DE69820518T2 - Vorrichtung zur Gasanregung durch Oberflächenwellen-Plasma und diese Vorrichtung enthaltende Gasanregungsanlage - Google Patents

Vorrichtung zur Gasanregung durch Oberflächenwellen-Plasma und diese Vorrichtung enthaltende Gasanregungsanlage Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gasanregung der Surfaguide-Art, bei der das Gas durch ein Oberflächenwellenplasma insbesondere bei Atmosphärendruck angeregt wird.
  • Die Erfindung betrifft ebenso eine Anlage zur Behandlung eines Gases, die eine derartige Anregungsvorrichtung beinhaltet.
  • Eine andere wirksame Anregungsvorrichtung für diese Anwendung ist unter der Bezeichnung "Surfatron-Guide" bekannt.
  • Ein besonders interessantes Anwendungsbeispiel für diese Arten von Vorrichtungen ist die Plasmabehandlung eines chemisch nicht reaktiven Gases, das Verunreinigungen enthält, die aus gasförmigen, perfluorierten Bestandteilen mit Treibhauseffekt oder flüchtigen, organischen Bestanteilen bestehen.
  • Hierzu werden das zu behandelnde Gas und die in ihm enthaltenen Verunreinigungen in einem elektrischen Feld platziert, das ausreichend stark ist, um eine elektrische Entladung durch Ionisation der Gasmoleküle zu erzeugen, die durch das Ablösen von Elektronen von den anfänglich neutralen Moleküle des Gases bewirkt wird.
  • Unter der Wirkung der Entladung dissozieren die Moleküle des Gases, um Radikale von kleinerer Größe als die anfänglichen Moleküle und in der Folge gegebenenfalls einzelne Atome zu bilden, wobei diese so angeregten Atome oder Molekülfragmente im Wesentlichen zu keiner chemische Reaktion Anlass geben.
  • Nach dem Durchgang durch die Entladung werden die Atome oder Gasmoleküle somit abgeregt beziehungsweise rekombinieren, um am Ausgang wieder intakt vorgefunden zu werden.
  • Die Verunreinigungen erfahren hingegen durch die Anregung eine Dissoziation und eine irreversible Transformation durch die Bildung von neuen Molekülfragmenten, die chemische Eigenschaften aufweisen, die von denjenigen der anfänglichen Moleküle verschieden sind, und die infolgedessen durch eine geeignete spätere Behandlung aus den Gasen extrahiert werden können.
  • Ein Surfatron-Guide umfasst eine hohle Struktur aus elektrisch leitendem Material mit einem ersten Teil, der durch einen im Wellenleiter beweglichen, einen Kurzschluss bildenden Kolben verschlossen ist, und einem zweiten Teil, der sich senkrecht zu dem ersten Teil erstreckt und in dem auf koaxiale Weise ein Rohr aus dielektrischem Material angebracht ist, in dem das zu behandelnde Gas strömt.
  • Der zweite Teil ist mit einem axial verschiebbaren Abstimmkolben für die Impedanzanpassung der Impedanz der Vorrichtung versehen.
  • Für die Erzeugung eines Oberflächenwellenplasmas bei Atmosphärendruck ist diese Art von Applikator eines elektromagnetischen Feldes befriedigend.
  • Er weist jedoch eine bestimmte Zahl von Nachteilen auf, insbesondere hinsichtlich seiner Kosten wegen der größeren Komplexität seines Aufbaus.
  • Es ist darüber hinaus eine Gasanregungsvorrichtung unter der Bezeichnung "Surfaguide" bekannt.
  • Diese Art von Anregungsvorrichtung umfasst eine einen Wellenleiter bildende hohle Struktur aus elektrisch leitendem Material, die an einen Mikrowellengenerator angeschlossen werden soll und mit einem Durchgang versehen ist, der von einem hohlen, dielektrischen Rohr durchquert werden soll, in dem das anzuregende Gas fließt, und einem Wellenkonzentrationsbereich, der dafür ausgelegt ist, beim Betrieb der Vorrichtung die von dem Generator erzeugte Mikrowellenstrahlung auf das Rohr zu konzentrieren, um in dem Gas ein Oberflächenwellenplasma zu produzieren.
  • Dem Surfaguide fehlt ein Abstimmkolben und er ist daher weniger teuer als der Surfatron-Guide. Die Länge des durch den Surfaguide erzeugten Plasmas ist außerdem bei gleicher Leistung ein wenig höher als dasjenige des durch den Surfatron-Guide erzeugten Plasmas.
  • Die Dichte der durch den Surfatron-Guide erzeugten Plasmasäule ist jedoch lokal höher als für den Surfaguide.
  • Wenn Entladungsrohre mit einem Durchmesser größer als 20 mm bei einer Frequenz von 2,45 GHz verwendet werden, ist der Surfaguide unter bestimmten Betriebsbedingungen zudem weniger effizient als der Surfatron-Guide.
  • Für hohe Betriebsleistungen treten außerdem Strahlungsverluste in die Umgebung des Surfaguide auf, die für die Energiebilanz der Vorrichtung nachteilig sind und außerdem Probleme mit der Zuverlässigkeit und Sicherheit erzeugen.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Nachteile der Vorrichtungen des Standes der Technik zu beheben und eine Anregungsvorrichtung für ein Gas bereitzustellen, die weniger teuer als der Surfatron-Guide ist und ebenso bei Atmosphärendruck arbeiten kann.
  • Ihr Gegenstand ist daher eine Vorrichtung zur Gasanregung der oberflächengeführten Art mit einer einen Wellenleiter bildenden, hohlen Struktur aus einem elektrisch leitenden Material, die an einen Mikrowellengenerator angeschlossen werden soll und mit einem Durchgang versehen ist, der von einem hohlen, dielektrischen Rohr durchquert werden soll, in dem das anzuregende Gas fließt, und einem Wellenkonzentrationsbereich, der dafür ausgelegt ist, beim Betrieb der Vorrichtung die von dem Generator erzeugte Mikrnwellenstrahlung auf das Rohr zu konzentrieren, um in dem Gas ein Oberflächenwellenplasma zu produzieren, dadurch gekennzeichnet, dass sie außerdem zumindest eine Muffe aus einem leitenden Material zur elektromagnetischen Abschirmung umfasst, die fest mit der Struktur verbunden ist und sich in Verlängerung des Durchgangs erstreckt, so dass sie das hohle Rohr umgibt, wobei die zumindest eine Muffe eine Länge aufweist, die zumindest gleich der Länge des in dem Gas erzeugten Plasmas ist.
  • Die erfindungsgemäße Anregungsvorrichtung kann außerdem eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen:
    • – die hohle, einen Wellenleiter bildende Struktur weist eine im Großen und Ganzen längliche Form auf und ein offenes erstes Ende, das an den Mikrowellengenerator angeschlossen werden soll, ein gegenüberliegendes, offenes Ende, das mit Kurzschluss bildenden Mitteln versehen werden soll, und einen Bereich mit verengtem Querschnitt umfasst, der sich zwischen dem ersten und zweiten Ende erstreckt und den Bereich zur Konzentrierung der Wellen begrenzt;
    • – der Bereich mit verengtem Querschnitt umfasst einen Mittelbereich von konstantem Querschnitt, der mit dem Durchgang versehen ist und sich zwischen zwei Teilen mit in Richtung der Enden linear anwachsendem Querschnitt erstreckt;
    • – die zumindest eine Muffe weist eine Länge auf, die zumindest gleich der Länge des in dem Gas erzeugten Plasmas ist;
    • – das freie Ende jeder Muffe trägt einen Flansch, der mit einem Loch für den Durchtritt des dielektrischen Rohrs versehen ist;
    • – die zumindest eine Muffe besitzt eine Länge, die gleich der Summe der Länge des Plasmas und der Vakuumwellenlänge der Mikrowellenstrahlung ist;
    • – die Wand der zumindest einen Muffe ist mit zumindest einer Öffnung zur Sichtbarmachung des Plasmas versehen, deren Abmessungen dafür ausgelegt sind, den Durchtritt der Strahlung zu verhindern;
    • – die zumindest eine Muffe besitzt eine im Großen und Ganzen zylindrische Form mit einem Querschnitt, der zumindest gleich dem Doppelten des Querschnitts des hohlen Rohrs ist;
    • – sie umfasst zwei Muffen, die sich in Verlängerung voneinander auf beiden Seiten des Mittelteils erstrecken;
    • – jede Muffe weist eine Endplatte auf, die sich zur Befestigung der Muffen an der Struktur durch Verschraubung der Platten miteinander jeweils seitlich über das Mittelteil hinaus erstreckt;
    • – der Durchmesser des Durchgangs ist größer als der Außendurchmesser des hohlen Rohrs.
  • Gegenstand der Erfindung ist ebenso eine Anlage zur Behandlung eines Gases mit einer Vorrichtung zur Gasanregung, die an einen Mikrowellengenerator angeschlossen ist und von einem hohlen, dielektrischen Rohr durchquert wird, in dem das anzuregende Gas fließt, wobei die Vorrichtung Mittel umfasst, um die von dem Generator erzeugte Mikrowellenstrahlung auf das dielektrische Rohr zu konzentrieren, so dass in dem Gas ein atmosphärisches Plasma zur Ionisierung und Anregung der Moleküle des zu behandelnden Gases erzeugt wird, um reaktive Gasbestandteile zu bilden, wobei die Anlage außerdem zumindest eine Einheit zur Behandlung der reaktiven Bestandteile umfasst, die am Ausgang des hohlen, dielektrischen Rohrs angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Gasanregung aus einer Anregungsvorrichtung besteht, wie sie oben definiert ist.
  • Weitere Merkmale und Vorteile gehen aus der folgenden Beschreibung hervor, die nur ein Beispiel betrifft und Bezug auf die folgenden beigefügten Zeichnungen nimmt:
  • 1 ist eine schematische Perspektivansicht eines Surfaguide der klassischen Art;
  • die 2 und 3 sind Tabellen, die die jeweiligen Wirkungsgrade des Surfaguide von 1 und eines Surfatron-Guide zeigen;
  • 4 ist eine schematische Seitenansicht der erfindungsgemäßen Anregungsvorrichtung;
  • 5 ist eine Draufsicht der Vorrichtung von 4;
  • 6 ist eine schematische Ansicht einer Anlage zur Behandlung eines Gases, die die Anregungsvorrichtung der 4 und 5 einsetzt; und
  • 7 ist eine Tabelle, die die jeweiligen Wirkungsgrade der erfindungsgemäßen Anregungsvorrichtung und des Surfaguide von 1 zeigt.
  • In 1 ist eine schematische Perspektivansicht eines Surfaguide klassischer Art dargestellt, der durch das allgemeine Bezugszeichen 10 bezeichnet wird.
  • Der Surfaguide 10 besteht hauptsächlich aus einer hohlen Struktur 12, die aus elektrisch leitendem Material hergestellt ist und mit einem ersten Ende 14, das an einen (nicht dargestellten) Mikrowellengenerator angeschlossen werden soll, und einem gegenüberliegenden, offenen Ende 16 versehen ist, das durch eine Platte verschlossen werden soll, die relativ zur Längsachse der Struktur 12 quer angeordnet ist und einen Kurzschluss bildet. In dieser 1 ist die Kurzschlussplatte nicht dargestellt.
  • Die Wand des Mittelteils der Struktur 12 ist mit transversalen Öffnungen 18 für den Durchtritt eines Entladungsrohrs 20 aus dielektrischem Material versehen, in dem eine Gassäule strömt.
  • Im Betrieb wird die durch den Mikrowellengenerator erzeugte Mikrowellenstrahlung durch die Struktur 12 geführt, die die einfallende Strahlung auf das Rohr 20 konzentriert, so dass in diesem und in dem in ihm enthaltenen, ionisierten Gasgemisch sich eine von der Oberfläche ausgehende elektromagnetische Welle ausbreitet, deren zugehöriges elektrisches Feld die Entladung in der Gassäule herbeiführt und aufrechterhält.
  • Wie zuvor erwähnt wurde, kann diese Art von Anregungsvorrichtung in dem Bereich der Plasmabehandlung von Abgasen verschiedener Arten verwendet werden, um sie zu reinigen oder in einem Gasgemisch enthaltene Perfluorkohlenwasserstoff-Bestandteile oder flüchtige, organische Bestandteilen durch eine Anregung des Gasgemischs und eine nachfolgende Behandlung zu eliminieren, die dafür ausgelegt ist, die unter der Wirkung des Plasmas angeregten chemischen Spezies mit einem entsprechenden reaktiven Bestandteil reagieren zu lassen, um sie aus den eintretenden Gases oder dem Gasgemisch zu eliminieren.
  • Diese Art von Anregungsvorrichtung weist jedoch, wie oben erwähnt, eine bestimmte Anzahl von Nachteilen auf.
  • Zunächst sieht man in 2, dass die einfallende Mindestleistung, die notwendig ist, um eine Eliminierung von SF6 in einem zum Beispiel aus SF6, O2 und Ar bestehenden Gasgemisch zu 100% zu erhalten, größer als diejenige Leistung sein muss, die für eine Eliminierung zu 100% mit einem Surfatron-Guide für identische Durchflüsse notwendig ist.
  • Wenn man die in dem Fall eines C2F6 enthaltenden Gasgemischs erhaltenen Eliminierungsgrade für sehr benachbarte, einfallende Mikrowellenleistungen zwischen dem klassischen Surfaguide einerseits und dem Surfatron-Guide andererseits vergleicht, stellt man zudem fest, dass für eine C2F6-Konzentration von 4,5% die zur Aufrechterhaltung einer stabilen Entladung notwendige Leistung für die zwei Arten von Applikatoren nur 790 W beträgt. Unter diesen Bedingungen ist der mit dem Surfaguide erhaltene Eliminierungsgrad nur geringfügig kleiner als derjenige, der in dem Fall des Surfatron-Guide beobachtet wird.
  • Bei einer höheren Konzentration von C2F6 gleich 8% ist die Mindestleistung zur Aufrechterhaltung einer stabilen Entladung jedoch deutlich höher. Diese Leistung variiert zwischen den zwei Vorrichtungen wenig, aber der Eliminierungswirkungsgrad wird in dem Fall des Surfaguide mittelmäßig, vor allem im Vergleich zu dem exzellenten Wert nahe Eins, der sich betreffs des Surfatron-Guide feststellen lässt. Dafür treten, wie zuvor erwähnt, für diese hohen Leistungen erhebliche Strahlungsverluste in die Umgebung der Vorrichtung auf, wobei diese Verluste sehr nachteilig für die Energiebilanz der Anlage sind und Probleme mit der Zuverlässigkeit und der Sicherheit hervorrufen.
  • In den 4 und 5 ist eine Gasanregungsvorrichtung dargestellt, die es gestattet, diese Nachteile zu beheben.
  • In 4 ist zu sehen, dass die mit dem Bezugszeichen 22 bezeichnete Anregungsvorrichtung eine hohle Struktur 24 von länglicher Form umfasst und aus einem elektrisch leitenden Material, insbesondere einem Metall, hergestellt ist, das für die ins Auge gefasste Verwendung geeignet ist.
  • Die hohle Struktur 24 weist vorzugsweise einen parallelepipedischen Querschnitt auf und umfasst zwei offene Enden 26 beziehungsweise 28, deren eines an einen Mikrowellengenerator und deren anderes an Mittel angeschlossen werden soll, die geeignet sind, um einen Kurzschluss zu bilden, vorzugsweise eine leitende Platte, die quer angeordnet und in Längsrichtung einstellbar angeordnet ist.
  • Zwischen den zwei Endbereichen 26 und 28 umfasst die Struktur 24 einen Bereich 30 mit verengtem Querschnitt, der einen Mittelteil 32 mit konstantem Querschnitt umfasst, der sich zwischen zwei Teilen 34 und 36 mit in Richtung der Endbereiche 26 und 28 linear zunehmendem Querschnitt erstreckt.
  • In Bezug auf 5 ist zu sehen, dass die den Mittelteil 32 bildenden Wände jeweils mit einer Öffnung versehen sind, wie beispielsweise 38, wobei diese Öffnungen einen Durchgang für ein Rohr 40 aus dielektrischem Material, wie beispielsweise Siliziumoxid, bilden, das in 4 fiktiv gestrichelt ist und in dem eine anzuregende Gassäule strömt.
  • Erfindungsgemäß ist auf jeder der Breitseiten des Mittelteils 32 eine Muffe 42 und 44 aus elektrisch leitendem Material angebracht, das vorzugsweise identisch zu dem Material ist, das die Struktur 24 bildet. Die Muffen sind vorzugsweise zylindrisch und koaxial zu dem durch die Öffnungen 38 gebildeten Durchgang platziert.
  • Es versteht sich, dass diese Muffen 42 und 44 aus einem elektrisch gut leitenden Material hergestellt werden müssen. Es ist außerdem notwendig, dass ein exzellenter elektrischer Kontakt der Muffen mit der Struktur 24 vorliegt. Für elektromagnetische Wellen mit einer Frequenz von 2,45 GHz könnte nämlich jede Diskontinuität der elektrischen Leitung einen Weg für das Entweichen der durch den Generator erzeugten Strahlung nach Außen bieten, selbst bei einem sehr festen mechanischen Sitz.
  • Die Struktur 24 und die Muffen 42 und 44 werden somit vorzugsweise aus Messing hergestellt, um die Bildung einer isolierenden Oxidschicht in dem Befestigungsbereich dieser Teile zu verhindern.
  • In den 4 und 5 ist ebenso zu sehen, dass die Enden der Muffen 42 und 44, die auf dem Wellenleiter 24 gegenüberliegend angebracht sind, jeweils mit einer Platte, wie beispielsweise 46, versehen sind, wobei diese Platten 46 an dem Mittelteil 32 mittels Schrauben, wie beispielsweise 48, angefügt sind. Auf diese Weise wird ein sehr enger mechanischer Kontakt der Metallflächen erhalten.
  • Die freien Enden der Muffen 42 und 44 sind zudem jeweils mit einem Flansch versehen, wie beispielsweise 50, der durch Verschraubung an ihnen befestigt ist und mit einer Öffnung, wie beispielsweise 52, für den Durchtritt des dielektrischen Rohrs 40 versehen ist.
  • Wie im folgenden erwähnt werden wird, können die Flansche 50 aus elektrisch leitendem Material oder isolierendem Material hergestellt oder abhängig von der Länge der Muffen eventuell weggelassen werden.
  • In 4 ist schließlich zu sehen, dass die Wand jeder Muffe mit Öffnungen 54 versehen ist, die die Sichtbarmachung des Plasmas in der Gassäule im Betrieb der Vorrichtung gestatten.
  • Im Betrieb leitet der Wellenleiter 24 die von dem Generator kommende, einfallende Mikrowellenstrahlung zu dem Bereich mit verengtem Querschnitt 30, der einen Bereich zur Konzentration der Mikrowellen bildet, und insbesondere zu dem dielektrischen Rohr 40.
  • Der Bereich 30 mit verengtem Querschnitt konzentriert nämlich die einfallende Strahlung auf das Mittelteil 32, damit sich in dem Rohr 40 und in der in ihm enthaltenen Gassäule eine von der Oberfläche ausgehende elektromagnetische Welle ausbreitet, deren zugehöriges elektrisches Feld in der Gassäule ein Plasma hervorbringt und aufrechterhält, um die Gasteilchen auf klassische Weise anzuregen und zu ionisieren.
  • Man erkennt, dass, um das Auftreten von Mehrfachreflexionen auf Höhe der zwei Übergangsteile 34 und 36 zu vermeiden, die Anlass für eine räumlichen Variation der Phase der Welle sein können, die verschieden von derjenigen eines Wellenleiter mit konstantem Querschnitt ist, der Übergang zwischen den zwei Endbereichen und dem Mittelteil 32 im Wesentlichen stufenweise erfolgt, wobei für den Übergangsbereich eine Länge verwendet wird, die annähernd gleich einem Vielfachen der Hälfte der Ausbreitungswellenlänge λg/2 in dem Wellenleiter 24 ist.
  • Man beachte zudem, dass der Durchmesser von jeder der Muffen ausreichend groß gewählt werden muss, um die Ausbreitung der die Entladung erzeugenden Oberflächenwelle nicht zu stören.
  • Diese Wahl wird durch zwei Erwägungen bestimmt. Falls einerseits dieser Durchmesser zu klein ist, kann das Mikrowellenfeld auf Höhe der Wand der Muffe sehr stark werden, da die Abnahme des Wertes des zugehörigen elektrischen Felds annähernd exponentiell von der Wand des Rohrs 40 aus erfolgt. Da die Leitfähigkeit des Metalls nicht unendlich ist, können somit in der die Muffen bildenden Wand Verluste durch Erwärmung auftreten, wobei diese Erwärmung zudem eine Schädigung der Muffen zur Folge haben kann.
  • Der Mindestdurchmesser hängt somit von der Mikrowellenleistung ab, die man in das Plasma einleiten möchte, das heißt von den Betriebsbedingungen der Vorrichtung. Um die Verluste zu begrenzen wird der Mindestdurchmesser der Muffe vorzugsweise gleich dem Doppelten von demjenigen des Rohrs 40 gewählt.
  • Falls andererseits der Durchmesser zu groß ist, kann die Struktur des elektromagnetischen Feldes seinen Charakter einer von der Oberfläche ausgehenden Welle verlieren und Resonanzhohlraumkopplungen auftreten, die die den Betriebsbereich der Entladung durch Energieaustausch zwischen den Hohlraummoden und derjenigen der Oberflächenwelle instabil machen.
  • Ein Kompromiss zwischen diesen zwei Erwägungen besteht darin, einen Durchmesser zu wählen, der zwischen dem Drei- bis Vierfachen des Durchmessers des Rohrs 40 liegt, zum Beispiel einen zwischen 60 und 80 mm liegenden Durchmesser für eine einfallende Frequenz von 2,45 GHz.
  • Man beachte ebenso, dass die Länge der Muffen zumindest gleich der Länge des Plasmas gewählt wird, so dass dieses ganz im Inneren der Muffen enthalten ist.
  • In dem Fall, dass die Länge der Muffen nur sehr geringfügig größer als diejenige des Plasmas ist, werden die Flansche 50 vorzugsweise aus elektrisch leitendem Material hergestellt, um so zu verhindern, dass die Strahlung nicht nach Außen entweicht.
  • Wie zuvor erwähnt wurde, werden diese Flansche 50 jedoch nicht notwendigerweise aus leitendem Material hergestellt, da die Intensität des Mikrowellenfeldes in diesem Bereich jenseits der Grenze des Plasmas gering ist.
  • Insbesondere für eine Muffenlänge gleich der Summe der Länge des Plasmas und der Wellenlänge der Strahlung ist die Intensität der Strahlung auf Höhe des Endabschnitts der Muffen 42 und 44 im Wesentlichen Null. In diesem Fall können die Flansche 50 weggelassen werden.
  • Es zeigt sich, dass die Surfaguide-Vorrichtung, die gerade beschrieben wurde, von sehr einfacher Struktur ist. Sie umfasst ein einziges Impdanzanpassungsmittel, das an eines der Enden der Wellenleiterstruktur 24 gegenüber vom Eintritt der vom Generator kommenden Mikrowellen angeschlossen ist, während der Surfatron-Guide ein tatsächliches, zusätzliches Anpassungsmittel besitzt. Es kann indessen vorteilhaft sein, an den Wellenleiter auf der Seite des Eintritts der Mikrowellenleistung einen Impedanzadapter mit drei Schraubtauchkolben von bekannter Art in der Breitseite des Leiters hinzuzufügen.
  • Sie gestattet indessen, einen Wirkungsgrad zu erzielen, der mit dem des Surfatron-Guide vergleichbar ist.
  • Die Beschreibung einer kompletten Anlage zur Behandlung eines Gases, die die zuvor beschriebene Anregungsvorrichtung verwendet, wird nun unter Bezug auf 6 beschrieben.
  • Die in dieser Figur dargestellte Anlage ist zum Beispiel für die Eliminierung von C2F6 in einem zum Beispiel aus C2F6, O2 und Ar bestehenden Gasgemisch bestimmt, das in das Entladungsrohr 40 durch eines seiner Enden eingeführt wird, wie durch den Pfeil F dargestellt ist.
  • In dieser Figur ist zu sehen, dass der zu der in den 4 und 5 dargestellten Anregungsvorrichtung identische Surfaguide 22 über eines seiner Enden 26 mit einem Mikrowellengenerator 56 verbunden ist, wobei das andere Ende 28 mit einer einen Kurzschluss bildenden, leitenden Platte 58 versehen ist, die quer angeordnet und in Längsrichtung einstellbar ist.
  • In Strömungsrichtung des zu behandelnden Gases gesehen stromabwärts mündet das Entladungsrohr 40 in eine Leitung 60 über eine Kühlkartusche 62, die zum Beispiel aus einem Wärmetauscher besteht, der mit einer Rohrschlange versehen ist, in der das zu behandelnde Gas strömt und die in einem Behälter eingeschlossen ist, in dessen Innerem ein Wasserkreislauf eingerichtet ist.
  • Die Leitung 60 führt das unter der Wirkung des Plasmas 64 angeregte Gas zu einer Behandlungseinheit 66, die aus einer Kartusche besteht, die ein Element beinhaltet, das mit den angeregten chemischen Spezies, die eliminiert werden sollen, reagieren kann, zum Beispiel ein alkalisches Element, wie beispielsweise sodahaltigen Kalk oder eine wässrige alkalische Lösung, und dann zu einer Entwässerungseinheit 68.
  • In 6 ist zudem zu sehen, dass die Leitung 60 zwei Umleitungseinheiten 70 und 72 umfasst, die durch entsprechende Ventile, wie beispielsweise 74 und 76, betätigt werden und an denen Probenentnahmezellen 78 und 80 dicht angebracht werden, die die Gase durch Fouriertransformations-Infrarotspektrometrie analysieren können.
  • Diese Anlage gestattet es, am Ausgang der Entwässerungseinheit 68 einen Eliminierungsgrad zu erhalten, der mit demjenigen vergleichbar ist, der mittels eines Surfatron-Guide erhalten wird.
  • Aus der in 7 dargestellten Tabelle ist in der Tat zu entnehmen, dass die Anlage von 6, die einen Surfaguide verwendet, der mit Muffen versehen ist, die eine elektromagnetische Abschirmung bilden, einen Eliminierungswirkungsgrad aufweist, der viel größer als derjenige des klassischen Surfaguide ist, dem diese fehlt und daher einen Teil der Strahlung entkommen lässt.
  • Bei der dargestellten Ausführungsform weist der Durchmesser der Öffnungen, wie beispielsweise 38, die in dem den Mittelteil bildenden Teil ausgebildet ist und den Durchgang für das Rohr 40 bildet, einen Wert nahe demjenigen des Außendurchmessers dieses Rohrs auf.
  • Gemäß einer vorteilhaften Variante ist der Durchmesser des Durchgangs 38 größer als der Außendurchmesser des Rohrs 40. Für ein Entladungsrohr 40 mit einem Außendurchmesser von annähernd 15 mm wird zum Beispiel der Durchmesser des Durchgangs vorzugsweise zwischen 20 und 22 mm gewählt, so dass ein Freiraum zwischen der den Mittelteil bildenden Wand 32 und dem Rohr 40 ausgebildet wird.
  • Gemäß dieser Ausführungsform erfolgt keine Konzentrierung von Mikrowellenenergie mehr in dem Ausstoßfreiraum der Vorrichtung in unmittelbarer Nachbarschaft der Wand des Rohrs 40. Sie gestattet es daher, bei höheren Leistungen zu arbeiten, um ohne Gefahr eines Defekts einen besseren Wirkungsgrad der Vorrichtung zu erzielen.
  • In dem gerade beschriebenen Ausführungsbeispiel weisen die Muffen eine zylindrische Form auf.
  • Es wäre jedoch alternativ möglich, die Vorrichtung mit Muffen zu versehen, die einen Querschnitt mit anderer, zum Beispiel rechtwinkliger, ovaler, etc.. Form aufweisen oder Muffen mit einer im Wesentlichen kegelstumpfartigen Form zu verwenden.
  • Es wäre außerdem möglich, die Löcher, die es gestatten, das erzeugte Plasma sichtbar zu machen, durch eine beliebige andere Art eines geeigneten Mittels zu ersetzen, wie beispielsweise ein Gitter oder einen Schlitz, von dem zumindest eine Abmessung ausreichend gering ist, um Verluste durch ein Austreten der Strahlung nach Außen zu vermeiden.

Claims (11)

  1. Vorrichtung zur Gasanregung der Surfaguide-Art mit einer einen Wellenleiter bildenden, hohlen Struktur (24), aus einem elektrisch leitenden Material, die an einen Mikrowellengenerator angeschlossen werden soll und mit einem Durchgang (38) versehen ist, der von einem hohlen, dielektrischen Rohr (40) durchquert werden soll, in dem das anzuregende Gas fließt, und einem Wellenkonzentrationsbereich (30), der dafür ausgelegt ist, beim Betrieb der Vorrichtung die von dem Generator erzeugte Mikrowellenstrahlung auf das Rohr (40) zu konzentrieren, um in dem Gas ein Oberflächenwellenplasma zu produzieren, dadurch. gekennzeichnet, dass sie außerdem zumindest eine Muffe (42, 44) aus einem leitenden Material zur elektromagnetischen Abschirmung umfasst, die fest mit der Struktur (24) verbunden ist und sich in Verlängerung des Durchgangs (38) erstreckt, so dass sie das hohle Rohr (40) umgibt, wobei die zumindest eine Muffe (42, 44) eine Länge aufweist, die zumindest gleich der Länge des in dem Gas erzeugten Plasmas ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hohle, einen Wellenleiter bildende Struktur (24) eine im Großen und Ganzen längliche Form aufweist und ein offenes erstes Ende (26), das an den Mikrowellengenerator angeschlossen werden soll, ein gegenüberliegendes, offenes Ende (28), das mit Kurzschluss bildenden Mitteln versehen werden soll, und einen Bereich (30) mit verengtem Querschnitt umfasst, der sich zwischen dem ersten (26) und zweiten (28) Ende erstreckt und den Bereich zur Konzentration der Wellen begrenzt.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (30) mit verengtem Querschnitt einen Mittelbereich (32) von konstantem Querschnitt umfasst, der mit dem Durchgang (38) versehen ist und sich zwischen zwei Teilen (34, 36) mit in Richtung der Enden (26, 28) linear anwachsendem Querschnitt erstreckt.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das freie Ende jeder Muffe (42, 44) einen Flansch (50) trägt, der mit einem Loch (52) für den Durchtritt des dielektrischen Rohrs (40) versehen ist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Muffe (42, 44) eine Länge besitzt, die gleich der Summe der Länge des Plasmas und der Vakuumwellenlänge der Mikrowellenstrahlung ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand der zumindest einen Muffe mit zumindest einer Öffnung (54) zur Sichtbarmachung des Plasmas versehen ist, deren Abmessungen dafür ausgelegt sind, den Durchtritt der Strahlung zu verhindern.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Muffe (42, 44) eine im Großen und Ganzen zylindrische Form besitzt mit einem Querschnitt, der zumindest gleich dem Doppelten des Querschnitts des hohlen Rohrs (40) ist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei Muffen (42, 44) umfasst, die sich in Verlängerung voneinander auf beiden Seiten des Mittelteils (32) erstrecken.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jede Muffe eine Endplatte (46) aufweist, die sich zur Befestigung der Muffen (42, 44) an der Struktur (24) durch Verschraubung der Platten (46) miteinander jeweils seitlich über das Mittelteil hinaus erstreckt.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Durchgangs (38) größer als der Außendurchmesser des hohlen Rohrs (40) ist.
  11. Anlage zur Behandlung eines Gases mit einer Vorrichtung (22) zur Gasanregung, die an einen Mikrowellengenerator (56) angeschlossen ist und von einem hohlen, dielektrischen Rohr (40) durchquert wird, in dem das anzuregende Gas fließt, wobei die Vorrichtung (22) Mittel (30) umfasst, um die von dem Generator erzeugte Mikrowellenstrahlung auf das dielektrische Rohr (40) zu konzentrieren, so dass in dem Gas ein atmosphärisches Plasma zur Ionisierung und Anregung der Moleküle des zu behandelnden Gases wird erzeugt, um reaktive Gasbestandteile zu bilden, wobei die Anlage außerdem zumindest eine Einheit (66, 68) zur Behandlung der reaktiven Bestandteile umfasst, die am Ausgang des hohlen, dielektrischen Rohrs (40) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Gasanregung aus einer Anregungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 besteht.
DE69820518T 1997-04-25 1998-04-21 Vorrichtung zur Gasanregung durch Oberflächenwellen-Plasma und diese Vorrichtung enthaltende Gasanregungsanlage Expired - Fee Related DE69820518T2 (de)

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