DE19605518A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung mikrowelleninduzierter Hochtemperatur-Plasmajets - Google Patents

Description

Die Verwendung von Hochtemperatur-Plasmajets ist in verschiedenen An­ wendungsbereichen von Interesse. Das Einsatzspektrum reicht dabei von der Beschichtungstechnologie (Dünnschichten, Plasmaspritztechnik) über die Hochtemperaturpyrolyse umweltschädlicher, insbesondere organischer Ver­ bindungen bis hin zur Abgasnachbehandlung bei Verbrennungsmaschinen (Einspeisung von NO-konversionsfähigem, aktivem Stickstoff in den Abgasstrang).

Ein weiteres Anwendungspotential besteht im Bereich der elektrischen Antriebe in der Raumfahrt (gegebenenfalls mit gekoppelter chemischer Reaktion). Das klassische Verfahren zur Erzeugung von Hochtemperatur- Hochdruck-Plasmajets besteht in der Anwendung der Gleichspannungs- Hochstrom-Bogenentladung über entsprechend konfigurierte Elektroden. Es ist bekannt, daß solche Plasmabrenner aufgrund unvermeidlicher Elektroden­ erosion eigentlich nur bei Verwendung von Edelgasen als Plasma-Betriebs­ mittel über längere Zeiträume hinweg stabil betrieben werden können, wo­ durch sich eine beträchtliche Einschränkung der Anwendungsmöglichkeiten ergibt.

Wenn Plasmaprozesse unter der Anforderung extrem hoher Stoffreinheit ein­ gesetzt werden (z. B. Halbleitertechnologie), kann selbst ein geringer, und in jedem Fall unvermeidlicher Elektrodenabtrag störend sein.

Verfahren zur elektrodenlosen Erzeugung statischer oder strömender Plas­ men sind im Bereich reduzierter Drucke (ca. 100 mbar und darunter) Stand der Technik. Diese Plasmen sind jedoch typische Nichtgleichgewichtsplas­ men, die sich dadurch auszeichnen, daß zwar vergleichsweise hohe Ionisa­ tionsgrade sowie hohe Elektronenenergien (Temperaturen) vorliegen, jedoch keine hohen gaskinetischen Geschwindigkeiten (Temperaturen) erreicht wer­ den können (kalte Plasmen). Damit sind typische Hochtemperatur-Anwen­ dungsfelder nicht erschließbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, womit durch elektrodenlose Einkopplung elektromagnetischer Strahlung in eine expandierende Hochdruck-Gasströmung ein expandierender Hochtem­ peratur/Hochdruck-Plasmajet vergleichbarer Temperaturcharakteristik wie bei expandierenden Hochdruck-Bogenentladungen (elektrodenbehaftet) erzeugt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Haupt­ anspruchs gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

In dieser Hinsicht ist bekannt, daß insbesondere typische Mikrowellenfrequen­ zen (z. B. die technische Standardfrequenz von 2,46 GHz - jedoch nicht aus­ schließlich -) zur effektiven Plasmaerzeugung eingesetzt werden können (z. B. Steinwandel et al., deutsche Patentanmeldung 195 13 250.5). In dieser Literaturstelle wird jedoch die Mikrowellenleistung nicht in einen expandierenden Gasjet ein gekoppelt, sondern ein durch Mikrowellenkopp­ lung vor einer Düse erzeugtes Plasma durch diese expandiert.

In gleicher Weise, jedoch auf einem anderen physikalischem Prinzip basie­ rend (Einkopplung von Oberflächenwellen, Surfatronprinzip), lassen sich ebenfalls Hochtemperaturplasmen, jedoch mit deutlich reduzierter Tempe­ raturausbeute herstellen (z. B. Moison et al.; US-Patent 4,810,933, US-Patent 4,906,898).

Demgegenüber besteht der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens/Vor­ richtung der Mikrowelleneinkopplung in einen expandierenden Gasjet in einer weitaus geringeren thermischen Belastung des Materials der Expan­ sionsdüse.

Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, daß grundsätzlich voll metallisch ge­ arbeitet werden kann. Nur im direkten Einkoppelbereich müssen die metalli­ schen Komponenten mit dielektrischem Material geblockt werden.

Das physikalische Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens/Vorrichtung ist in Fig. 1 dargestellt.

Die plasmajeterzeugende Einheit ist vom Prinzip her ein überkritisch gekop­ pelter, elektromagnetischer Schwingkreis mit einem geschlossenen (Z = O Ω) und einem offenen Ende (Z = "∞"Ω). Die Führung der Mikrowelle (z. B. 2,46 GHz) an die Schwingkreiseinheit erfolgt im Ausführungsbeispiel über eine 50 Ω-Koaxialzuleitung, in die gemäß bekanntem Stand der Technik die mittels eines Magnetrons erzeugte und in einem angepaßten R-26-Hohlleiter geführte Hochfrequenz mittels einer Antenne eingekoppelt wird.

Der Vorteil dieser Art der Mikrowellenführung liegt in der Möglichkeit der räumlichen Trennung der mikrowellenerzeugenden Einheit von der mikro­ wellenverbrauchenden Einheit. Die plasmaerzeugende Einheit kann jedoch genausogut direkt an einen R-26-Rechteckhohlleiter mittels Antennen­ auskopplung angeschlossen werden.

Die plasmaerzeugende Schwingkreiseinheit stellt vom physikalischen Prinzip her eine kapazitive Einkopplung dar. Die genaue Abstimmung des Schwing­ kreises ist notwendig und erfolgt durch eine mittels Feingewinde justierbare Endplatte (geschlossenes Ende).

Das mit einer Düse abgeschlossene metallische Arbeitsgasführungsrohr (gute elektrische Leitfähigkeit erforderlich) ist der Mittelleiter einer koaxial-ähnlichen Konstruktion mit entsprechendem Mantelabschluß. Die technische Ausfüh­ rung ist in Fig. 2 dargestellt. Der Abschluß des Mantelleiters am offenen Ende erfolgt mittels einer scharfkantig ausgebildeten Blende. Diese Konstruktion führt in Verbindung mit der Reflexion der e.m. Welle am offenen Ende zu einer extrem hohen Überhöhung des elektrischen Feldes und damit zur Plasmaer­ zeugung unter Einkopplung der Mikrowellenleistung in den im Einkoppel­ bereich expandierenden Gasjet.

Es ist jedoch erforderlich, die metallischen Komponenten im Einkoppelbereich mit dielektrischem Material zu blocken. Im einfachsten Fall werden dabei die Abschlußblende sowie das zentrale Gasführungsrohr aus Aluminium gefertigt und im Einkoppelbereich eloxiert. Es ist dabei erforderlich, daß die Al₂O₃- Schicht homogen ist und eine gleichmäßige Dicke von mindestens 0,1 µm aufweist.

Ohne dielektrische Barriere erfolgt ein sofortiger Bogendurchschlag zwischen Düsenspitze und Blendenrand, der eine Zerstörung der Einheit zur Folge hat.

Die vorgesehene Arbeitsweise zur Erzeugung von Hochtemperatur-Plasma­ jets wurde nachgewiesen.

Beschrieben wird in der Folge eine Versuchsreihe zur Erzeugung von Stick­ stoff-Plasmajets, die teilweise aus Gründen der Temperaturdiagnostik mit Wasserstoff (maximal 10%) dotiert wird.

Die Temperaturcharakteristik erfolgt dabei berührungslos spektroskopisch mittels thermisch induzierter Molekülemission (N₂, N₂⁺) oder Atomemission (H-Balmerserie) unter Verwendung eines hochauflösenden Monochromators (Lichtweg 1 m, Auflösung 0,004 Å) mit den Detektoren Diodenarray-Zeilen­ kamera und zur Höchstauflösung Photomultiplier.

Aus den Stickstoff-Emissionsspektren wird die gaskinetische Temperatur an­ hand der Rotationsfeinstruktur lichtstarker Bandenköpfe bestimmt. Besonders gut geeignet ist hierbei das violette Band des Molekülions N₂⁺ bei 3910 Å. Elektronenkonzentrationen, die bei thermischen Plasmen ebenfalls Hinweise auf die Jettemperatur geben (Gleichgewichtsplasmen) werden anhand der Stark-Verbreiterung am atomaren Wasserstoff bestimmt (Balmer-Linien H_α, H_β). Die Analyse der Emissionsspektren bei 300 Watt Mikrowellen-HF-Lei­ stung ergibt einen "kalten" Mantelbereich des Plasmajets von ca. 6000 K, der eine heiße Kernströmung von bis zu 10.000 K umgibt. Die Mantelströmung wird mittels N₂⁺ (3910 Å)-Emission diagnostiziert. Die Kernströmung wird mittels der infolge Stark-Effekts durch freie Elektronen verbreiterten Balmer- Linien H_α, H_β diagnostiziert.

Claims (4)

1. Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Hochdruck/Hochtempe­ ratur-Plasmajets, dadurch gekennzeichnet, daß mittels kapazitiver Kopplung von Mikrowellen im freien Expansionsbereich einer Düse ein Plasma gezündet und stationär aufrechterhalten wird.

2. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einheit zur Plasmajet-Erzeugung ein offener Mikrowellen-Schwingkreis für Frequenzen von 0,9 GHz bis 30 GHz, bevorzugt jedoch für 2,46 GHz ist.

3. Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß am offenen Schwingkreisende eine elektrische/magnetische Feldstärkenüberhöhung mit der Wirkung der Plasmaerzeugung vorliegt.

4. Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die metallischen Mikrowellen-Füh­ rungskomponenten im Bereich der Einkopplung mit dielektrischem Material, bevorzugt Al₂O₃ beschichtet sind, um Bogendurchschläge zu vermeiden.