DE19605518C2 - Vorrichtung zur Herstellung von Hochdruck/Hochtemperatur-Plasmajets - Google Patents
Vorrichtung zur Herstellung von Hochdruck/Hochtemperatur-PlasmajetsInfo
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Description
Aus DE 36 38 880 A1 ist die Erzeugung eines Edelgasplasmas mittels eines
elektromagnetischen Schwingkreises im Bereich der Radiofrequenzen be
kannt. US 5 349 154 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Er
zeugung einer mikrowellenindizierten Plasmaflamme. Die gasdynamische
Ausgestaltung des Prozesses ist derart, dass über einen Tangentialeinlauf
eine drallstabilisierte Strömung eines Inertgases erzeugt wird. In dieses Strö
mungsfeld wird mittels einer Düse das eigentliche Reaktionsgas eingespeist.
Die Anordnung dient der raschen Harmonisierung der Strömung. Die Drallsta
bilisierung ist schon deshalb notwendig, um ein Festbrennen des Plasmas an
der Wand der dielektrischen Führungsrohre zu vermeiden.
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, eine Vorrichtung zu schaffen, womit durch elek
trodenlose Einkopplung elektromagnetischer Strahlung in eine expandieren
de Hochdruck-Gasströmung ein expandierender Hochtemperatur/Hochdruck-
Plasmajet vergleichbarer Temperaturcharakteristik wie bei expandierenden
Hochdruck-Bogenentladungen (elektrodenbehaftet) erzeugt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch den Gegenstand des einzigen
Anspruchs gelöst.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Mikrowelleneinkopplung
in einen expandierenden Gasjet ist die geringere thermische Belastung des
Materials der Expansionsdüse.
Ein weiterer 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 der erfindungsgemäßen 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-Emissionspektren wird die gaskinetische Temperatur an
hand der Rotationsfeinstruktur lichtstarker Bandenköpfe bestimmt. Besonders
gut geeignet ist hierbei das violette Band des Molekülinns 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 Hα,
Hß). 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 Hα, Hβ diagnostiziert.
Claims (1)
- Vorrichtung zur Herstellung von Hochdruck/Hochtemperatur-Plasmajets, mit folgen den Merkmalen:
- 1. mittels kapazitiver Kopplung von Mikrowellen wird im freien Expansionsbereich einer Düse ein Plasma gezündet und stationär aufrechterhalten, wobei ein offe ner Mikrowellen-Schwingkreis für Frequenzen von 0,9 GHz bis 30 GHz zur Plas majet-Erzeugung vorgesehen ist,
- 2. der Schwingkreis besteht aus metallischen Führungskomponenten, wobei er im Bereich der Kopplung aus der Düse und einer scharfkantigen Blende zur Feld stärkenüberhöhung besteht,
- 3. die Düse und die scharfkantige Blende sind mit dielektrischem Material be schichtet, um Bogendurchschläge zu vermeiden.
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- 1996-02-15 DE DE1996105518 patent/DE19605518C2/de not_active Expired - Fee Related
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