DE102005043278B4

DE102005043278B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen eines sich ausdehnenden, diffusen Mikrowellenplasmas

Info

Publication number: DE102005043278B4
Application number: DE200510043278
Authority: DE
Inventors: Udo Krohmann; Torsten Neumann; Jörg EHLBECK
Original assignee: Leibniz Institut fuer Plasmaforschung und Technologie eV
Current assignee: Leibniz Institut fuer Plasmaforschung und Technologie eV
Priority date: 2005-09-09
Filing date: 2005-09-09
Publication date: 2011-02-03
Anticipated expiration: 2025-09-10
Also published as: DE102005043278A1

Abstract

Vorrichtung zum Zünden und Erzeugen eines sich ausbreitenden, diffusen Mikrowellenplasmas bestehend aus einer resonanten Zündstruktur, einer wellenbegrenzenden Hohlstruktur, einem Mikrowellengenerator und einer Mikrowelleneinspeisung, dadurch gekennzeichnet,
a) dass durch die wellenbegrenzende Hohlstruktur (1) als Außenleiter und die resonante Zündstruktur (3) in Verlängerung des Innenleiters eine koaxiale Leitung gebildet wird,
b) dass die wellenbgrenzende Hohlstruktur (1) als Rohr mit einem offenen Ende ausgeführt ist, wobei das Rohr entsprechend der verwendeten Frequenz so ausgeführt ist, dass eine Wellenausbreitung nicht möglich ist,
c) dass die resonante Zündstruktur (3), welche bei Leistungseinkopplung eine für die Plasmazündung hohe Resonanzfeldstärke erzeugt, am Ende des Innenleiters angeordnet ist,
d) dass die wellenbegrenzende Hohlstruktur (1) mit ihrem offenen Ende über das Ende des mit der resonanten Zündstruktur (3) gebildeten Innenleiters hinaus verlängert ist,
e) dass die Mikrowelleneinspeisung (5) in die vom Innenleiter mit der resonanten Zündstruktur (3) und der wellenbgrenzenden Hohlstruktur (1) gebildeten koaxialen...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen eines sich ausbreitenden, diffusen Mikrowellenplasmas. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens. Das Verfahren ist insbesondere zum Erzeugen von Mikrowellenplasmen zum Zweck der Plasmabehandlung von Oberflächen und Stoffen unter Atmosphärendruck geeignet. Mikrowellenplasmen eignen sich hervorragend für die Durchführung verschiedenartiger Plasmabehandlungen, wie z. Bsp. der Aktivierung, Beschichtung und Funktionalisierung von Oberflächen. Hierzu ist die Nutzung eines diffusen, weitestgehend homogenen, ausgedehnten Plasmas erwünscht. In bekannten Verfahren ( DE 42 35 914 A1 , EP 0 209 469 A1 , DE 197 26 663 A1 erfolgt die Zündung und Erzeugung derartiger Plasmen vorzugsweise im Niederdruckbereich bzw. atmosphärennahen Bereich. Ein Hochfahren und eine Anwendung in den Normaldruckbereich ist zwar möglich, macht jedoch den Plasmabehandlungsprozess sehr anfällig und instabil. Bei geringen Veränderungen (z. Bsp. durch Gasströmung, Beimischung von Prozessgasen sowie von Aerosolen und Partikeln) erlischt das Plasma und muss wieder sehr aufwändig neu gezündet werden.
Plasmajets unter Normaldruck zeigen ebenfalls eine gewisse Zündempfindlichkeit, sind im Plasmavolumen klein und benötigen zum Heraustreiben des Plasmas eine hohe Gasströmung. Hierdurch sind sie für Massenanwendungen nicht geeignet und in Herstellung und Betrieb zu teuer.
In DE 103 27 853 A1 und DE 100 52 002 A1 wird eine Plasmaquelle beschrieben, die ein diffuses Mikrowellenplasma innerhalb einer geschlossenen mikrowellenleitenden Hohlstruktur generiert. Das an der Zündstruktur erzeugt Plasma löst sich von ihr und bewegt sich als Laufentladung in Richtung der Mikrowelleneinspeisung. Nachteilig ist hier, dass eine Plasmabehandlung nur an Gegenständen möglich ist, die sich innerhalb der mikrowellenleitenden Hohlstruktur befinden. Somit ist eine Anwendung auf elektrisch nicht leitfähige Materialien beschränkt.
In DE 43 40 224 C2 wird eine Einrichtung zum Erzeugen von Plasma mittels Mikrowellenstrahlung beschrieben. Nachteilig an dieser Vorrichtung ist, dass zwar für die Plasmazündung erforderliche hohe Feldstärken erzeugt werden, aber die Elektroden permanent durch das Plasma belastet werden und das Plasma über eine Gasströmung ausgetrieben werden muss.
Vorteilhaft wäre somit die Bereitstellung einer Vorrichtung zur Zündung und Erzeugung eines räumlich ausgedehnten Plasmas im Normaldruck oder Hochdruck mit hoher Zündsicherheit und stabilem Betrieb sowie einem möglichst geringen Gasdurchsatz.
Durch den Wegfall aufwändiger Vakuumtechnik und dem geringen Verbrauch von Arbeits- und Prozessgasen sowie einer einfachen und sicheren Handhabung wird eine breitere und kostengünstigere Anwendung der Plasmabehandlung in vielen Bereichen erst ermöglicht.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Zünden und Erzeugen eines diffusen, räumlich ausgedehnten Mikrowellenplasmas anzugeben, welches insbesondere im Normal- und Hochdruck einfach und betriebssicher sowie prinzipiell ohne Gasströmung zu realisieren ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 angegebene Vorrichtung bei der

a) innerhalb einer wellenbegrenzenden Hohlstruktur eine resonante Zündstruktur aus mindestens zwei sich an den offenen Stellen gegenüberliegenden Resonanzkreisen angeordnet wird,
b) eine Plasmazündung dadurch veranlasst wird, indem die Resonanzkreise so dimensioniert und angeordnet sind, dass bei geringer Leistungseinkopplung eine hohe Resonanzfeldstärke für die Plasmazündung erzielt wird, ein gleichzeitiges Treiben des Plasmas durch die resonante Zündstruktur hingegen nicht möglich ist und damit ein inhärenter Schutz der Zündvorrichtung gegeben ist (ein sich selbst steuernder Übergang zwischen Zünd- und Unterhaltunsphase des Plasmas),
c) das durch die resonante Zündstruktur gezündete Plasma über ein umliegendes Mikrowellenfeld so mit Energie gespeist wird, dass ein sich ausbreitendes, diffuses Plasma entsteht.

Die Vorrichtung kann sowohl im Niederdruck als auch im Atmosphärendruck und darüber angewendet werden.
Durch Anlegen einer Gasströmung ist ein Treiben des Plasmas möglich, welches entsprechend der eingekoppelten Leistung eine Vergrößerung des Plasmavolumens hervorruft.
Die Vorrichtung kann mit beliebigen Gasen mit und ohne Gasströmung realisiert werden.
Der resonanten Zündstruktur kann je nach Ausführung Mikrowellenenergie über eine direkte Einkopplung oder aus einem umliegenden freien Mikrowellenfeld zugeführt werden.
Eine besonders interessante Ausgestaltung stellt die Erzeugung eines sich ausdehnenden, diffusen Plasmas innerhalb einer koaxialen Hohlstruktur dar. Hierbei ist der Innenleiter am Ende als resonante Zündstruktur so ausgeführt, dass eine direkte Einkopplung zur Zündung des Plasmas führt, das Plasma sich aber über die koaxiale Leitung mit Energie selbst versorgt. Der Durchmesser des koaxialen Außenleiters ist so zu wählen, dass entsprechend der verwendeten Frequenz bei Weiterführung des Außenleiters über das Ende des Innenleiters hinaus eine Wellenausbreitung über das offene Ende des Außenleiters nicht möglich ist, ein Heraustreten des Plasmas aus der Öffnung jedoch gegeben ist.
Wird die resonante Zündstruktur in der Nähe eines Feldmaximums eines Mikrowellenfeldes so angeordnet, dass das sich bildende Plasma in das Feldmaximum hineinwächst, ist ein Ablösen des Plasmas von der Zündstruktur zu erreichen.
Bei einer Anordnung der resonanten Zündstruktur am Ende eines Hohlleiters und einer Einspeisung der Mikrowellen vom anderen Ende wird die resonante Zündstruktur nach Bildung des Plasmas weitgehend von der Mikrowellenversorgung abgekoppelt. Hierdurch ist eine Schonung der Zündstruktur von den Einflüssen des Plasmas gegeben.
Für die Erzeugung des Plasmas sind Mikrowellenfrequenzen von 400 bis 10.000 MHz geeignet.
Das Plasma kann in seinen Eigenschaften (z. Bsp. Temperatur, Ausdehnung,) durch Pulsung und Modellierung der Energieeinspeisung beeinflusst werden.
Durch eine gezielte Anordnung der resonanten Zündstruktur innerhalb der wellenbegrenzenden Hohlstruktur und einer entsprechenden Öffnung ist ein Heraustreten des Plasmas aus der wellenbegrenzenden Hohlstruktur zu erreichen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert.
Es zeigen: 1 eine schematische Darstellung einer Grundvorrichtung zur Erzeugung eines sich ausdehnenden, diffusen Mikrowellenplasmas
2 eine schematische Darstellung einer speziellen Ausführungsform zur Erzeugung eines sich ausdehnenden, diffusen Mikrowellenplasmas aus einer koaxialen wellenbegrenzenden Hohlstruktur heraus
In 1 ist der schematische Aufbau einer Grundvorrichtung zur Umsetzung des Verfahrens zur Erzeugung eines sich ausdehnenden, diffusen Mikrowellenplasmas innerhalb einer wellenbegrenzenden Hohlstruktur dargestellt.
Die Vorrichtung besteht aus einer wellenbegrenzenden Hohlstruktur (1), einer resonanten Zündstruktur (3), einem Mikrowellengenerator (4) und einer Mikrowelleneinspeisung (5).
Die wellenbegrenzende Hohlstruktur (1) ist aus elektrisch leitendem Material so hergestellt, dass ein Hohlraum entsteht, der so dimensioniert ist, das eine Wellenausbreitung innerhalb des Hohlraumes möglich ist, nach außen jedoch verhindert wird. Innerhalb der wellenbegrenzenden Hohlstruktur (1) wird eine resonante Zündstruktur (3) so angeordnet, dass sie aus einem elektromagnetischen Feld die für die Plasmazündung erforderliche Energie entnehmen kann und das gezündete, sich ausbreitende Plasma (2) aus dem umliegenden elektromagnetischen Feld mit Energie versorgt wird. Die resonante Zündstruktur (3) wird aus zwei miteinander gekoppelten elektrisch leitenden Resonanzkreisen (6) und (7) so gebildet, dass die offenen Stellen der Resonanzkreise (6 und 7) sich gegenüberstehen. Die resonante Länge der Resonanzkreise (6 und 7) bildet sich aus mindestens einer halben Wellenlänge der verwendeten Frequenz.
Die für den Aufbau eines elektromagnetischen Feldes notwendigen Mikrowellen (2,45 GHz) werden in einem Mikrowellengenerator (4) erzeugt und über eine Mikrowelleneinspeisung (5) in die wellenbegrenzende Hohlstruktur (1) eingespeist. Das Plasma (2) wird unter atmosphärischen Bedingungen mit Luft gezündet und verbleibt innerhalb der wellenbegrenzenden Hohlstruktur (1).
In 2 ist der schematische Aufbau einer speziellen Ausführungsform zur Erzeugung eines sich ausbreitenden diffusen Mikrowellenplasmas (2) aus einer koaxialen wellenbegrenzenden Hohlstruktur (1) heraus dargestellt.
Für viele Plasmaanwendungen, insbesondere für dreidimensionale Anwendungen, ist ein freies heraustretendes Plasma unter atmosphärischen Bedingungen von besonderer Bedeutung. Insofern befriedigt die in 2 dargestellte Ausführungsform des Verfahrens ein großes Marktbedürfnis.
Die Vorrichtung besteht aus einer wellenbegrenzenden Hohlstruktur (1), einer resonanten Zündstruktur (3), einem Mikrowellengenerator (4), einer flexiblen Koaxialleitung (8) und einer Mikrowelleneinspeisung (5) in die wellenbegrenzende Hohlstruktur (1).
Die wellenbegrenzende Hohlstruktur (1) ist in diesem Fall als Rohr mit einem offenen Ende (9) ausgeführt. Der Durchmesser des Rohres ist entsprechend der verwendeten Frequenz (2,45 GHz) so gewählt, dass eine Wellenausbreitung nicht möglich ist. Die Mikrowelleneinspeisung (5) erfolgt über eine flexible koaxiale Leitung (8) in die wellenbegrenzende Hohlstruktur (1). Die resonante Zündstruktur (3) wird in Verlängerung des Mittelleiters der koaxialen Leitung (5) so ausgeführt, dass einerseits eine direkte Energieeinspeisung in die resonante Zündstruktur zur Plasmazündung (3) erfolgt und andererseits mit der wellenbegrenzenden Hohlstruktur (1) als Außenleiter eine koaxiale Leitung gebildet wird, über die Energie bis ans Ende dieser koaxialen Leitung geführt wird und somit außerhalb der resonanten Zündstruktur (3) ein elektromagnetisches Feld aufgebaut wird. Da die wellenbegrenzende Hohlstruktur (1) über das Ende des Mittelleiters hinaus verlängert wird, ist eine Wellenausbreitung über die Öffnung (9) ins Freie nicht möglich.
Die vom Mikrowellengenerator (4) erzeugte Mikrowellenenergie wird über die flexible koaxiale Leitung (8) zum Teil in die resonante Zündstruktur (3) eingekoppelt, so dass eine Plasmazündung an der Spitze der resonanten Zündstruktur (3) erfolgt, sowie über die von der resonanten Zündstruktur (3) und der wellenbegrenzenden Hohlstruktur (1) gebildeten koaxialen Leitung bis ans Ende dieser koaxialen Leitung geführt, so dass das von der resonanten Zündstruktur (3) gezündete Plasma (2) über diese koaxiale Leitung so mit Energie versorgt wird, dass eine Ausbreitung ins Freie erfolgt.
Das Plasma (2) wird unter atmosphärischen Bedingungen mit Luft gezündet und tritt aus der Öffnung (9) selbsttätig heraus.
Entsprechend der verwendeten Frequenz von 2,45 GHz ist ein Plasmadurchmesser bis zu ca. 4 cm und einer Austrittslänge von mehreren cm erreichbar.
Bezugszeichenliste

1: wellenbegrenzende Hohlstruktur
2: Plasma
3: resonante Zündstruktur
4: Mikrowellengenerator
5: Mikrowelleneinkopplung
6: Resonanzkreis 1
7: Resonanzkreis 2
8: flexible Koaxialleitung
9: Öffnung in der wellenbegrenzenden Hohlstruktur

Claims

Vorrichtung zum Zünden und Erzeugen eines sich ausbreitenden, diffusen Mikrowellenplasmas bestehend aus einer resonanten Zündstruktur, einer wellenbegrenzenden Hohlstruktur, einem Mikrowellengenerator und einer Mikrowelleneinspeisung, dadurch gekennzeichnet, a) dass durch die wellenbegrenzende Hohlstruktur (1) als Außenleiter und die resonante Zündstruktur (3) in Verlängerung des Innenleiters eine koaxiale Leitung gebildet wird, b) dass die wellenbgrenzende Hohlstruktur (1) als Rohr mit einem offenen Ende ausgeführt ist, wobei das Rohr entsprechend der verwendeten Frequenz so ausgeführt ist, dass eine Wellenausbreitung nicht möglich ist, c) dass die resonante Zündstruktur (3), welche bei Leistungseinkopplung eine für die Plasmazündung hohe Resonanzfeldstärke erzeugt, am Ende des Innenleiters angeordnet ist, d) dass die wellenbegrenzende Hohlstruktur (1) mit ihrem offenen Ende über das Ende des mit der resonanten Zündstruktur (3) gebildeten Innenleiters hinaus verlängert ist, e) dass die Mikrowelleneinspeisung (5) in die vom Innenleiter mit der resonanten Zündstruktur (3) und der wellenbgrenzenden Hohlstruktur (1) gebildeten koaxialen Leitung erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowelleneinspeisung (5) über eine flexible Mikrowellenleitung (8) erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowelleneinspeisung gepulst und moduliert erfolgt.