisan, M. Pulsed Microwave Discharges Sustained at Atmospheric Pressure: Study of Contraction and Filamentation Phenomena. IEEE Transaction on Plasma Science. 33, 292-293 (2005).
- Hong, Y. C., Uhm, H. S. Abatement of CF4 by atmospheric-pressure microwave torch. Phys. Plasma. 10 (8), 3410-3414 (2003).
- Leins, M., et al. Development and Characterisation of a Microwave-heated Atmospheric Plasma Torch. Plasma Process. Polym. 6, 227-232 (2009).
- Alberts, L., Kaiser, M., Leins, M., Reiser, M. über die Möglichkeit des Abbaus von C-haltigen Abgasen mit atmosphärischen Mikrowellen-Plasmen. Proc. UMTK, VDI-Berichte 2040 P3. , 217-221 (2008).
- Leins, M., et al. Entwicklung und Charakterisierung einer Mikrowellen-Plasmaquelle bei Atmosphärendruck für den Abbau von VOC-haltigen Abgasen. Proc. UMTK, VDI-Berichte 2040 P3. , (2008).
- Fridman, A. . Plasma Chemistry. , (2008).
- Azizov, R. I., et al. The nonequilibrium plasma chemical process of decomposition of CO2 in a supersonic SHF discharge. Sov. Phys. Dokl. 28, 567-569 (1983).
- Moisan, M., Zakrzewski, Z., Pantel, R., Leprince, P. A. Waveguide-Based Launcher to Sustain Long Plasma Columns Through the Propagation of an Electromagnetic Surface Wave. IEEE Transaction on Plasma Science. 3, 203-214 (1984).
- Moisan, M., Pelletier, J. . Microwave Excited Plasmas. , (1992).
- Moisan, M., Sauvé, G., Zakrzewski, Z., Hubert, J. An atmospheric pressure waveguide fed microwave plasma torch: the TIA design. Plasma. Sources Sci. Technol. 3, 584-592 (1994).
- Jin, Q., Zhu, C., Borer, M. W., Hieftje, G. M. A microwave plasma torch assembly for atomic emission spectrometry. Spectorchim. Acta Part B. 46, 417-430 (1991).
- Baeva, M., Pott, A., Uhlenbusch, J. Modelling of NOx removal by a pulsed microwave discharge. Plasma Sources Sci. Technol. 11, 135-141 (2002).
- Korzec, D., Werner, F., Winter, R., Engemann, J. Scaling of microwave slot antenna (SLAN): a concept for efficient plasma generation. Plasma Sources Sci. Technol. 5, 216-234 (1996).
- Tendero, C., Tixier, C., Tristant, P., Desmaison, J., Leprince, P. h. Atmospheric pressure plasmas: A review. Spectorchimica Acta Part B. 61, 2-30 (2006).
- Ehlbeck, J., Ohl, A., Maaß, M., Krohmann, U., Neumann, T. Moving atmospheric microwave plasma for surface and volume treatment. Surface and Coatings Technology. 174-175, 493-497 (2003).
- Pipa, A. V., Andrasch, M., Rackow, K., Ehlbeck, J., Weltmann, K. -. D. Observation of microwave volume plasma ignition in ambient air. Plasma Sources Sci. Technol. 21 (3), 035009 (2012).
- Baeva, M., et al. Puls microwave discharge at atmospheric pressure for NOx decomposition. Plasma Sources Sci. Technol. 11, 1-9 (2002).
- Pott, J. . Experimentelle und theoretische Untersuchung gepulster Mikrowellenplasmen zur Abgasreinigung in Gemischen aus Stickstoff, Sauerstoff und Stickstoffmonoxid. , (2002).
- Rackow, K., et al. Microwave-based characterization of an athmospheric pressure microwave-driven plasma source for surface treatment. Plasma Sources Sci. Technol. 20, 1-9 (2011).
- Nowakowska, H., Jasinski, M., Mizeraczyk, J. Electromagnetic field distributions waveguide-based axial-type microwave plasma source. Eur. Phys. J. D. , 1-8 (2009).
- Leins, M., Walker, M., Schulz, A., Schumacher, U., Stroth, U. Spectroscopic Investigation of a Microwave-Generated Atmospheric Pressure Plasma Torch. Contrib. Plasma Phys. 52 (7), 615-628 (1002).
- Leins, M. . Development and Spectroscopic Investigation of a Microwave Plasma Source for the Decomposition of Waste Gases. , (2010).
- Langbein, C. . Entwicklung und Optimierung eines mikrowellenbasierten Atmosphärendruck-Mikroplasmas für lokale Oberflächenbehandlungen. , (2008).
- Kamm, C. . Spektroskopische Untersuchung eines Mikrowellen-Mikroplasma-Brenners. , (2011).
- Weinrauch, I. . Spektroskopische Charakterisierung eines Mikrowellen-Mikroplasmabrenners für die lokale Oberflächenbehandlung. , (2012).
