DE10144466A1

DE10144466A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmas in elektromagnetischen Feldern durch elektrodenloses Zünden

Info

Publication number: DE10144466A1
Application number: DE2001144466
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-09-10
Filing date: 2001-09-10
Publication date: 2003-03-27

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum elektrodenlosen Zünden und Aufbau eines Plasmas in elektromagnetischen Feldern. DOLLAR A Die Zündung und der Aufbau des Plasmas erfolgt durch eine örtlich begrenzte elektrische Feldstärkeüberhöhung im freien Raum in der Weise, dass aus einem elektromagnetischen Feld eine Aufteilung in gerichtete Teilfelder erfolgt und diese wieder so zusammengeführt werden, dass sie sich in einem eng begrenzten Bereich begegnen und durchdringen und somit einen engen Bereich ausreichend hoher elektrischer Feldstärke bilden. DOLLAR A Eine Vorrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens ist in Fig. 1 dargestellt.

Description

Bekannt ist das Erzeugen von Plasmen in elektromagnetischen Feldern mittels Zündhilfen als feldstärkesteuerndes Element.

Diese Zündhilfen erzeugen in der Regel einen Lichtbogen zwischen zwei Elektroden.

Nachteilig an diesen Zündhilfen ist, dass die elektrische Feldstärke an den Elektroden am höchsten ist und der Lichtbogen mindestens von einer Elektrode ausgeht und somit zu einer Erosion und Verringerung der Standzeit der Elektroden führt.

Nachteilig ist auch, dass die Erosion an der Elektrode zu Verunreinigungen des Plasmas führt.

Aufgabe der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Zünden und den Aufbau eines Plasma in elektromagnetischen Feldern in der Weise anzugeben, dass die für die Zündung und den Aufbau eines Plasmas erforderliche örtlich begrenzte elektrische Feldstärkeüberhöhung im freien Raum erfolgt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Gelöst wird diese Aufgabe durch das in Anspruch 1 angegebene Verfahren, bei dem

1. ein eng begrenzter Bereich ausreichend hoher elektrischer Feldstärke im freien Raum zum Zweck des Zündens und des Aufbaus eines Plasmas in folgender Weise erzeugt wird:
- a) aus einem elektromagnetischen Feld erfolgt eine Aufteilung in mindestens drei sich gerichtet ausbreitende Teilfelder und deren anschließende Zusammenführung in der Art, dass sich die Teilfelder so gegenüberstehen, dass sie sich im freien Raum in einem eng begrenzten Bereich begegnen und durchdringen
- b) in diesem eng begrenzten Bereich im freien Raum in dem sich die Teilfelder begegnen und durchdringen ist die elektrische Feldstärke ausreichend hoch zu gestalten (z. B. durch Einspeisung ausreichend hoher Energie und Schaffung resonanter Bedingungen), um entsprechend den vorhandenen Umgebungsbedingungen, wie Druck und Gaszusammensetzung die Zündung und den Aufbau eines Plasmas zu veranlassen.
2. Die Zündung und der Aufbau eines Plasmas innerhalb oder außerhalb einer elektromagnetische Weilen begrenzenden Struktur erfolgt.
3. Die Zündung und der Aufbau eines Plasmas innerhalb und außerhalb einer elektromagnetische Wellen begrenzenden Struktur erfolgt.
4. Die Zündung und der Aufbau eines Plasmas im Niederdruck oder Normal- bzw. Hochdruck erfolgt.
5. Die Zusammensetzung der für die Plasmabildung eingesetzten Atmosphäre der beabsichtigten Wirkung des Plasmas angepasst ist.
6. Der Aufbau der elektromagnetischen Felder im cw-Verfahren oder moduliert erfolgt.
7. Die Zündung und der Aufbau des Plasmas in unterschiedlichen elektromagnetischen Feldern erfolgt.

In das auf die beschriebene Art erzeugte Plasma können zur Behandlung Stoffe (in fester, gasförmiger oder flüssiger Form) und Gegenstände ein- und ausgeführt werden.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist im Anspruch 8 angegeben.

Beispiele

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert.
Es zeigt Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer Vorrichtung für elektrodenloses Erzeugen eines Plasmas im freien Raum innerhalb einer elektromagnetische Wellen begrenzenden Struktur.
Die Vorrichtung besteht aus einem Generator 1 (z. B. 2,45 GHz) und einer Einspeisevorrichtung 2 zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes innerhalb einer elektromagnetische Wellen begrenzenden Struktur 3. Einem elektrischen Leiter als feldstärkesteuerndes Zündelement 4, welches einem elektromagnetischem Feld ausgesetzt ist und an wenigstens einer Seite in mindestens drei Teilelemente 4a aufgegliedert ist. Die Länge A der Teilelemente 4a ist in Abhängigkeit der verwendeten Frequenz so zu wählen, dass eine resonante Beziehung zwischen den Teilelementen 4a entsteht. Entsprechend ist die Länge B zur Herstellung einer Resonanz zu dimensionieren.
Die Enden der Teilelemente 4a sind nach innen gekrümmt, so dass sich die Enden als Krone gegenüberstehen und eine Feldkonzentration im Zündbereich 6 im freien Raum vor den Enden der Teilelemente 4a entsteht. Das feldstärkesteuernde Zündelement 4 ist mit einer Durchgangsöffnung 5 versehen, um direkt in den Zündbereich 6 des Plasmas 7 eine Stoffzuführung 8 von gasförmigen, flüssigen oder festen Zusatzstoffen zu ermöglichen. Das feldstärkesteuernde Zündelement 4 kann stationär angeordnet sein, aber auch innerhalb oder aus der elektromagnetische Wellen begrenzenden Struktur 3 bewegt werden.
Die Zuführeinrichtung für Stoffe 9 in den Behandlungsbereich kann z. B. zur Zuführung von Arbeitsgasen oder sonstigen Stoffen genutzt werden.
Die Abführeinrichtung für Stoffe aus dem Behandlungsbereich 10 kann z. B. zur Abführung von schädlichen Stoffen oder zur Erzeugung einer Gasströmung sowie zur Erzeugung eines Unterdruckes genutzt werden.
Weitere Ausführungen, die nicht im Ausführungsbeispiel dargestellt sind, ist die Gestaltung des feldstärkesteuernden Zündelementes direkt aus einer elektromagnetische Wellen leitenden Struktur heraus, wie z. B. einer koaxialen Anordnung, einer Hohlleiteranordnung oder anderen Wellenleitern. Die Ausführung des feldstärkesteuernden Zündelementes kann auch so erfolgen, dass eine eng begrenzte richtungsgebundene Ausbreitung der elektromagnetischen Teilfelder in der Weise erfolgt, dass sich diese Felder innerhalb der ersten Wellenlänge(n) begegnen und durchdringen und somit kurz vor den Enden der Teilelemente den Zündbereich für die Plasmabildung aufbauen. Das feldstärkesteuernde Zündelement kann auch direkt mit einer elektromagnetische Wellen begrenzenden Struktur leitend verbunden sein. Das feldstärkesteuernde Zündelement kann auch so angeordnet werden, dass eine Zündung des Plasmas in einem elektromagnetischem Feld erfolgt und ein weiteres elektromagnetisches bzw. elektrisches Feld den Aufbau des Plasmas bewirkt. Der Aufbau des Plasmas kann innerhalb oder außerhalb einer elektromagnetische Wellen begrenzenden Struktur erfolgen.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht insbesondere darin, dass ein Bereich ausreichend hoher Feldstärke außerhalb von Elektroden im freien Raum erzeugt wird und somit eine Zündung und der Aufbau eines Plasmas losgelöst von Elektroden erfolgt. Dadurch ist eine Plasmaerosion der Zündvorrichtung weitestgehend ausgeschlossen und eine erhebliche Standzeitverlängerung der Zündvorrichtung gegeben. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die zur Feldstärkeerhöhung notwendige Energie direkt aus dem das Plasma speisenden elektromagnetischen Feld entnommen werden kann oder separat über eine weitere Quelle dem feldstärkesteuernden Element zugeführt wird.
Vorteilhaft ist auch die Einsatzfähigkeit des Verfahrens sowohl im Niederdruck- als auch im Hochdruckbereich, sowie dessen Zündsicherheit besonders im Hochdruckbereich. 1 Generator
2 Einspeisevorrichtung
3 elektromagnetische Weiten begrenzende Struktur
4 feldstärkesteuerndes Zündelement
4a Teilelement
5 Durchgangsöffnung
6 Zündbereich
7 Plasma
8 Stoffzuführung direkt in den Zündbereich 6
9 Stoffzuführung in den Behandlungsbereich
10 Stoffabführung aus dem Behandlungsbereich
A Länge Teilelement 4a
B Länge feldstärkesteuerndes Zündelement 4

Claims

1. Verfahren zum Erzeugen eines Plasmas mittels elektromagnetischer Felder, dadurch gekennzeichnet, dass

a) aus einem elektromagnetischen Feld eine Aufteilung in mindestens drei sich gerichtet ausbreitende Teilfelder und deren anschließende Zusammenführung in der Art erfolgt, dass sich diese Teilfelder so gegenüberstehen, dass sie sich im freien Raum in einem eng begrenzten Bereich begegnen und durchdringen,

b) sie in dem Bereich im freien Raum in dem sie sich begegnen und durchdringen, einen begrenzten Bereich erhöhter Feldstärke bilden und diese Feldstärke ausreichend hoch ist, um entsprechend den vorhandenen Umgebungsbedingungen, wie Druck und Gaszusammensetzung die Zündung und den Aufbau eines Plasmas zu veranlassen

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung eines Plasmas außerhalb oder innerhalb einer elektromagnetische Wellen begrenzenden Struktur erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung eines Plasmas außerhalb und innerhalb einer elektromagnetische Wellen begrenzenden Struktur erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung eines Plasmas im Niederdruck oder Hochdruck durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung der für die Plasmabildung eingesetzten Atmosphäre der beabsichtigten Wirkung des Plasmas angepasst ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufbau der elektromagnetischen Felder im cw-Verfahren oder moduliert erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündung und der Aufbau des Plasmas in unterschiedlichen elektromagnetischen Feldern erfolgt.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus,

a) einem Generator 1 und einer Einspeisevorrichtung 2 zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes in einer elektromagnetische Wellen begrenzenden Struktur 3

b) einem elektrischen Leiter als feldstärkesteuerndes Zündelement 4, welches einem elektromagnetischem Feld ausgesetzt wird und an wenigstens einer Seite in mindestens drei Teilelemente 4a derart aufgegliedert wird, dass eine resonante Länge A zwischen den Teilelementen 4a entsprechend der verwendeten Frequenz entsteht,

c) Diese Teilelemente 4a an den Enden sich so gegenüberstehen, dass eine Feldstärkekonzentration im Zündbereich 6 im freien Raum vor den Enden der Teilelemente 4a entsteht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden der Teilelemente 4a nach innen gekrümmt sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das gesamte feldstärkesteuernde Zündelement 4 in resonanter Länge 8 ausgeführt ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilelemente 4a als Krone angeordnet sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das feldstärkesteuernde Zündelement 4 bewegt wird.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das feldstärkesteuernde Zündelement 4 mit einer Durchgangsöffnung 5 versehen ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilelemente des feldstärkesteuernden Zündelementes direkt aus einer elektromagnetische Wellen leitenden Struktur gebildet werden.