DE102007020419A1

DE102007020419A1 - Elektrode für Plasmaerzeuger

Info

Publication number: DE102007020419A1
Application number: DE102007020419A
Authority: DE
Inventors: Roland Dr. Gesche; Stephan Buchholz; Andreea Christina Andrei; Silvio Kühn
Original assignee: Forschungsverbund Berlin FVB eV
Current assignee: Forschungsverbund Berlin FVB eV
Priority date: 2007-04-27
Filing date: 2007-04-27
Publication date: 2008-11-06
Also published as: ATE521217T1; US8339047B2; EP2143306B1; JP2010525534A; EP2143306A1; KR20100015978A; US20100171425A1; WO2008131997A1; JP5683262B2; KR101555385B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrode für einen Plasmaerzeuger zur Erzeugung von Plasmen bei Atmosphärendruck oder atmosphärennahen Drücken durch Anregung mit Mikrowellen. Vorgeschlagen wird eine Elektrode aus einem Blechstreifen (1), in dessen Längsrichtung mindestens ein Schlitz (2) mit einer Länge eingebracht ist, die das Ein- oder Mehrfache eines Viertels der Wellenlänge der Leerlaufspannung der Mikrowelle beträgt, so dass sich mindestens zwei Teilelektroden (3) bilden, wobei die Spannungszuleitung an die Teilelektroden (3) im Bereich des oder der geschlossenen Schlitzenden erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrode für einen Plasmaerzeuger zur Erzeugung von Plasmen bei Atmosphärendruck oder atmosphärennahen Drücken durch Anregung mit Mikrowellen.
Plasmen werden bei vielen Sedimentations-, Ätz- und Schichtbildungsprozessen eingesetzt.
Jüngste Bestrebungen gehen dahin, geeignete Niedertemperaturplasmen auch unter Nichtvakuum-Bedingungen zu erzeugen. Derartige Reaktoren arbeiten mit Corona-Entladungen oder Glimmentladungen. Eine Übersicht über solche Plasmaerzeuger findet sich in Laroussi, Nonthermal Decontamination of Biological Media by Atmospheric-Pressure Plasmas: Review, Analysis, and Prospects, IEEE Transactions an Plasma Science, Vol. 30, No. 4, August 2002, S. 1409–1415 oder auch in Schütze et al., The Atmospheric-Pressure Plasma Jet: A Review and Comparison to Other Plasma Sources, a. a. O., Vol. 26, No. 6, December 1998. Die hier beschriebenen Plasmareaktoren sollen u. a. für biologische und medizinische Zwecke eingesetzt werden. Abgesehen von den Kosten, die bei Plasmareaktoren entstehen, die unter Vakuum arbeiten, verbietet sich in diesem Bereich oftmals die Anwendung von Unterdruck, so dass hier die Anwendung von Plasma bei Atmosphärendruck eine Voraussetzung ist. Auch eine Behandlung von vakuumempfindlichen Materialien wie bestimmte Polymere oder von empfindlichen Lebensmitteln wird mit Niedertemperaturplasmen bei atmosphärischem oder atmosphärennahem Druck möglich.
Für die Plasmaerzeuger müssen Stromversorgungen mit hoher Leistung bereitgehalten werden, wobei die hohe Leistung nur zur Zündung benötigt wird.
Für den Elektrodenabstand muss immer en Kompromiss zwischen dem Zündverhalten und dem stabilen Plasmabetrieb geschlossen werden. Für die Zündung optimale kleine Elektrodenabstände führen zu sehr kleinen Plasmavolumina und hoher Punktbelastung der Elektroden. Größere Elektrodenabstände führen zu extrem hohen Zündspannungen und instabilem Plasmaverhalten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Elektrode für einen Plasmaerzeuger anzugeben, die insbesondere im atmosphärennahen Druckbereich bei kleinen Leistungen sicher zündet und ein Plasma mit genügend hoher Dichte zu generieren vermag, sodass ein durchdringender Gasstrom mit hoher Effizienz aktiviert wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine Elektrode mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Danach besteht die Elektrode aus einem Blechstreifen, in dessen Längsrichtung mindestens ein Schlitz mit einer Länge eingebracht ist, die das Ein- oder Mehrfache eines Viertels der Wellenlänge der Leerlaufspannung der Mikrowelle beträgt, so dass sich mindestens zwei Teilelektroden bilden, wobei die Spannungszuleitung an die Teilelektroden im Bereich des oder der geschlossenen Schlitzenden erfolgt.
Bei der erfindungsgemäßen Elektrode gibt es unter Berücksichtigung der Anregungsfrequenz im Leerlauf einen geometrischen Punkt hoher Feldstärke, an dem das Plasma zündet. Bei gezündetem Plasma verändert sich durch die Plasmaimpedanz die Feldverteilung in der Elektrodenstruktur und das Plasma wandert an einen anderen Ort bzw. verbreitert sich innerhalb des Elektrodenschlitzes und breitet sich in einem größeren Volumen aus.
Die Struktur der Elektrode nutzt frequenzabhängige, resonante Eigenschaften des Aufbaues aus und generiert an definierter Stelle eine hohe elektrische Feldstärke, an der die Zündung des Plasmas ermöglicht wird. Das starke Feld entsteht typischerweise an mindestens zwei Elektroden die sich physikalisch nah gegenüber stehen. Wird nun elektrische Leistung in Form von Mikrowellen an geeigneter Stelle in die Struktur eingebracht, entsteht am Ende des Schlitzes eine hohe alternierende Potentialdifferenz. Durch den geringen Abstand der sich gegenüberstehenden Elektroden ist die resultierende Feldstärke sehr hoch. An der Stelle des höchsten elektrischen Feldes ist, bei genügend hoher Speiseleistung, die Zündung eines Plasmas bei Atmosphärendruck bzw. bei atmosphärennahem Druck möglich. Nach erfolgter Zündung ist zum Betrieb nur ein Bruchteil der erforderlichen Zündleistung nötig. Die Frequenz der Einspeiseleistung ist abhängig von den physikalischen Dimensionen der Elektrode. Besonders die Länge des Schlitzes hat maßgeblichen Einfluss auf die Frequenz und beträgt in etwa das Vielfache der Viertelwellenlänge.
Die Einspeisung erfolgt im Fall eines einseitig offenen Schlitzes zum Beispiel durch eine Koaxialleitung, wobei der Innenleiter an einer Seite des Schlitzes an die Stelle geführt ist, bei der im Leerlauf in etwa Anpassung herrscht.
Auch Aufbauten mit beidseitig geschlossenem Schlitz sind nach diesem Prinzip möglich. Das höchste elektrische Feld und somit auch das Plasma entstehen dann in der Mitte des Schlitzes. Zweckmäßig ist die Elektrode in diesem Fall U-förmig oder kreisförmig gebogen.
Die Einspeisung erfolgt im letztgenannten Fall zum Beispiel durch eine Koaxialleitung, wobei der Innenleiter sich T-förmig verzweigt und auf beiden Seiten im Bereich der beiden Schlitzenden an die Elektrode geführt ist.
Zum Beispiel für die Behandlung von Prozessgasen ist die Elektrode zweckmäßig von einem Abschirmgehäuse umgeben, in dem sich eine Öffnung zum Zuführen und eine weitere Öffnung zum Herausführen der vom Plasma aktivierten Prozessgase befindet. Die Öffnungen sollten eine solche Größe haben, dass die Abstrahlung von Mikrowellenenergie im zulässigen Bereich bleibt.
Die Elektrode wird in bevorzugter Weise von einer freilaufenden Oszillatorschaltung versorgt, wobei die Elektrode selbst das die Frequenz bestimmende Element darstellt. Die Oszillatorschaltung kann mit der Elektrode integriert aufgebaut werden.
Die Elektrode kann bevorzugt für medizinische Behandlungszwecke, insbesondere die Behandlung menschlicher Haut, aber auch zur Modifizierung der Oberflächenenergie von Werkstücken oder zur plasmachemischen Abscheidung von Schichten eingesetzt werden.
Die Erfindung soll nachstehend anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen
1 ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Elektrode eines Resonators,
2 ein Beispiel für eine geschlossene Bauform einer Elektrode eines Resonators und
3 den Resonator gemäß 2 in ein Gehäuse eingebettet.
1 zeigt ein Beispiel für einen Resonator eines Plasmaerzeugers. In einen Blechstreifen 1, der als Elektrode dient, ist ein Schlitz 2 eingebracht. Der Schlitz 2 trennt den Blechstreifen 1 in zwei Teilelektroden 3 auf, die beim Betrieb mit einer hochfrequenten Spannung, die über den Innenleiter 4 einer Koaxialleitung 5 an den Blechstreifen 1 geführt wird, eine hohe elektrische Feldstärke erzeugen. Der Schlitz 2 ist typischerweise λ/4 lang. Bei einer real ausgeführten Ausführung für eine Versorgungsspannung mit einer Frequenz von 2 GHz ergab sich damit ein Schlitz 2 von 37,5 mm. Seine Breite betrug 0,1 mm. Der Innenleiter 4 der Koaxialleitung 5 ist im Bereich des Schlitzendes an den Außerrand des Blechstreifens 1 geführt, an einen Punkt, an dem Resonanz mit einem Oszillator erzeugt wird. Der Außenleiter 6 der Koaxialleitung 5 ist an der gegenüberliegenden Seite des Blechstreifens 1 an dessen Außenrand geführt.
Nach Anlegen der Versorgungsspannung entsteht am Schlitzende eine hohe Feldstärke, die zum Zünden eines Plasmas bei Atmosphärendruck reicht. Nach dem Zünden bewegt sich das Plasma in den Schlitz 2 hinein und vergrößert sein Volumen, wobei es ein stabiles Verhalten zeigt.
2 zeigt eine Elektrode aus einem U-förmig gebogenen Blechstreifen 1 mit einem Schlitz 2. Der Schlitz 2 ist in diesem Fall λ/2 lang. Der Innenleiter 4 der Koaxialleitung 5 wird T-förmig verzweigt und an die zwei sich gegenüberstehenden Seiten des Blechstreifens 1 im Bereich des Schlitzendes geführt. Der Außenleiter 6 wird mit den gegenüberliegenden Seiten des Blechstreifens 1 verbunden. Die höchste Feldstärke entsteht bei dieser Ausführungsform in der Mitte des Schlitzes 2, das heißt an der Vorderkante des Blechstreifens 1. Nach dem Zünden des Plasmas an dieser Stelle dehnt sich das Plasma mindestens auf den gesamten Bereich der Vorderkante des Blechstreifens 1 aus.
3 zeigt schematisch den Aufbau eines durch ein Gehäuse 7 komplettierten Resonators. Das Gehäuse 7 (hier im quasi geöffneten Zustand dargestellt) wirkt reflektierend und unterbindet so eine elektromagnetische Abstrahlung nach außen. Um mit diesem Plasmaerzeuger ein Prozessgas zu behandeln, ist in der hinteren Gehäusewand eine Gaszuleitung 8 und in der Vorderwand eine schlitzförmige Gasausleitung 9 vorgesehen.

1: Blechstreifen
2: Schlitz
3: Teilelektrode
4: Innenleiter
5: Koaxialleitung
6: Außenleiter
7: Gehäuse
8: Gaszuleitung
9: Gasausleitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Laroussi, Nonthermal Decontamination of Biological Media by Atmospheric-Pressure Plasmas: Review, Analysis, and Prospects, IEEE Transactions an Plasma Science, Vol. 30, No. 4, August 2002, S. 1409–1415 [0003]
- Schütze et al., The Atmospheric-Pressure Plasma Jet: A Review and Comparison to Other Plasma Sources, a. a. O., Vol. 26, No. 6, December 1998 [0003]

Claims

Elektrode für einen Plasmaerzeuger zur Erzeugung von Plasmen bei Atmosphärendruck oder atmosphärennahen Drücken durch Anregung mit Mikrowellen, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einem Blechstreifen (1) besteht, in dessen Längsrichtung mindestens ein Schlitz (2) mit einer Länge eingebracht ist, die das Ein- oder Mehrfache eines Viertels der Wellenlänge der Leerlaufspannung der Mikrowelle beträgt, so dass sich mindestens zwei Teilelektroden (3) bilden, wobei die Spannungszuleitung an die Teilelektroden (3) im Bereich des oder der geschlossenen Schlitzenden erfolgt.
Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz (2) an seinem einen Ende geschlossen, am anderen Ende offen ist.
Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz (2) an beiden Seiten geschlossen ist.
Elektrode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie U-förmig gebogen ist.
Elektrode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie kreisförmig gebogen ist.
Elektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie durch eine koaxiale Einspeisung (5) versorgt wird, wobei der Innenleiter (4) an einer Seite des Schlitzes (2) an die Stelle geführt ist, bei der im Leerlauf in etwa Anpassung herrscht.
Elektrode nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie durch eine koaxiale Einspeisung (5) versorgt wird, wobei der Innenleiter (4) sich T-förmig verzweigt und auf beiden Seiten im Bereich der beiden Schlitzenden an die Elektrode geführt ist.
Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie von einem Abschirmgehäuse (7) umgeben ist.
Elektrode nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich in dem Abschirmgehäuse (7) eine Öffnung zum Zuführen von Prozessgasen und eine weitere Öffnung zum Herausführen der vom Plasma aktivierten Prozessgase befindet.
Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie von einer freilaufenden Oszillatorschaltung versorgt ist, wobei die Elektrode selbst das die Frequenz bestimmende Element darstellt.
Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie zusammen mit einer Oszillatorschaltung integriert ist.