効率的な高温化学反応のための非平衡マイクロ波プラズマ

注記：回路図バージョンのセットアップについては、 図2を参照してください。 1.マイクロ波プラズマ実験レイアウト 1kWのマグネトロンを、水の負荷が接続されたサーキュレータに接続します。 導波管とプラズマのインピーダンス整合に使用される3スタブチューナにアイソレータを接続します。 アプリケータを3スタブチューナに取り付け、導波管の端にスライドショートを追加します。 アプリケータの穴に17 mmまたは27 mmの内径の石英管を置きます。 注：マイクロ波は、このチューブに入っている流れるCO 2ガスに吸収されます。 石英管をKFフランジとガス注入口に接続して真空設定を完了します。 17 mm石英管にはKF-16を使用し、27 mm石英管にはKF-40を使用してください。接線方向ガス入口を使用して渦流を誘発し、高温プラズマが壁に触れることを防ぎます。 コネク真空ポンプと直列のスロットル弁;これは、ポンピング速度を効果的に調整することによって、5mbarから大気圧への圧力の変化を可能にする。 スロットルバルブと並行して、ショートカットバルブを接続して、スロットルバルブの圧力設定を失うことなく、低圧（プラズマの点火を容易にするために必要）と高圧とを切り替える。 質量流量コントローラをガス入口に接続して、ガス流量を0.5〜10.0 SLMの間で調整できるようにします。 プラズマを開始する前に、マグネトロンの水冷をオンにします。 漂遊マイクロ波放射を監視するための放射計や周囲のCO、H 2、またはNO x濃度を監視するためのガス検出器などの安全システムを有効にしてください。これらの安全システムは実験中に不可欠です。 手動で電源の電源レベルを上げて最大電力になるように電源を入れます。 plを調整するアンガーを前後に軽く動かし、反射パワーが減少しているかどうかを常に監視します。反射電力を最小にすることを目指してください。 3つのスタブチューナーを、反射電力が最小になるまで回して調整します。ネットワークアナライザが使用可能な場合は、Leinz 10の報告に従ってください。 注：真空マイクロ波システムは、 図3Aに見ることができます。 2.レイリー散乱診断の光学レイアウト 532 nmのNd：YAGレーザービームをミラーを使用して、軸方向にセットアップに入るように調整します。レーザーは10Hzの繰り返し率と1パルスあたり600mJの最大出力を持っています。 反応器の反対側（入口および出口）に窓を取り付ける。過剰な迷光を防ぐために、532 nmでコーティングされた反射防止（AR）窓を使用してください。あるいは、外部ビームダンプと組み合わせてBrewsterウィンドウを使用してください。 開始ユーザーマニュアル（ 表の表を参照）に従ってください。 低出力の電源プログラムを使用してレーザーを調整します。光出力が生成されないように、0μsのQスイッチ遅延から始めます。その後、光出力が見えるまで5μsずつ遅延を増加させます。 ビームがあまりにも明るい場合には、ビームスポットが依然として見える最も低いパワー、 すなわち 「適切な」輝度を達成するために、1μsのステップで下降する。 真空システムのレーザービーム出口側に第2のARコーティングされた窓を取り付け、ビームを外部ビームダンプに投棄する。代わりに、窓の代わりに、真空ビームダンプを取り付ける。 図2に、設定の概略図を示します。 注：窓の除去は、検出可能なレイリー散乱信号レベルを達成するために不可欠な、プラズマ放電領域における迷光を低減する。 焦点距離2.4のレンズを置きます入射窓の直前のビーム経路において、レーザを導波路の中心に集束させる。長い焦点距離は、レイリー散乱収集領域における迷光を低減する。可能な限りレンズを窓に近づけて入射電力密度を下げ、窓の損傷閾値以下に留めてください。 注記：ガス、特にレーザー焦点でのレーザー破壊を防止します。レーザーを集束させた後、測定すべき圧力を超える圧力で反応器にCO 2を流す。レーザ破壊が観察されない場合、種密度がはるかに低くなるため、測定が行われるより低い圧力およびより高い温度では発生しない。目に見える青い点滅を伴う大きな音が聞こえる場合は、レーザーの出力を下げてください。 真空管の内部に規則的に間隔をあけたバッフルを設置して、入射窓での散乱によるプラズマ放電領域の迷光レベルをさらに低減する<sup class = "xref"> 11。 レーザービームに対して垂直に光学的にアクセスするための直径24 mmの開口部を備えたプランジャーを準備する。制限された開口サイズは、著しいマイクロ波放射損失を防止する。 3.光設定 – 検出ブランチ反応器に垂直なレンズ（f = 100ミリメートル、51ミリメートルの直径）を配置し、 図3（a）に示すように、プランジャの穴を通って散乱光を集めます。光を400μm径の光ファイバーに集光し、レンズイメージに配置します。 注：ファイバは、入力高さ26.7 mm、長さ40 mの59本の溶融シリカファイバのリニアアレイに配置されています。 光を分光器に導くためにファイバを使用します。 注：ここでは、光は入射スリット上に10μmまで調整可能な幅で画像化される。集光光学系の倍率は、約2の軸方向検出範囲をもたらす0mmである。分光計を使用して、一致するC 2スワン放出を除外する。実験者がレイリー散乱のみに興味がある場合、この目的のために適切なバンドパスフィルタを使用することもできる。その場合、ステップ3.3〜3.6はスキップすることができます。スペクトルフィルタは、測定された光強度をレーザパルスの有無と比較することによって完全に排除することができ、光学設定を大幅に単純化する。モノクロメータが除去されている場合、スペクトル分解が必要なThomsonまたはRaman散乱に測定を拡張することはできません。 散乱光をスペクトル的に分解するために分光計（自社製）を使用してください。 注記： 図2に示すように、分光器は入射スリット、ステアリングミラー、リトローレンズ、分散グレーティング、イメージインテンシファイア、フォーカスレンズ、CCDカメラで構成されています。 分光器の内部で、入射光をリトローレンズに反射するミラーをafocal距離は0.3 m、直径は80 mmです。 注：分光器は「リトロー」構成になっています。つまり、入射光と回折光はグレーティング法線と同じ角度になります。その結果、同じレンズが入射光をコリメートし、回折光を検出器に結像させるために使用される。 回転ステージ上の回折格子を回転させて、適切な波長範囲に調整します。 Nd：YAGレーザの場合、これは典型的には524〜540nmの間である。格子は11×11cm 2であり、一次回折に最適化された1,200mm -1の溝密度を有する 。この結果、0.027nm / pxの分解能が得られる。 図 3Bは格子およびリトローレンズの写真を示す。 注記：グレーティングは高次の結果として複数のスポットを結像します。 1次の最大値のみがイメージインテンシファイアで終わることを確認してください。 2枚のレンズを配置して、CCDカメラで撮影した（ 図 3C ）。 迷光寄与を定量化する。 60ミリバールの圧力までポンプで落とし、散乱強度を測定する。圧力を減らし、再度強度を測定する。圧力をそれ以上下げることができなくなるまでこれを繰り返します。 強度対圧力をプロットするときは、直線関係があることを確認してください。線形関数をゼロ圧力に外挿する。 注：ゼロ圧力でレイリー散乱が起こり得ないので、切片における強度は迷光レベルである。この手順の結果を図4に示します 。 イメージインテンシファイアのゲーティングパラメータを調整して、CCDで記録された強度を最適化します。レーザパルスの前に十分に始まり、レーザパルスの後に十分に終了するゲートパルスから始めて、レーザパルス全体が取り込まれるようにする。 光の時間遅延を考慮に入れる光学装置全体を移動する。強度が低下していないことを確認しながら、遅延を減らします。 注：30 nsの時間ウィンドウが9 nsのパルスに適していることが分かった。ゲインを上げるには、マルチチャンネル・プレートの電圧を最大電圧（ここでは850 V）まで上げます。 CCDカメラが過剰露光されると、より小さなマルチチャンネルプレート電圧を選択することができます。 4.FTIR分光計プラズマの下流にあるガスの排気中にFTIR分光計を置き、CO生成速度を測定する。ガスが化学平衡状態にあることを確実にするために、分光器を反応器から十分に遠くに配置する。記載された構成では、プラズマからの距離は2mであった。 FTIR分光計のサンプルコンパートメントに、真空システムと直列に接続された入口および出口ベローズを備えたセルを入れます。これは図5に概略的に示されている。 セルの両側にCaF 2ウィンドウをマウントするIRビームがガスを探知できるようにする。 信号強度が信号強度が最大にできるだけ近くなるまで信号利得を変更しますが、それを超えないようにしてください。最大許容強度は、デバイスごとに異なる場合があります。 「インターフェログラム」プレビューをクリックします。インターフェログラムが表示され、中央にピークがあり、肩に強度が弱い。 測定を開始する前に、真空（<0.1 mbar）でバックグラウンドを測定してください。これを行うには、リアクターが真空にあり、ガスの流れがないことを確認してください。 「信号レベルモニタ」ウィンドウで「背景」をクリックして背景を記録します。 プラズマが点火するまで、電力を最大に上げてマイクロ波の電源を入れます。プラズマ点火に使用される圧力は約1mbarである。 2,400〜2,000cm -1の範囲のスペクトルを記録する。これは、COおよび主CO 2バンドを含む。 ノイズを低減するためにスペクトルを平均化する。値100;平均値をこの実験で使用した。 HITRANデータベース12を使用して、測定されたCOラインを適合させる。 注：これは、CO体積分率をもたらす。圧力を測定し、総数密度を求めるための入力パラメータとして使用する。温度は室温と仮定され、これはスペクトルにおける振動ピークの分布によって正当化される。 インサイチュースペクトルを測定するには 、 図6 および 図 7に示すように、リアクタをサンプルコンパートメント内に置きます。 石英管の代わりにサファイアに切り替え、放射状の測定を可能にする。サファイアはIR光を1,800cm -1まで透過させます。 原位置測定では、プラズマの変動を平均化するために平均100以上の高い平均値を使用します。 浮遊マイクロ波放射を減少させるために、マイクロ波吸収材料で区画壁を飾る（ Eccosorb OCFをここで使用した）。 インターフェログラムがプラズマによる追加の赤外放射の結果として飽和しないように注意してください。このような場合は、検出器のDCオフセットを変更してください。サファイア13の温度依存性の吸収のために得られたスペクトルを修正します。 赤外線カメラを使用して温度を測定する場合は、サファイアが透明でない、 すなわち 6μm以上の範囲で感度が高く、プラズマではなく管の温度が測定されるカメラを使用します。 注記：温度の関数としてのサファイアの吸収の推奨値は、 14で見つけることができます。