DE20316631U1

DE20316631U1 - Anordnung zur Erzeugung von Plasma

Info

Publication number: DE20316631U1
Application number: DE20316631U
Authority: DE
Original assignee: Muegge Electronic GmbH
Current assignee: Muegge GmbH
Priority date: 2003-10-29
Filing date: 2003-10-29
Publication date: 2004-01-08
Anticipated expiration: 2013-10-30

Abstract

Anordnung zur Erzeugung von Plasma, dadurch gekennzeichnet, dass Mikrowellen einem im wesentlichen kreisrunden Hohlleiter (1, 21) zuführbar sind, der an beiden Enden von Kurzschlussscheiben (7, 8) begrenzt ist, dass durch ein im Hohlleiter (1, 21) koaxial angeordnetes Rohr (10, 20) aus mikrowellen-transparentem und hitzebeständigem Werkstoff ein nach Art und Druck zur Plasmabildung geeignetes Gas durchleitbar ist, dass innerhalb des Rohres (10, 20) Mittel (9) zum Zünden der Plasmabildung vorgesehen sind und dass der Raum im Hohlleiter (1, 21) außerhalb des Rohres (10, 20) mit einem Kühlmittel durchströmbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung von Plasma.
Plasma wird unter anderem zur Aktivierung, Reinigung und Beschichtung von Oberflächen verschiedener Werkstücke und Materialien benötigt, die in einen mit geeignetem Gas gefüllten Behandlungsraum, in welchem Unterdruck herrscht, dem Plasma ausgesetzt werden. Es sind jedoch Anwendungen bekanntgeworden, die nicht auf einen Behandlungsraum, in welchem Unterdruck herrscht, begrenzt sind, beispielsweise Abgasreinigung, thermische Aufspaltung und Beflammung von Kunststoffen und anderen Materialien, sowie die Herstellung von Nano-Materialien.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung zur Erzeugung von Plasma anzugeben, die sich für Anwendungen bei höherem Druck und/oder mit schwer ionisierbaren Gasen eignet bis hin zu Atmospärendruck und darüber.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass Mikrowellen einem im wesentlichen kreisrunden Hohlleiter zuführbar sind, der an beiden Enden von Kurzschlussscheiben begrenzt ist, dass durch ein im Hohlleiter koaxial angeordnetes Rohr aus mikrowellen-transparentem und hitzebeständigem Werkstoff ein nach Art und Druck zur Plasmabildung geeignetes Gas durchleitbar ist, dass innerhalb des Rohres Mittel zum Zünden der Plasmabildung vorgesehen sind und dass der Raum im Hohlleiter außerhalb des Rohres mit einem Kühlmittel durchströmbar ist.
Dabei kann eine Konzentration der Energie auf den Innenraum des Rohres insbesondere dann erzielt werden, wenn der Radius des Hohlleiters und die Frequenz der Mikrowellen derart gewählt sind, dass die Feldverteilung einem Mode E01 entspricht.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass das Rohr von einer Kurzschlussscheibe bis zur anderen reicht, dass die eine Kurzschlussscheibe mit einer Gasaustrittsöffnung versehen ist und dass in der anderen Kurzschlussscheibe eine Gaszuführungseinrichtung angeordnet ist. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Mikrowellen durch eine in der Mantelfläche des Hohlleiters angeordnete Öffnung zuführbar sind.
Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, dass das Rohr innerhalb des Hohlleiters abgeschlossen ist, dass ein die Wände des Hohlleiters und des Rohres durchdringendes Gaszuführungsrohr vorgesehen ist und dass eine Gasaustrittsöffnung in einer der Kurzschlussscheiben angeordnet ist. Diese Ausgestaltung kann vorzugsweise derart ausgeführt sein, dass die Mikrowellen koaxial durch eine Öffnung in der anderen Kurzschlussscheibe zuführbar sind.
Gemäß einer Weiterbildung kann bei der Erfindung vorgesehen sein, dass die Mittel zum Zünden der Plasmabildung mindestens eine elektrische Funkenstrecke aufweisen. Eine solche Funkenstrecke kann mit von außen zugeführter Hochspannung betrieben werden.
Bei dieser Weiterbildung ist jedoch ein Zünden ohne Zuführung weiterer Energie, beispielsweise Hochspannung, dadurch möglich, dass die Mittel zum Zünden der Plasmabildung derart ausgebildet sind, dass der Zündfunke durch die Anregung mit den Mikrowellen entsteht. Dies kann beispielsweise durch in den Hohlleiter hineinragende Spitzen und Kanten aus Metall erfolgen, die gegebenenfalls nach dem Zünden aus dem Hohlleiter herausgefahren werden, um sie vor dem aggressivem Plasma zu schützen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung dieser Weiterbildung besteht darin, dass die Mittel zum Zünden der Plasmabildung aus mindestens einer Nut im Hohlleiter bestehen, deren Breite und Tiefe derart gewählt sind, dass zwischen den Rändern durch Einwirkung der Mikrowellen gegebener Wellenlänge ein Spannungsmaximum entsteht. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Tiefe einem Achtel der Wellenlänge entspricht und die Breite wesentlich kleiner als die Tiefe ist und/oder dass die Nut eine Ringnut in einer der Kurzschlussscheiben ist. Zur Erleichterung der Funkenbildung kann ferner vorgesehen sein, dass die Kanten der Nut zugespitzt sind.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, dass die mit der Ringnut versehene Kurzschlussscheibe eine Öffnung zum Zuführen von Gas aufweist. Dies hat den Vorteil, dass das zugeführte Gas unmittelbar nach dem Eintritt in den Hohlleiter ionisiert wird.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass die Mittel zum Zünden der Plasmabildung aus einem mit Metallspitzen bestückten Gegenstand bestehen, der durch eine Öffnung in einer der Kurzschlussscheiben kurzzeitig in den Innenraum des Rohres eingeführt werden kann. Dieser Gegenstand kann nach erfolgter Zündung wieder aus dem Innenraum entfernt werden.
Die erfindungsgemäße Anordnung kann bei niedrigen bis mittleren Drucken (bis etwa 100 mbar) als sogenannte Down-Stream-Source für Plasma verwendet werden. Bei höheren Prozessdrucken bis über Atmosphärendruck hinaus bildet sich eine Plasmafackel aus, welche für die Behandlung von Werkstoffen eingesetzt werden kann.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel,
2 einen Querschnitt durch den Hohlleiter mit angedeuteten elektrischen und magnetischen Feldlinien,
3 ein zweites Ausführungsbeispiel und
4 ein drittes Ausführungsbeispiel mit einer koaxialen Mikrowellenzuführung.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 werden in den Hohlleiter 1 seitlich über eine Öffnung 2 und einen weiteren Hohlleiter 3 von einem nicht dargestellten Mikrowellengenerator Mikrowellen zugeführt. Der Mikrowellengenerator sowie der weitere Hohlleiter 3 sind durch eine mikrowellen-tranparente Scheibe 4 vom Hohlleiter 1 getrennt.
Der Hohlleiter 1 ist oben und unten mit Abdeckplatten 7, 8 verschlossen, die auch als Kurzschlussscheiben dienen. Der Innendurchmesser des Hohlleiters beträgt etwa 100 mm, die Frequenz der Mikrowellen 2450 MHz. Daraus ergibt sich ein Mode E01 im Hohlleiter, dessen radial verlaufendenelektrischen und zirkular verlaufenden magnetischen Feldlinien in 2 angedeutet sind.
Über eine Öffnung 5 wird das zu ionisierende Gas zugeführt. Ein Rohr 10 aus hitzebeständigem und mikrowellendurchlässigem Material, beispielsweise Quarzglas, führt das Gas innerhalb des mittleren Bereichs, in welchem eine hohe Feldstärke herrscht, durch den Hohlleiter 1. Das Rohr 10 ist mit Dichtungsringen 19, 19' gegenüber dem äußeren Teil des Hohlleiters abgedichtet. Das ionisierte Gas, d.h. das Plasma, wird über eine Öffnung 6 abgeleitet. Um die Öffnung 5 herum ist eine Ringnut 9 angeordnet, deren Tiefe einem Achtel der Wellenlänge der zugeführten Mikrowellen entspricht. Daraus ergibt sich am oberen Ende der Nut ein Spannungsmaxima, so dass hier bei geeigneter Feldstärke der Mikrowellen Überschläge auftauchen, welche die Plasmabildung zünden.
Der das Rohr 10 umschließende Raum kann von einem Kühlgas umströmt werden, welches neben dem Rohr 10 auch die Wände des Hohlleiters 1 kühlt. Dazu sind Zu- und Abführöffnungen 11, 12, 13, 14 vorgesehen. Die Scheibe 4 verhindert ein Eindringen von erhitztem Kühlgas in den Hohlleiter 3 und dient somit als Temperaturschranke.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 3 weist eine als Düse 6' geformte Gasaustrittsöffnung auf. Damit kann eine schlanke "Plasmalanze" erzeugt werden. Ansonsten gleicht das Ausführungsbeispiel gemäß 3 demjenigen nach 1.
Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Mikrowellenenergie über eine Koaxialleitung 15 zugeführt, deren Mittelleiter 16 in einem Endbereich als Antenne 17 ausgebildet ist. Das Rohr 20 ist nach unten abgeschlossen. Das zu ionisierende Gas wird über ein weiteres Rohr 22 zugeführt. 4 zeigt ferner, dass der Hohlleiter 21 im Verhältnis zum Durchmesser auch länger ausgebildet sein kann als bei den anderen Ausführungsbeispielen.

Claims

Anordnung zur Erzeugung von Plasma, dadurch gekennzeichnet, dass Mikrowellen einem im wesentlichen kreisrunden Hohlleiter (1, 21) zuführbar sind, der an beiden Enden von Kurzschlussscheiben (7, 8) begrenzt ist, dass durch ein im Hohlleiter (1, 21) koaxial angeordnetes Rohr (10, 20) aus mikrowellen-transparentem und hitzebeständigem Werkstoff ein nach Art und Druck zur Plasmabildung geeignetes Gas durchleitbar ist, dass innerhalb des Rohres (10, 20) Mittel (9) zum Zünden der Plasmabildung vorgesehen sind und dass der Raum im Hohlleiter (1, 21) außerhalb des Rohres (10, 20) mit einem Kühlmittel durchströmbar ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius des Hohlleiters (1, 21) und die Frequenz der Mikrowellen derart gewählt sind, dass die Feldverteilung einem Mode E01 entspricht.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (10) von einer Kurzschlussscheibe (7) bis zur anderen (8) reicht, dass die eine Kurzschlussscheibe (7) mit einer Gasaustrittsöffnung (6) versehen ist und dass in der anderen Kurzschlussscheibe (8) eine Gaszuführungseinrichtung (5) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellen durch eine in der Mantelfläche des Hohlleiters (1) angeordnete Öffnung (2) zuführbar sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (20) innerhalb des Hohlleiters (21) abgeschlossen ist, dass ein die Wände des Hohlleiters (21) und des Rohres (20) durchdringendes Gaszuführungsrohr (22) vorgesehen ist und dass eine Gasaustrittsöffnung in einer der Kurzschlussscheiben (7) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellen koaxial durch eine Öffnung in der anderen Kurzschlussscheibe (8) zuführbar sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Zünden der Plasmabildung mindestens eine elektrische Funkenstrecke (9) aufweisen.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (9) zum Zünden der Plasmabildung derart ausgebildet sind, dass der Zündfunke durch die Anregung mit den Mikrowellen entsteht.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Zünden der Plasmabildung aus mindestens einer Nut (9) im Hohlleiter bestehen, deren Breite und Tiefe derart gewählt sind, dass zwischen den Rändern durch Einwirkung der Mikrowellen gegebener Wellenlänge ein Spannungsmaximum entsteht.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe einem Achtel der Wellenlänge entspricht und die Breite wesentlich kleiner als die Tiefe ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut eine Ringnut (9) in einer der Kurzschlussscheiben (8) ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanten der Nut zugespitzt sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der Ringnut (9) versehene Kurzschlussscheibe (8) eine Öffnung (5) zum Zuführen von Gas aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Zünden der Plasmabildung aus einem mit Metallspitzen bestückten Gegenstand bestehen, der durch eine Öffnung in einer der Kurzschlussscheiben kurzzeitig in den Innenraum des Rohres eingeführt werden kann.