EP3636050A1 - Device for producing a plasma beam in the mhz and ghz range with tem and waveguide modes - Google Patents

Device for producing a plasma beam in the mhz and ghz range with tem and waveguide modes

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EP3636050A1
EP3636050A1 EP18733787.8A EP18733787A EP3636050A1 EP 3636050 A1 EP3636050 A1 EP 3636050A1 EP 18733787 A EP18733787 A EP 18733787A EP 3636050 A1 EP3636050 A1 EP 3636050A1
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EP
European Patent Office
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plasma
waveguide
electrode
supplied
mode
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP18733787.8A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Marcel Mallah
Holger Heuermann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fricke und Mallah Microwave Technology GmbH
Original Assignee
Fricke und Mallah Microwave Technology GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Fricke und Mallah Microwave Technology GmbH filed Critical Fricke und Mallah Microwave Technology GmbH
Publication of EP3636050A1 publication Critical patent/EP3636050A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/46—Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy
    • H—ELECTRICITY
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    • H05H1/461—Microwave discharges
    • H05H1/4637—Microwave discharges using cables

Definitions

  • the invention relates to an arrangement and a method for generating a plasma jet, in particular a high-pressure / high-temperature plasma jet, using applied high-frequency electromagnetic fields, or which supply the energy for igniting and holding the plasma by high-frequency electromagnetic waves, and in particular an arrangement and method having means for introducing materials into the plasma.
  • Atmospheric plasma jets are of interest for many different applications, such as cutting, welding, evaporation, melting or surface finishing operations, as well as extremely high temperatures or special heating conditions. Their applications range from coating processes (thin films, plasma spraying processes) over pyrolysis of organic compounds to exhaust gas treatment in internal combustion engines. Particularly sought after are processes for "rapid heating", a very rapid heating, because classical electrical heating processes with the help of resistive wires are slow. Therefore, the furnace steps are not only slow in mass production, but also relatively complex and expensive. Atmospheric plasma jets are to be distinguished from those which produce a plasma in a vacuum chamber, as disclosed in EP 0 710 054 B1 (Matsushita Electric Ind. Co.).
  • US 3,534,388 (Hitachi KK) and US 3,567,898 (Crucible Inc.) disclose so-called plasma torches for cutting workpieces.
  • the plasmas are generated via inner tungsten tips by arc or corona discharge and blown out of a Kop f.
  • DE 36 38 880 (Anton Paar KG)
  • the generation of an RF-induced noble gas plasma is known, wherein the energy required to ignite and maintain the plasma is capacitively fed via two opposing capacitor plates.
  • the capacitor plates are shaped and aligned with each other so as to enclose a cavity in which the plasma can form.
  • US 5,349,154 (Rockwell Int. Corp.) teaches a method of generating a plasma flame with 2.45 GHz microwaves.
  • the gas dynamic Design of this flame is such that a spin-stabilized flow of an inert gas is generated via a tangential inlet.
  • the process gas is fed via a nozzle and ignited.
  • microwave heating has existed in the scientific literature since 1956 [see also FE11959: GE Feiker, N. Gittinger: Rapid heating of dielectric materials at 915 mc, Transactions of the American Institute of Electrical Engineers, Part II : Applications and Industry, 1959, 78 (1), pp. 35-39] The term was first used to rapidly and efficiently heat microwave dielectric materials at 915 MHz, and microwave ovens are still highly efficient heating solutions today.
  • Plasmajet devices are on the market in which the energy for the plasma is supplied exclusively by high-frequency microwaves (Heuermann HF technology GmbH, Aachen, DE). They work with impedance transformation, as also described in DE10 2009 022755 A1 (Heuermann H) for HF lamps or in DE10 2006 005792 A1 (Heuermann H) for HF ignition systems. From DE10 2012 004034A1 (Gartzen J & Heuermann H) a Plasmajet device is known with an operating unit and an ignition unit and a supply line for process gas. These known Plasmajet devices operate with a change in the microwave frequency and a TEM mode.
  • the device of DE10 2012 004034 A1 operates with a fixed microwave frequency and two TEM modes.
  • These plasma jets have a maximum power of only 250 W, so they are no alternative for microwave ovens. Basically, it takes to ignite and maintain RF-induced plasmas a high voltage, which also allows the best possible adjustment and feeding of electrical energy for the operation of the Plasmajets. Recently, when microwave excitation is therefore often working with a generator whose operating frequency can be changed.
  • DE19605518 discloses the production of high pressure / high temperature plasma jets wherein in the free expansion region of a nozzle a plasma is ignited and maintained stationary.
  • the gas supply for the process gas is the center conductor of a coaxial-like construction with a corresponding dielectric sheath termination.
  • this construction leads to an extremely high elevation of the electric field and plasma generation with coupling of the microwave power in the gasjet expanding in the coupling region. This construction is extremely vulnerable to breakdowns.
  • the Plasmajet devices in the prior art are usually constructed as an elongated pointer tube, ie, as a tube (outer conductor of the coaxial cable in microwave systems or shielding in kHz and MHz systems) with a first opening for the supply of microwaves and an opposite outlet for the blown Plasmajet.
  • This construction is also ideal for many applications and especially for cutting torches, because their space requirement is low, the cutting torch easy to handle and also mechanical loads are manageable and solvable.
  • jets are achieved with a maximum of 500 to 800 W power.
  • plasma systems are used, which are fed with microwaves of a frequency of 2.45 GHz from a magnetron.
  • the plasma jets which have already been introduced by means of magnetron in the kW range, are also often operated with argon as the process gas, because this noble gas is easier to ionize and thus the expense of generating the high voltage is lower.
  • expensive noble gas must then be used for operation (see, eg, in [SHA2001], [JOR2007: Jordan, E., Cetegen, BM, Hadidi, K., Woskov, P., Microwave Plasma Apparatus and Method for Materials Processing, US 8748785 B2, 2007]).
  • these Plasmajet devices are not self-igniting, so they require a complex and expensive ignition electronics.
  • Another disadvantage is that they must be set separately for high voltage generation and plasma maintenance. This is done with stub tuners to adjust the impedance.
  • the prior art is a problem. Therefore, the object is to provide a device and a method for a high temperature Plasmajet at atmospheric pressure, which overcomes the disadvantages of the prior art.
  • a device for generating a plasma jet comprising
  • a housing having an input and an output forming in its interior a waveguide for electromagnetic waves and having at the output an end plate having an opening through which a plasma jet can escape;
  • the housing and the electrode are designed and arranged to each other such that electromagnetic waves supplied to the input propagate in two modes, in a waveguide mode and in a TEM mode;
  • At a location in the region of the opening for a discharge of the plasma jet is such a high field voltage that ignites a gas in this field to a plasma and the waveguide mode the ignited plasma with electromagnetic Energy feeds;
  • the field voltage necessary for igniting the plasma is produced in the region of the opening and between the electrode and end plate by impedance transformation;
  • the electromagnetic waves of the device are supplied at a fixed frequency and the fixed frequency does not have to be changed during the transition from the plasma ignition into the plasma operation.
  • the electrode which may be constructed as a cannula or massive, is set up and interpreted in its geometric shape and guidance by the waveguide that 3 to 20%, preferably 5 to 15% and more preferably about 10% of the energy of the waveguide wave is converted by first converting a mode into a TEM wave and secondly transforming it into a high voltage via impedance transformation. This is achieved by an interactive calculation of the transition of the waveguide wave into a TEM wave and in connection with the curvature, shape and arrangement of the electrode in the waveguide field.
  • the electrode or the cannula is designed and shaped in such a way that the lambda / 4 resonator field assumes a plasma-initiating value in the region of the plasma opening.
  • the base of the electrode or cannula is permanently electrically connected to the wall.
  • DE19605518 teaches no controlled impedance transformation, but proposes to cover the nozzle, which acts as the center conductor, and the opening in the housing termination with dielectric material. There is essentially a coaxial conductor, and there is no fashion transformation from a waveguide wave into a TEM wave. A design-related automatic ignition of the plasma is not described. Furthermore, the outlet opening for the plasma flame is designed sharp-edged, so that it comes to a capacitive plasma ignition. Such a structure is not controllable and leads in particular at high power to corona discharges, breakdowns or to a high material wear.
  • the electrode is designed as a cannula for the supply of process gas, because it is thus compatible for higher powers.
  • the housing for the waveguide has at least one second gas supply, through which a second gas stream for shaping the plasma jet can be supplied.
  • the electromagnetic waves are supplied at the input via a waveguide.
  • the electromagnetic waves are supplied at the input via a coaxial conductor. This has the advantage that the microwave-generating unit can be arranged flexibly and spatially separated from the plasma jet device.
  • Another aspect of the invention relates to a method of generating a plasma jet comprising
  • a preferred aspect then relates to a method comprising providing a second gas supply through which a second gas for cooling and shaping the plasma jet is blown into the device and through the outlet opening.
  • the basic principle of the device is to supply the necessary energy for generating the high-temperature / high-pressure plasma by high-frequency electromagnetic waves, preferably with a frequency of 900 MHz to several GHz; hereinafter referred to as RF energy.
  • the RF energy can be supplied via a waveguide or via a coaxial line.
  • the electromagnetic waves, waveguide waves are partially transformed into a TEM mode so that the field voltage can then be generated by impedance transformation for igniting the plasma.
  • the HF energy in the waveguide mode is used for energy supply of the plasma.
  • a specially designed electrode which may be held as a cannula (thin tube for the supply of process gas) or as a solid material and which is designed and guided so that the waveguide shaft first in the TEM mode transformed, then their energy at the outlet opening by impedance transformation generates an electric field to ignite the plasma.
  • the electrode and the interior of the head are designed so that the voltage generated by the supplied TEM mode at the end point of the electrode assumes a very high value, thereby easily to obtain the required ignition voltage without the need for special ignition electronics becomes.
  • the ignition of the plasma takes place distanced to the electrode in the outlet opening.
  • a stream of process gas or process fluid can be supplied. Wires, threads and fibers can also be supplied via the cannula.
  • a further gas supply line which serves to cool the housing and for forming the jet.
  • the electrode and the edges of the opening are cooled by such a second gas flow.
  • the output-side plate with the opening may be made of ceramic (dielectric) or metallic material. The material also determines the electrical behavior between electrode and plate.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of the Plasmajet- apparatus according to the invention with dual-mode microwaves, wherein the supply of RF energy is carried out by a coaxial conductor, and the positioning and curvature of the electrode with respect to the housing wall calculated and designed for a partial transformation of the microwaves in the TEM mode; and
  • FIG. 2 is a schematic drawing of the Plasmajets according to Figure 1, wherein the supply of the RF energy takes place directly via a waveguide;
  • Fig. 3 is a schematic drawing of another embodiment of the invention Plasmajet device with dual-mode microwaves, wherein the supply of RF energy is directly via a waveguide, and the partial mode transformation is performed by a calculated designed spacing and curvature of the housing wall to the electrode and Cannula for the process gas.
  • FIG. 1 is a sectional view of an embodiment of the Plasmajet- device, hereinafter also referred Plasmajetkopf or jet head.
  • the energy is coupled in with a coaxial conductor.
  • Fig. 2 shows another embodiment of the jet head, except that the energy is input via a waveguide connection.
  • Fig. 3 shows a third embodiment of the jet head, wherein also here the energy is input via a waveguide connection.
  • the RF energy is thus supplied either via the coaxial connector with the circular metallic inner conductor 11 and located between the inner conductor 11 and the outer conductor 12 dielectric 10 or via a waveguide in the plane 21 using the flange 20.
  • the waveguide has in practice a rectangular or round basic shape.
  • the coaxial RF connector is normally designed for a fixed characteristic impedance Zco.
  • the waveguide in the connection plane 21 is usually designed for a fixed characteristic impedance (Zzu).
  • a suitable waveguide mode usually H10 in the rectangular waveguide, the first mode of the dual-mode jet head
  • the injected RF energy is transported forward to the front head (right portion in Figures 1 and 2).
  • the left-hand area in the figures until the waveguide mode is generated in the plasma-etched housing is the coupling-in unit.
  • an electrode 19 is arranged, which is formed in each of Figures 1 to 3 as a cannula.
  • the cannula is electrically connected to the housing wall.
  • the housing wall is also waveguide boundary.
  • the electrode 19 can also be massively constructed.
  • the cannula construction with the connection for a gas supply 15 not only allows a higher performance.
  • Through the cannula can also be Gas flow are guided or the process gas.
  • the cannula can also carry fluids, wires, filaments and fibers, not only for control and cooling, but also for targeted feeding and doping of the resulting plasma jet.
  • the electrode is in its exact geometric shape and leadership by the waveguide designed so that it transports 3 to 20%, preferably 5 to 15% and particularly preferably about 10% of the electromagnetic energy of the waveguide shaft as a coaxial TEM wave (second Mode of dual-mode jet head). Furthermore, the electrode is designed so that the impedance at the end point (between 19 and 14) of the stationary coaxial shaft assumes a very high value. This is achieved in the simplest case by an electrical total length of the electrode of 90 ° or 270 ° or other odd-numbered multiples of 90 ° and a possible high-impedance design. With multistage impedance transformations (see also DE200610005792), even higher ignition voltages are obtained, which are necessary when working in the range up to approximately 700 W.
  • the electrode is straight and the housing inner wall, the waveguide boundary, correspondingly curved and shaped so that 3 to 20%, preferably 5 to 15% and particularly preferably about 10% of electromagnetic energy of the waveguide wave is transported as a coaxial TEM wave.
  • Fig. 3 shows a variant, wherein a 90 ° bend between the power supply and the plasma jet is present.
  • This embodiment solves the problem that a wire or powder is fed through the cannula into the plasma so that they can be pushed through the cannula more easily or do not block it so quickly. It may even be a ceramic tube between the metallic tube of the cannula and the inner wire, so that the wire is not contaminated by the cannula tube.
  • the mode conversion is then carried out by a calculated to the electrode curved and spaced metal insert 31, which transfers parts of the waveguide wave on the TEM conductor 13 and on the other hand steers the waveguide shaft with high efficiency around the corner.
  • a plate 18 is present, which usually has a circular opening around the place 14, where the field strength ignites the plasma.
  • the plate 18 may be made of a metallic or a ceramic material or a combination of these materials.
  • the geometry of the opening as well as the choice The materials have a strong influence on the electrical behavior, including the electric field between the electrode and the plate.
  • the characteristic impedance of the waveguide in the plasma head, its length, the electrode and the terminal plate, as well as tuning screws and other tuning means (not shown), which may be present in the waveguide, are designed so that almost the entire energy of the waveguide wave is absorbed in the plasma.
  • a second gas supply line 17 which mainly serves the steel forming of the plasma jet and only for cooling the environment of the Plasmajets.
  • the second gas can also be used to generate a protective gas atmosphere. If you only want to ignite or operate the plasma jet in pulsed mode, this supply line can be omitted. In this case, the entire interior or a part thereof may be filled with a dielectric (possibly pressure-tight).
  • a TEM mode is automatically formed in the device due to the geometry of the inner electrode, so that a high voltage at the tip of the electrode 19 results due to impedance transformation. which calculates the plasma approximately at the location 14 ignites. This ignited plasma is significantly increased by the high energy density of the incoming waveguide wave. Due to the air supply or gas supply via 17 and in particular by the process gas supply or air supply over 15, the plasma jet is carried beyond the location 14. Depending on the gas flow and power, a 5 to 30 cm long pressure jet can be generated. The entire inner arrangement of coupling unit and transformation stages is referred to below as the operating unit of the jet or the plasma jet.
  • Impedance transformers are designed so constructively at the operating frequency that the impedance of 0 ohms at the input in one or more stages in the kOhm or better in the MOhm range at the output (plasma exit) is transformed. Since the injected power P in this circuit is little attenuated and converted to the TEM mode with preferably approximately 10%, approximately 10% of the power is applied to the input at the tip of the electrode or needle. Thus, the high end impedance Zend causes the voltage Uend at the tip due to the relationship
  • Uend V (P Zend) (1) very high (often in the kV range).
  • V P Zend
  • an ionization of the gas between the electrode tip 19 and the plate 18 is effected.
  • a noble gas is passed through the cannula (inter alia), then only this is preferably ionized. In this case, a slender plasma jet with very high energy density results.
  • air or a similar gas (eg pure nitrogen) or no gas is passed through the cannula, the result is a relatively broad plasma, which forms as a ball in the absence of gas flow. The jet or jet results from the gas flow.
  • the energy of the waveguide modes is fed into the plasma at the same operating frequency.
  • the operating conditions are designed appropriately.
  • the plasma has the footpoint impedance Zin.
  • the transformers are designed to transform the impedance from Zzu to Zin. In this case, the plasma size becomes maximum and the losses of the dual-mode method become minimal.
  • alternatively to the illustrated impedance transformers as lambda / 4-line 13 in the RF range and impedance transformers by gamma and autotransformers, resonators, various filters, taped lines as well as concentrated components can be realized.
  • Plasmajet is compared to the previous because of the fact that the power supply is not limited, that is, neither electrotechnically by the semiconductor technology in the food electronics nor physically by the electrode erosion due to arc or spark discharges.
  • the energy is supplied in the form of the waveguide wave in air or gas. The hottest place in the plasma is about point 14.
  • the plasma jet device according to the invention has considerable advantages over established magnetron generators in industrial use:
  • the dual-mode jet device allows power of several kilowatts, with ignition and maintenance of the plasma at an operating frequency.
  • the plasma jet can be larger, wider and hotter, so have a greater energy.
  • the dual-mode jet device is essentially maintenance-free, compact, energy-efficient, robust and inexpensive to manufacture. • Atmospheric air can also serve as process gas in kW power mode.
  • Air and gases that are passed through the plasma jet in large quantities can be released from organic compounds, sterilized and cleaned.
  • the high energy flux of the plasma jet can penetrate oxide layers well, which, among other things, allows easy machining of aluminum;
  • Jets with capacities in the kW range are possible and atmospheric air can serve as heating gas.
  • the dual-mode jet device can serve as a burner for flammable gases and hot gases and can thus achieve better exhaust emissions.
  • Plastic, metal or ceramic solid materials can be wire or powder activated and fed to a 3-printer.
  • a plasma jet device which can ignite atmospheric air or any gas other than plasma.
  • the plasma jet or plasma jet is supplied with the necessary energy via microwaves of the waveguide wave.
  • the ignition of the plasma via an electric field voltage, which automatically results in a fixed frequency from a controlled TEM mode and thus does not require its own ignition electronics.
  • the microwave energy is supplied from magnetron sources or semiconductor sources in a waveguide mode.
  • atmospheric plasmas can be generated with energies from the watt range to the high kW range and even MW pulses are possible.
  • the electrode is advantageously designed as a cannula through which a process gas can be supplied.
  • Liquids, wires, threads or fibers can also be guided into the plasma via the cannula.
  • at least one second gas supply is provided, through which gas can be supplied for shaping the plasma jet and for cooling the environment, the housing, the electrodes or cannula, and the end plate.
  • the disclosed plasma jet has an energy density like a laser.
  • the Plasmajet is also suitable for activation, cleaning, cutting, melting and welding of various materials.

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Abstract

The invention relates to a plasma jet device that can produce a plasma in the atmospheric air or another gas, which is fed by means of microwaves with the required energy. The ignition of the plasma is carried out by a high voltage produced during a fixed frequency from a controlled TEM mode and thus renders superfluous an individual electronic ignition system. The microwave energy can be supplied from magnetron sources or semiconductor sources in a waveguide mode. Advantageously, atmospheric plasmas can be produced from the Watt range to the high kW range and even MW pulses. The electrodes can also be embodied as canullas through which the process gas can be guided. Liquids, wires, threads, or fibres can be guided into the plasma via the cannulas. The plasma jet according to the invention has a similar energy density to a laser. Said new jet can therefore also be used as an activating, cleaning, cutting, melting and soldering head.

Description

VORRICHTUNG ZUM ERZEUGEN EINES PLASMASTRAHLS IM MHZ- UND GHZBEREICH MIT TEM- UND HOHLLEITERMODEN  DEVICE FOR GENERATING A PLASMASTRAEL IN THE MHZ AND GZ AREA WITH TEM AND HOLLOWING MODES
GEBIET DER ERFINDUNG FIELD OF THE INVENTION
[0001] Die Erfindung betrifft eine Anordnungen und ein Verfahren zum Erzeugen eines Plasmastrahls, insbesondere eines Hochdruck/Hochtemperatur-Plasmastrahls, unter Verwendung angelegter hochfrequenter elektromagnetischer Felder, bzw. welche die Energie zum Zünden und Halten des Plasmas durch hochfrequente elektromagnetische Wellen zugeliefern, und insbesondere eine Anordnung und ein Verfahren mit Einrichtungen, um Materialien in das Plasma einzuführen.  The invention relates to an arrangement and a method for generating a plasma jet, in particular a high-pressure / high-temperature plasma jet, using applied high-frequency electromagnetic fields, or which supply the energy for igniting and holding the plasma by high-frequency electromagnetic waves, and in particular an arrangement and method having means for introducing materials into the plasma.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG BACKGROUND OF THE INVENTION
[0002] Atmosphärische Plasmajets sind für viele verschiedene Anwendungsbereiche von Interesse, beispielsweise für Schneid-, Schweiß-, Verdampfungs-, Schmelz- oder Oberflächenbearbeitungsvorgänge und auch für extrem hohe Temperaturen oder besondere Erwärmungsbedingungen. Ihr Einsatzspektrum reicht von Beschichtungsverfahren (Dünnschichten, Plasmaspritzverfahren) über die Pyrolyse organischer Verbindungen bis hin zur Abgasbehandlung bei Verbrennungskraftmaschinen. Gesucht sind insbesondere Verfahren für ein "Rapid Heating", eine sehr rasche Erwärmung, denn klassische elektrische Heizprozesse mit Hilfe von Wider- Standsdrähten sind langsam. Deshalb sind die Ofenschritte auch in der Massenfertigung nicht nur langsam, sondern auch vergleichsweise aufwändig und teuer. Atmosphärische Plasmajets sind zu unterscheiden von solchen, die ein Plasma in Unterdruckkammer erzeugen, wie offenbart in der EP 0 710 054 B1 (Matsushita Electric Ind. Co.).  Atmospheric plasma jets are of interest for many different applications, such as cutting, welding, evaporation, melting or surface finishing operations, as well as extremely high temperatures or special heating conditions. Their applications range from coating processes (thin films, plasma spraying processes) over pyrolysis of organic compounds to exhaust gas treatment in internal combustion engines. Particularly sought after are processes for "rapid heating", a very rapid heating, because classical electrical heating processes with the help of resistive wires are slow. Therefore, the furnace steps are not only slow in mass production, but also relatively complex and expensive. Atmospheric plasma jets are to be distinguished from those which produce a plasma in a vacuum chamber, as disclosed in EP 0 710 054 B1 (Matsushita Electric Ind. Co.).
[0003] US 3,534,388 (Hitachi KK) und die US 3,567,898 (Crucible Inc.) offen- baren sogenannte Plasmabrenner zum Schneiden von Werkstücken. Die Plasmen werden über innere Wolframspitzen durch Bogen- oder Koronaentladung erzeugt und aus einem Kop f herausgeblasen. Aus DE 36 38 880 (Anton Paar KG) ist die Erzeugung eines HF-induzierten Edelgasplasmas bekannt, wobei die zum Zünden und Aufrechterhalten des Plasmas erforderliche Energie kapazitiv über zwei einander gegen- überliegende Kondensatorplatten eingespeist wird. Die Kondensatorplatten sind derart geformt und zueinander ausgerichtet, dass sie einen Hohlraum umschließen, in dem sich das Plasma ausbilden kann. US 5,349, 154 (Rockwell Intn. Corp.) lehrt ein Verfahren zur Erzeugung einer Plasmaflamme mit Mikrowellen von 2,45 GHz. Die gasdynamische Ausgestaltung dieser Flamme ist derart, dass über einen Tangentialeinlauf eine drallstabilisierte Strömung eines Inertgases erzeugt wird. In dieses Strömungsfeld wird über eine Düse das Prozessgas eingespeist und gezündet. Durch die Drallstabilisierung der Flamme soll eine Überhitzung der Wand des Gehäuses und der Führungsrohre vermieden werden. [0003] US 3,534,388 (Hitachi KK) and US 3,567,898 (Crucible Inc.) disclose so-called plasma torches for cutting workpieces. The plasmas are generated via inner tungsten tips by arc or corona discharge and blown out of a Kop f. From DE 36 38 880 (Anton Paar KG), the generation of an RF-induced noble gas plasma is known, wherein the energy required to ignite and maintain the plasma is capacitively fed via two opposing capacitor plates. The capacitor plates are shaped and aligned with each other so as to enclose a cavity in which the plasma can form. US 5,349,154 (Rockwell Int. Corp.) teaches a method of generating a plasma flame with 2.45 GHz microwaves. The gas dynamic Design of this flame is such that a spin-stabilized flow of an inert gas is generated via a tangential inlet. In this flow field, the process gas is fed via a nozzle and ignited. By the swirl stabilization of the flame overheating of the wall of the housing and the guide tubes should be avoided.
[0004] Den Begriff „Rapid Heating" gibt es seit 1956 in der wissenschaftlichen Literatur [siehe auch FE11959: G. E. Feiker; N. C Gittinger: Rapid heating of dielectric materials at 915 mc, Transactions of the American Institute of Electrical Engineers, Part II: Applications and Industry, 1959, 78(1), pp. 35-39]. Der Begriff wurde erstmals verwendet für ein schnelles und effizientes Erwärmen von dielektrischen Werkstoffen mit Mikrowellen bei 915 MHz. Mikrowellen-Ofenanlagen stellen auch heute noch hocheffiziente Erwärmungslösungen dar. Sie setzen aber dielektrische Materialien voraus, welche die Hochfrequenzenergie absorbieren und in Wärme umwandeln. Diese sind vorhanden bekanntlich in Speisen aber auch in einigen Werkstoffen für die moderne Halbleitertechnik [OTA2016: Kosuke Ota; Shunsuke Kimura; Masahiko Hasumi; Ayuta Suzuki; Mitsuru Ushijima; Toshiyuki Sameshima, Microwave rapid heating used for diffusing impurities in Silicon, 2016, 23rd International Workshop on Active-Matrix Fiatpanel Displays and Devices (AM-FPD)]. In gut leitende Materialien dringen hochfrequente elektromagnetische Wellen jedoch kaum ein. Der Großteil der Energie wird oft auch reflektiert, was insbesondere bei der Erwärmung durch Licht bzw. Laserstrahlen ein Hindernis ist.  The term "rapid heating" has existed in the scientific literature since 1956 [see also FE11959: GE Feiker, N. Gittinger: Rapid heating of dielectric materials at 915 mc, Transactions of the American Institute of Electrical Engineers, Part II : Applications and Industry, 1959, 78 (1), pp. 35-39] The term was first used to rapidly and efficiently heat microwave dielectric materials at 915 MHz, and microwave ovens are still highly efficient heating solutions today. However, they require dielectric materials that absorb high-frequency energy and convert it into heat, which is known to exist in foods as well as some materials used in modern semiconductor technology [OTA2016: Kosuke Ota, Shunsuke Kimura, Masahiko Hasumi, Ayuta Suzuki, Mitsuru Ushijima, Toshiyuki Sameshima, Microwave Rapid Heating Used for Diffusing Impurities in Silicon, 2016, 23rd International Workshop on Active-Matr ix Fiat Panel Displays and Devices (AM-FPD)]. In high-conductivity materials, however, high-frequency electromagnetic waves hardly penetrate. The majority of the energy is often reflected, which is an obstacle in particular when heated by light or laser beams.
[0005] Seit 2011 sind Plasmajet-Einrichtungen auf dem Markt, bei denen die Energie für das Plasma ausschließlich durch hochfrequente Mikrowellen zugeführt wird (Heuermann HF-Technik GmbH, Aachen, DE). Sie arbeiten mit Impedanztrans- formation, wie auch beschrieben in DE10 2009 022755 A1 (Heuermann H) für HF- Leuchten oder in DE10 2006 005792 A1 (Heuermann H) für HF-Zündanlagen. Aus DE10 2012 004034A1 (Gartzen J & Heuermann H) ist eine Plasmajet-Einrichtung bekannt mit einer Betriebseinheit und einer Zündeinheit sowie einer Zuleitung für Prozessgas. Diese bekannten Plasmajet-Einrichtungen arbeiten mit einer Veränderung der Mikrowellenfrequenz und einem TEM-Mode. Eine Plasmajet-Anlage, die mit einer Veränderung der Mikrowellenfrequenz und einem TEM-Mode arbeitet, wurde auch 2013 auf einer Webseite der Firma Heuermann HF-Technik offenbart; (http://www.hhft.de- /index.php?page=plasma&subpage=ps_p4). Die Einrichtung der DE10 2012 004034 A1 arbeitet mit einer festen Mikrowellenfrequenz und zwei TEM-Moden. Diese Plasmajets haben nur eine Leistung von höchstens 250 W, so dass sie keine keine Alternative für Mikrowellen-Ofenanlagen darstellen. [0006] Grundsätzlich benötigt man zum Zünden und Aufrechterhalten von HF- induzierten Plasmen eine Hochspannung, die zudem eine bestmögliche Anpassung und Einspeisung der elektrischen Energie für den Betrieb des Plasmajets erlaubt. Man arbeitet neuerdings bei Mikrowellenanregung daher oft mit einem Generator, dessen Betriebsfrequenz umgestellt werden kann. DE10201 1055624 (Dritte Patentportfolio GmbH) beschreibt den Ansteuerprozess im Detail und die zugehörige Ansteuerelektronik. Die Ansteuerung verwendet ein so genanntes Bi-Static-Matching, wobei bei einer Frequenz eine Hochspannung erzeugt wird - beispielsweise im IMS-Band bei 2,45 GHz - und nach erfolgter Plasmazündung man auf eine andere Frequenz umgeschaltet, ca. 20-70 MHz entfernt, ebenfalls im IMS-Band. Für diese Umschaltung ist eine spezielle Mess- und Regelelektronik erforderlich sowie ein breitbandiger Transistorverstärker. Mögliche Alternativen wie die Verwendung eines Klystrons oder von Wanderfeldröhren wären extrem kostspielig. Zum Zünden des Plasmas braucht man eine Spannung von mehreren 10 kV. Diese Spannung kann auch im Innenraum durch Mikrowellen erzeugt werden. DE19605518 (Dornier) offenbart die Herstellung von Hochdruck/Hochtemperatur-Plasmajets, wobei im freien Expansionsbereich einer Düse ein Plasma gezündet und stationär aufrechterhalten wird. Bei dem beschriebenen Aufbau ist die Gaszuleitung für das Prozessgas der Mittelleiter einer koaxial-ähnlichen Konstruktion mit einem entsprechendem dielektrischem Mantelabschluss. In Verbindung mit der Reflexion der elektromagnetischen Welle am offenen Ende und gegenüberliegenden scharfen Kanten eines Gehäuses mit dielektrischer Beschichtung führt dieser Aufbau zu einer extrem hohen Überhöhung des elektrischen Feldes und zur Plasmaerzeugung unter Einkopplung der Mikrowellenleistung in den im Einkoppelbereich expandierenden Gasjet. Diese Konstruktion ist extrem gefährdet gegenüber Durchschlägen. Since 2011 Plasmajet devices are on the market in which the energy for the plasma is supplied exclusively by high-frequency microwaves (Heuermann HF technology GmbH, Aachen, DE). They work with impedance transformation, as also described in DE10 2009 022755 A1 (Heuermann H) for HF lamps or in DE10 2006 005792 A1 (Heuermann H) for HF ignition systems. From DE10 2012 004034A1 (Gartzen J & Heuermann H) a Plasmajet device is known with an operating unit and an ignition unit and a supply line for process gas. These known Plasmajet devices operate with a change in the microwave frequency and a TEM mode. A plasma jet system, which works with a change in the microwave frequency and a TEM mode, was also disclosed in 2013 on a website of Heuermann HF-Technik; (http://www.hhft.de- / index.php?page=plasma&subpage=ps_p4). The device of DE10 2012 004034 A1 operates with a fixed microwave frequency and two TEM modes. These plasma jets have a maximum power of only 250 W, so they are no alternative for microwave ovens. Basically, it takes to ignite and maintain RF-induced plasmas a high voltage, which also allows the best possible adjustment and feeding of electrical energy for the operation of the Plasmajets. Recently, when microwave excitation is therefore often working with a generator whose operating frequency can be changed. DE10201 1055624 (Third Patent Portfolio GmbH) describes the control process in detail and the associated control electronics. The control uses a so-called bi-static matching, where at one frequency a high voltage is generated - for example, in the IMS band at 2.45 GHz - and switched to another frequency after plasma ignition, about 20-70 MHz away , also in the IMS band. For this switching a special measuring and control electronics is required and a broadband transistor amplifier. Possible alternatives such as using a klystron or traveling wave tubes would be extremely costly. To ignite the plasma one needs a voltage of several 10 kV. This voltage can also be generated in the interior by microwaves. DE19605518 (Dornier) discloses the production of high pressure / high temperature plasma jets wherein in the free expansion region of a nozzle a plasma is ignited and maintained stationary. In the described construction, the gas supply for the process gas is the center conductor of a coaxial-like construction with a corresponding dielectric sheath termination. In conjunction with the reflection of the electromagnetic wave at the open end and opposite sharp edges of a housing with dielectric coating, this construction leads to an extremely high elevation of the electric field and plasma generation with coupling of the microwave power in the gasjet expanding in the coupling region. This construction is extremely vulnerable to breakdowns.
[0007] Die Plasmajet-Vorrichtungen im Stand der Technik sind in der Regel wie ein längliches Zeigerohr aufgebaut, d.h., als Rohr (Außenleiter der Koaxialleitung bei Mikrowellensystemen oder Schirmung bei kHz- und MHz-Systemen) mit einer ersten Öffnung für die Zufuhr von Mikrowellen und einer gegenüber liegenden Austrittsöffnung für den ausgeblasenen Plasmajet. Diese Konstruktion ist auch für viele Anwendungen und insbesondere für Schneidbrenner optimal, denn ihr Raumbedarf ist gering, der Schneidbrenner gut handbar und auch mechanische Belastungen sind überschaubar und lösbar. Bei atmosphärischen Plasmavorrichtungen, die im kHz- und im unteren MHz- Bereich arbeiten, werden Jets mit höchstens 500 bis 800 W Leistung erreicht. Im wissenschaftlichen Bereich kommen auch Plasmaanlagen zum Einsatz, die mit Mikrowellen einer Frequenz von 2,45 GHz aus einem Magnetron gespeist werden. Derartige Anlagen mit einer Leistung im Bericht von einem Kilowatt werden auch vielfach "Plasma Toren" genannt [SHA2001 : A.l. Al-Shamma'a, S.R. Wylie, J. Lucas, R.A. Stuart; Design and Construction a Microwave Plasma Jet System for Material Processing, Pulsed Power Plasma Science, 2001. PPPS-2001. Digest of Technical Papers, 2001 , Vol. 2, pp. 1308 - 131 1]. Nachteilig an diesen Anlagen, die im kHz- und im unteren MHz- Bereich arbeiten, ist, dass Plasmastrahlen mit einer Leistung über 500 W nur im Pulsbetrieb erzeugt werden können. Dauerleistungen über 800 W sind nicht möglich. Die Plasmajets, die mittels Magnetron im kW-Bereich bereits eingeführt sind, werden zudem oft mit Argon als Prozessgas betrieben, weil dieses Edelgas leichter ionisierbar ist und somit der Aufwand für die Erzeugung der Hochspannung geringer ist. Allerdings muss dann für den Betrieb teueres Edelgas verwendet werden (siehe z. B. in [SHA2001 ], [JOR2007: Jordan, E., Cetegen, B. M., Hadidi, K., Woskov, P., Microwave Plasma Apparatus and Method for Materials Processing, US 8748785 B2, 2007]). Auch sind diese Plasmajet-Einrichtungen keine Selbstzünder, sodass sie eine aufwendige und teure Zündelektronik benötigen. Nachteilig ist auch, dass man sie getrennt für Hochspannungserzeugung und die Plasmaaufrechterhaltung einstellen muss. Dies erfolgt mit Stub-Tunern zur Anpassung der Impedanz. Diese Plasmajet-Einrichtungen können daher nur sehr schwer in automatisierte Prozesse und in Fertigungsstraßen integriert werden. The Plasmajet devices in the prior art are usually constructed as an elongated pointer tube, ie, as a tube (outer conductor of the coaxial cable in microwave systems or shielding in kHz and MHz systems) with a first opening for the supply of microwaves and an opposite outlet for the blown Plasmajet. This construction is also ideal for many applications and especially for cutting torches, because their space requirement is low, the cutting torch easy to handle and also mechanical loads are manageable and solvable. At atmospheric plasma devices operating in the kHz and the lower MHz range, jets are achieved with a maximum of 500 to 800 W power. In the scientific field also plasma systems are used, which are fed with microwaves of a frequency of 2.45 GHz from a magnetron. Such plants with a performance in the report of one kilowatt are also many Called "plasma gates" [SHA2001: Al Al-Shamma'a, SR Wylie, J. Lucas, RA Stuart; Design and Construction of a Microwave Plasma Jet System for Material Processing, Pulsed Power Plasma Science, 2001. PPPS-2001. Digest of Technical Papers, 2001, Vol. 2, pp. 1308 - 131 1]. A disadvantage of these systems, which operate in the kHz and in the lower MHz range, is that plasma jets with a power over 500 W can only be generated in pulse mode. Continuous services over 800 W are not possible. The plasma jets, which have already been introduced by means of magnetron in the kW range, are also often operated with argon as the process gas, because this noble gas is easier to ionize and thus the expense of generating the high voltage is lower. However, expensive noble gas must then be used for operation (see, eg, in [SHA2001], [JOR2007: Jordan, E., Cetegen, BM, Hadidi, K., Woskov, P., Microwave Plasma Apparatus and Method for Materials Processing, US 8748785 B2, 2007]). Also, these Plasmajet devices are not self-igniting, so they require a complex and expensive ignition electronics. Another disadvantage is that they must be set separately for high voltage generation and plasma maintenance. This is done with stub tuners to adjust the impedance. These plasma jet facilities are therefore very difficult to integrate into automated processes and production lines.
[0008] Der Stand der Technik stellt deshalb ein Problem dar. Deshalb besteht die Aufgabe, eine Einrichtung sowie ein Verfahren für einen Hochtemperatur-Plasmajet bei Atmosphärendruck bereitzustellen, der die Nachteile des Stands der Technik behebt.  Therefore, the prior art is a problem. Therefore, the object is to provide a device and a method for a high temperature Plasmajet at atmospheric pressure, which overcomes the disadvantages of the prior art.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG BRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION
[0009] Das Problem wird behoben durch eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmastrahls, umfassend  The problem is solved by a device for generating a plasma jet, comprising
ein Gehäuse mit einem Eingang und einem Ausgang, das in seinem Inneren einen Hohlleiter für elektromagnetische Wellen ausbildet und das am Ausgang eine Endplatte aufweist mit einer Öffnung, durch die ein Plasmastrahl austreten kann;  a housing having an input and an output forming in its interior a waveguide for electromagnetic waves and having at the output an end plate having an opening through which a plasma jet can escape;
einer Elektrode, die sich durch das Gehäuse des Hohlleiters erstreckt und deren Ende in der Nähe der Öffnung für den Plasmastrahl liegt; wobei  an electrode extending through the housing of the waveguide and having its end proximate to the aperture for the plasma jet; in which
das Gehäuse und die Elektrode so ausgelegt und zueinander eingerichtet sind, dass am Eingang zugeführte elektromagnetische Wellen sich in zwei Moden ausbreiten, in einem Hohlleitermode und in einem TEM-Mode;  the housing and the electrode are designed and arranged to each other such that electromagnetic waves supplied to the input propagate in two modes, in a waveguide mode and in a TEM mode;
an einem Ort im Bereich der Öffnung für einen Austritt des Plasmastrahls eine so hohe Feldspannung vorliegt, dass sich ein Gas in diesem Feld zu einem Plasma entzündet und der Hohlleitermode das gezündete Plasma mit elektromagnetischer Energie speist; At a location in the region of the opening for a discharge of the plasma jet is such a high field voltage that ignites a gas in this field to a plasma and the waveguide mode the ignited plasma with electromagnetic Energy feeds;
die zum Zünden des Plasmas notwendige Feldspannung im Bereich der Öffnung und zwischen Elektrode und Endplatte durch Impedanztransformation hergestellt wird; und  the field voltage necessary for igniting the plasma is produced in the region of the opening and between the electrode and end plate by impedance transformation; and
die elektromagnetischen Wellen der Vorrichtung mit einer festen Frequenz zugeführt werden und die feste Frequenz beim Übergang von der Plasmazündung in den Plasmabetrieb nicht verändert werden muss.  the electromagnetic waves of the device are supplied at a fixed frequency and the fixed frequency does not have to be changed during the transition from the plasma ignition into the plasma operation.
[0010] Dies hat den überragenden Vorteil, dass das Plasma automatisch zündet und keine aufwendige Elektronik und Tuner für die Zündung und Aufrechterhaltung des Plasmas erforderlich sind.  This has the outstanding advantage that the plasma ignites automatically and no expensive electronics and tuners for the ignition and maintenance of the plasma are required.
[0011] Ein wesentlicher Vorteil und Unterschied gegenüber der Vorrichtung der DE19605518 liegt darin, dass die Elektrode, welche als Kanüle oder massig aufgebaut sein kann, in ihrer geometrischen Form und Führung durch den Hohlleiter so eingerichtet und auslegt wird, dass 3 bis 20 %, bevorzugt 5 bis 15% und besonders bevorzugt etwa 10% der Energie der Hohlleiterwelle durch erstens einer Modekonversion in eine TEM- Welle und diese zweitens über Impedanztransformation in eine Hochspannung umgewandelt wird. Dies wird erreicht durch eine interaktive Berechnung des Übergangs der Hohlleiterwelle in eine TEM-Welle und in Verbindung mit der Kurvatur, Form und Anordnung der Elektrode im Hohlleiterfeld. Es wird hier offenbart, die Elektrode bzw. die Kanüle so auszulegen und formgerecht zu gestalten, dass das lambda/4-Resonatorfeld im Bereich der Plasmaöffnung einen plasmazündenden Wert annimmt. Die Basis der Elektrode bzw. der Kanüle ist mit der Wand permanent elektrisch verbunden.  A significant advantage and difference compared to the device of DE19605518 is that the electrode, which may be constructed as a cannula or massive, is set up and interpreted in its geometric shape and guidance by the waveguide that 3 to 20%, preferably 5 to 15% and more preferably about 10% of the energy of the waveguide wave is converted by first converting a mode into a TEM wave and secondly transforming it into a high voltage via impedance transformation. This is achieved by an interactive calculation of the transition of the waveguide wave into a TEM wave and in connection with the curvature, shape and arrangement of the electrode in the waveguide field. It is disclosed here that the electrode or the cannula is designed and shaped in such a way that the lambda / 4 resonator field assumes a plasma-initiating value in the region of the plasma opening. The base of the electrode or cannula is permanently electrically connected to the wall.
[0012] Die DE19605518 lehrt keine kontrollierte Impedanztransformation, sondern schlägt vor, die Düse, die als Mittelleiter fungiert und die Öffnung im Gehäuse- abschluss mit dielektrischem Material zu belegen. Es liegt im Wesentlichen ein Koaxialleiter vor, und es erfolgt keine Modetransformation von einer Hohlleiterwelle in einen TEM-Welle. Eine konstruktiv bedingte automatische Zündung des Plasma ist nicht beschrieben. Weiterhin ist die Austrittsöffnung für die Plasmaflamme scharfkantig auszulegen, so dass es zu einer kapazitiven Plasmazündung kommt. Ein derartiger Aufbau ist nicht kontrollierbar und führt insbesondere bei hoher Leistung zu Koronaentladungen, Durchschlägen bzw. zu einem hohen Materialverschleiß.  [0012] DE19605518 teaches no controlled impedance transformation, but proposes to cover the nozzle, which acts as the center conductor, and the opening in the housing termination with dielectric material. There is essentially a coaxial conductor, and there is no fashion transformation from a waveguide wave into a TEM wave. A design-related automatic ignition of the plasma is not described. Furthermore, the outlet opening for the plasma flame is designed sharp-edged, so that it comes to a capacitive plasma ignition. Such a structure is not controllable and leads in particular at high power to corona discharges, breakdowns or to a high material wear.
[0013] Besonders bevorzugt ist die Elektrode als Kanüle für die Zuleitung von Prozessgas ausgebildet, weil sie dadurch für höhere Leistungen verträglich ist. In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt das Gehäuse für den Hohlleiter mindestens eine zweite Gaszufuhr, durch die ein zweiter Gasstrom für eine Formung des Plasmastrahl zugeführt werden kann. [0014] In einer Ausführungsform der Vorrichtung werden die elektromagnetischen Wellen am Eingang über einen Hohlleiter zugeführt. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform, werden die elektromagnetischen Wellen am Eingang über einen Koaxialleiter zugeführt. Dies hat den Vorteil, dass die mikrowellenerzeugende Einheit flexibel und räumlich getrennt von der Plasmajet- Vorrichtung angeordnet werden kann. Particularly preferably, the electrode is designed as a cannula for the supply of process gas, because it is thus compatible for higher powers. In a preferred embodiment, the housing for the waveguide has at least one second gas supply, through which a second gas stream for shaping the plasma jet can be supplied. In one embodiment of the device, the electromagnetic waves are supplied at the input via a waveguide. In another preferred embodiment, the electromagnetic waves are supplied at the input via a coaxial conductor. This has the advantage that the microwave-generating unit can be arranged flexibly and spatially separated from the plasma jet device.
[0015] Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Plasmastrahls, umfassend  Another aspect of the invention relates to a method of generating a plasma jet comprising
Bereitstellen einer Hohlleitervorrichtung mit einem Eingang und einem Ausgang mit einer Endplatte mit Öffnung für den Plasmastrahl und ein solches Auslegen der Vorrichtung, dass eine am Eingang zugeführte hochfrequente elektromagnetische Welle sich innerhalb der Vorrichtung in zwei Moden hin zum offenen Ausgang ausbreitet, in einem TEM-Mode und in einem Hohlleitermode, und die Öffnung am Ausgang so ausgelegt ist, dass ein Plasmastrahl austreten kann;  Providing a waveguide device having an input and an output with an aperture plate for the plasma jet, and laying out the device such that an input high frequency electromagnetic wave propagates within the device in two modes toward the open output, in a TEM mode and in a waveguide mode, and the opening at the exit is designed so that a plasma jet can emerge;
Einrichten einer rohrförmigen Elektrode innerhalb der Vorrichtung und in die Setting up a tubular electrode within the device and in the
Nähe des Ausgangs und Zuführen von einem Gas durch die rohrförmige Elektrode in einer Weise, dass es durch die Öffnung am Ausgang ausgeblasen wird; Near the exit and supplying a gas through the tubular electrode in such a way that it is blown out through the opening at the exit;
sowie Einrichten der rohrförmigen Elektrode innerhalb der Vorrichtung, dass ein Teil der Energie der Hohlleiterwelle in eine TEM-Welle transformiert und durch Impedanztransformation ein elektrisches Spannungsfeld für ein Zünden des ausgeblasenen Gases in der freien Öffnung des Ausgangs erzeugt wird;  and establishing the tubular electrode within the device such that a portion of the energy of the waveguide wave is transformed into a TEM wave and an electrical voltage field for ignition of the blown gas in the free port of the output is generated by impedance transformation;
Erzeugen einer hochfrequenten elektromagnetischen Welle, die dem Eingang der Hohlleitervorrichtung über einen Koaxialleiter oder einen Hohlleiter zugeführt wird;  Generating a high-frequency electromagnetic wave which is supplied to the input of the waveguide device via a coaxial conductor or a waveguide;
Erzeugen einer Spannung mittels des TEM-Modes, die das Zünden eines Generating a voltage by means of the TEM mode, the ignition of a
Plasmas am Ausgang der Vorrichtung zwischen dem Ende der Elektrode und der Hohlleitervorrichtung bewirkt, und Speisen des Plasmas mit Energie durch den Hohlleitermode; Causing plasma at the output of the device between the end of the electrode and the waveguide device, and energizing the plasma through the waveguide mode;
Erzeugen eines Gasstroms durch die Elektrode, durch die das gezündete Plasma aus der Hohlleitervorrichtung herausgeblasen wird und ein Plasmastrahl am Ausgang und außerhalb der Vorrichtung entsteht.  Generating a gas flow through the electrode, through which the ignited plasma is blown out of the waveguide device and a plasma jet is produced at the exit and outside the device.
[0016] Ein bevorzugter Aspekt betrifft dann ein Verfahren, umfassend das Bereitstellen einer zweiten Gaszufuhr, durch die ein zweites Gas zur Kühlung und Formung des Plasmastrahls in die Vorrichtung und durch die Austrittsöffnung geblasen wird. [0017] Das Grundprinzip der Vorrichtung ist, die zur Erzeugung des Hochtemperatur/Hochdruck-Plasmas notwendige Energie durch hochfrequente elektromagnetische Wellen zuzuführen, bevorzugt mit einer Frequenz von 900 MHz bis mehreren GHz; im Weiteren als HF-Energie bezeichnet. Die HF-Energie kann über einen Hohlleiter oder über eine Koaxialleitung zugeführt werden. Im Kopfbereich des Plasmajet-Erzeugers werden die elektromagnetischen Wellen, Hohlleiterwellen, partiell in einen TEM-Mode transformiert, so dass dann durch Impedanztransformation die Feldspannung erzeugt werden kann zum Zünden des Plasmas. Die HF-Energie im Hohlleitermode dient der Energiespeisung des Plasmas. Im Kopf des Plasmajet-Erzeugers liegt nahe der Austrittsöffnung eine speziell ausgelegte Elektrode, die als Kanüle (dünnes Röhrchen für die Zuleitung von Prozessgas) oder als Vollmaterial gehalten sein kann und die so gestaltet und geführt wird, dass die Hohlleiterwelle zunächst in den TEM- Mode transformiert, dann deren Energie an der Austrittsöffnung durch Impedanztransformation ein elektrisches Feld zum Zünden des Plasmas erzeugt. A preferred aspect then relates to a method comprising providing a second gas supply through which a second gas for cooling and shaping the plasma jet is blown into the device and through the outlet opening. The basic principle of the device is to supply the necessary energy for generating the high-temperature / high-pressure plasma by high-frequency electromagnetic waves, preferably with a frequency of 900 MHz to several GHz; hereinafter referred to as RF energy. The RF energy can be supplied via a waveguide or via a coaxial line. In the head region of the plasma jet generator, the electromagnetic waves, waveguide waves, are partially transformed into a TEM mode so that the field voltage can then be generated by impedance transformation for igniting the plasma. The HF energy in the waveguide mode is used for energy supply of the plasma. In the head of the Plasmajet generator is located near the outlet opening a specially designed electrode which may be held as a cannula (thin tube for the supply of process gas) or as a solid material and which is designed and guided so that the waveguide shaft first in the TEM mode transformed, then their energy at the outlet opening by impedance transformation generates an electric field to ignite the plasma.
[0018] Die Elektrode und das Innere des Kopfs sind so ausgelegt, dass die durch den zugeführten TEM-Mode erzeugte Spannung am Endpunkt der Elektrode einen sehr hohen Wert annimmt, um dadurch in einfacher Weise die benötigte Zündspannung zu erhalten ohne dass eine besondere Zündelektronik benötigt wird. Das Zünden des Plasmas erfolgt distanziert zur Elektrode in der Austrittsöffnung. Durch die Kanüle kann ein Strom mit Prozessgas oder auch Prozessflüssigkeit zugeleitet werden. Über die Kanüle können auch Drähte, Fäden und Fasern zugeführt werden. In der Plasmajet- Vorrichtung kann bevorzugt eine weitere Gaszuleitung vorhanden sein, die der Kühlung des Gehäuses und zur Formung des Jets dient. Auch die Elektrode und die Ränder der Öffnung werden durch einen derartigen zweiten Gasstrom gekühlt. Die am Ausgang liegende Platte mit der Öffnung kann aus keramischen (dielektrischen) oder metallischem Material sein. Das Material bestimmt auch das elektrische Verhalten zwischen Elektrode und Platte.  The electrode and the interior of the head are designed so that the voltage generated by the supplied TEM mode at the end point of the electrode assumes a very high value, thereby easily to obtain the required ignition voltage without the need for special ignition electronics becomes. The ignition of the plasma takes place distanced to the electrode in the outlet opening. Through the cannula, a stream of process gas or process fluid can be supplied. Wires, threads and fibers can also be supplied via the cannula. In the Plasmajet- device may preferably be provided a further gas supply line, which serves to cool the housing and for forming the jet. Also, the electrode and the edges of the opening are cooled by such a second gas flow. The output-side plate with the opening may be made of ceramic (dielectric) or metallic material. The material also determines the electrical behavior between electrode and plate.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
[0019] Es zeigt: Fig. 1 eine prinzipielle Schnittzeichnung der erfindungsgemäßen Plasmajet- Vorrichtung mit Dual-Mode-Mikrowellen, wobei die Zufuhr der HF-Energie erfolgt durch einen Koaxialleiter, und die Positionierung und Kurvatur der Elektrode bezüglich der Gehäusewand berechnet und ausgelegt ist für eine partielle Transformation der Mikrowellen in den TEM-Mode; und Fig. 2 eine Prinzipzeichnung der Plasmajets gemäß Figur 1 , wobei die Zufuhr der HF- Energie direkt über einen Hohlleiter erfolgt; 1 shows a schematic sectional view of the Plasmajet- apparatus according to the invention with dual-mode microwaves, wherein the supply of RF energy is carried out by a coaxial conductor, and the positioning and curvature of the electrode with respect to the housing wall calculated and designed for a partial transformation of the microwaves in the TEM mode; and Fig. 2 is a schematic drawing of the Plasmajets according to Figure 1, wherein the supply of the RF energy takes place directly via a waveguide;
Fig. 3 eine Prinzipzeichnung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Plasmajet-Vorrichtung mit Dual-Mode-Mikrowellen, wobei die Zufuhr der HF- Energie direkt über einen Hohlleiter erfolgt, und die partielle Modetransformation erfolgt durch eine berechnet ausgelegte Beabstandung und Kurvatur der Gehäusewand zur Elektrode und Kanüle für das Prozessgas.  Fig. 3 is a schematic drawing of another embodiment of the invention Plasmajet device with dual-mode microwaves, wherein the supply of RF energy is directly via a waveguide, and the partial mode transformation is performed by a calculated designed spacing and curvature of the housing wall to the electrode and Cannula for the process gas.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[0020] Figur 1 ist ein Schnittbild einer Ausführungsform der Plasmajet- Vorrichtung, nachstehend auch Plasmajetkopf oder Jetkopf bezeichnet. In der Ausführungsform von Figur 1 erfolgt die Energieeinkopplung mit einem Koaxialleiter. Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform des Jetkopfs, nur dass die Energieeinkopplung über einen Hohlleiteranschluss erfolgt. Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform des Jetkopfs, wobei auch hier die Energieeinkopplung über einen Hohlleiteranschluss erfolgt.  Figure 1 is a sectional view of an embodiment of the Plasmajet- device, hereinafter also referred Plasmajetkopf or jet head. In the embodiment of FIG. 1, the energy is coupled in with a coaxial conductor. Fig. 2 shows another embodiment of the jet head, except that the energy is input via a waveguide connection. Fig. 3 shows a third embodiment of the jet head, wherein also here the energy is input via a waveguide connection.
[0021] Die HF-Energie wird also zugeführt entweder über den koaxialen Steckverbinder mit dem kreisrunden metallischen Innenleiter 11 und dem zwischen dem Innenleiter 11 und dem Außenleiter 12 befindlichen Dielektrikum 10 oder über einen Hohlleiter in der Ebene 21 unter Verwendung des Flanschs 20. Der Hohlleiter hat in der Praxis eine rechteckige oder runde Grundform. Der koaxiale HF-Steckverbinder ist normalerweise auf einen festen Wellenwiderstand Zco ausgelegt. Der Hohlleiter in der Anschlussebene 21 ist in der Regel auf einen festen Wellenwiderstand (Zzu) ausgelegt. Durch passende Auslegung des Innenleiters 1 1 und Lage im Hohlleiter des Dualmode(DM)-Jetkopfes wird der Wellenwiderstand Zco auf den Wellenwiderstand Zzu des Jetkopfes transformiert und ferner die elektromagnetischen Moden überführt.  The RF energy is thus supplied either via the coaxial connector with the circular metallic inner conductor 11 and located between the inner conductor 11 and the outer conductor 12 dielectric 10 or via a waveguide in the plane 21 using the flange 20. The waveguide has in practice a rectangular or round basic shape. The coaxial RF connector is normally designed for a fixed characteristic impedance Zco. The waveguide in the connection plane 21 is usually designed for a fixed characteristic impedance (Zzu). By suitable design of the inner conductor 1 1 and position in the waveguide of the dual mode (DM) -Jetkopfes the characteristic impedance Zco is transformed to the characteristic impedance Zzu of the jet head and further transferred the electromagnetic modes.
[0022] Über einen geeigneten Hohlleitermode (meist H10 beim Rechteckhohlleiter, erster Mode des Dualmode-Jetkopfs) wird die eingespeiste HF-Energie nach vorne zum vorderen Kopf (rechter Bereich in Figuren 1 und 2) transportiert. Der in den Abbildungen linke Bereich bis zum Erzeugen des Hohlleitermodes im Plasmajet- Gehäuse ist die Einkoppeleinheit.  About a suitable waveguide mode (usually H10 in the rectangular waveguide, the first mode of the dual-mode jet head), the injected RF energy is transported forward to the front head (right portion in Figures 1 and 2). The left-hand area in the figures until the waveguide mode is generated in the plasma-etched housing is the coupling-in unit.
[0023] Im vorderen Jetkopf ist eine Elektrode 19 angeordnet, die in den Figuren 1 bis 3 jeweils als Kanüle ausgebildet ist. Die Kanüle ist mit der Gehäusewand elektrisch verbunden. Die Gehäusewand ist zugleich Hohlleiterbegrenzung. Die Elektrode 19 kann auch massig aufgebaut sein. Die Kanülenkonstruktion mit dem Anschluss für eine Gaszufuhr 15 erlaubt nicht nur eine höhere Leistung. Durch die Kanüle kann auch ein Gasstrom geführt werden bzw. das Prozessgas. In der Kanüle können auch Flüssigkeiten, Drähte, Fäden und Fasern verlaufen, nicht nur zur Steuerung und Kühlung, sondern auch zum gezielten Speisen und Dotieren des resultierenden Plasmastrahls. In the front jet head, an electrode 19 is arranged, which is formed in each of Figures 1 to 3 as a cannula. The cannula is electrically connected to the housing wall. The housing wall is also waveguide boundary. The electrode 19 can also be massively constructed. The cannula construction with the connection for a gas supply 15 not only allows a higher performance. Through the cannula can also be Gas flow are guided or the process gas. The cannula can also carry fluids, wires, filaments and fibers, not only for control and cooling, but also for targeted feeding and doping of the resulting plasma jet.
[0024] Die Elektrode ist in ihrer genauen geometrischen Form und Führung durch den Hohlleiter so ausgelegt, dass sie 3 bis 20%, bevorzugt 5 bis 15% und besonders bevorzugt ungefähr 10% der elektromagnetischen Energie der Hohlleiterwelle als koaxiale TEM-Welle transportiert (zweiter Mode des Dualmode-Jetkopfs). Weiterhin ist die Elektrode so ausgelegt, dass die Impedanz am Endpunkt (zwischen 19 und 14) der stehenden koaxialen Welle einen sehr hohen Wert annimmt. Dies gelingt im einfachsten Fall durch eine elektrischen Gesamtlänge der Elektrode von 90° oder 270° oder sonstigen ungradzahligen Vielfachen von 90° und einer möglichst hochohmigen Auslegung. Mit mehrstufigen Impedanztransformationen (siehe auch DE200610005792) erhält man noch höhere Zündspannungen, die notwendig sind, wenn man im Bereich bis rund 700 W arbeitet.  The electrode is in its exact geometric shape and leadership by the waveguide designed so that it transports 3 to 20%, preferably 5 to 15% and particularly preferably about 10% of the electromagnetic energy of the waveguide shaft as a coaxial TEM wave (second Mode of dual-mode jet head). Furthermore, the electrode is designed so that the impedance at the end point (between 19 and 14) of the stationary coaxial shaft assumes a very high value. This is achieved in the simplest case by an electrical total length of the electrode of 90 ° or 270 ° or other odd-numbered multiples of 90 ° and a possible high-impedance design. With multistage impedance transformations (see also DE200610005792), even higher ignition voltages are obtained, which are necessary when working in the range up to approximately 700 W.
[0025] In konstruktiver Umkehrung, gezeigt in der Prinzipzeichnung von Figur 3, ist die Elektrode gerade und die Gehäuseinnenwand, die Hohlleiterbegrenzung, korrespondierend gekrümmt und so geformt, dass 3 bis 20%, bevorzugt 5 bis 15% und besonders bevorzugt ungefähr 10% der elektromagnetischen Energie der Hohlleiter- welle als koaxiale TEM-Welle transportiert wird. Fig. 3 zeigt eine Variante, wobei eine 90°-Biegung zwischen der Energiezufuhr und dem Plasmastrahl vorhanden ist. Diese Ausführungsform löst das Problem, wird ein Draht oder Pulver durch die Kanüle in das Plasma zugeführt, dass sie einfacher durch die Kanüle geschoben werden können bzw. diese nicht so rasch verblocken. Es kann so sogar zwischen dem metallischen Rohr der Kanüle und dem inneren Draht ein Keramikröhrchen sein, so dass der Draht nicht durch das Kanülenrohr kontaminiert wird. Diese Konstruktion ist somit für SD-Druck- Anwendungen besonders vorteilhaft. Die Modekonversion erfolgt dann durch einen zur Elektrode berechnet gekrümmten und beabstandeten Metalleinsatz 31 , welcher Teile der Hohlleiterwelle auf den TEM-Leiter 13 überführt und andererseits die Hohlleiterwelle mit hoher Effizienz um die Ecke lenkt. Die Länge des TEM-Innenleiters muss dann bei n*Lambda/4 (n=1 ,3,5,... ) liegen.  In constructive inversion, shown in the schematic drawing of Figure 3, the electrode is straight and the housing inner wall, the waveguide boundary, correspondingly curved and shaped so that 3 to 20%, preferably 5 to 15% and particularly preferably about 10% of electromagnetic energy of the waveguide wave is transported as a coaxial TEM wave. Fig. 3 shows a variant, wherein a 90 ° bend between the power supply and the plasma jet is present. This embodiment solves the problem that a wire or powder is fed through the cannula into the plasma so that they can be pushed through the cannula more easily or do not block it so quickly. It may even be a ceramic tube between the metallic tube of the cannula and the inner wire, so that the wire is not contaminated by the cannula tube. This construction is thus particularly advantageous for SD printing applications. The mode conversion is then carried out by a calculated to the electrode curved and spaced metal insert 31, which transfers parts of the waveguide wave on the TEM conductor 13 and on the other hand steers the waveguide shaft with high efficiency around the corner. The length of the TEM inner conductor must then be at n * lambda / 4 (n = 1, 3.5, ...).
[0026] Am Ausgang des Jets ist eine Platte 18 vorhanden, die meist eine kreisrunde Öffnung aufweist um den Ort 14, wo die Feldstärke das Plasma zündet. Die Platte 18 kann aus einem metallischen oder einem keramischen Material bestehen oder aus einer Kombination dieser Materialien. Die Geometrie der Öffnung wie auch die Wahl der Materialien haben starken Einfluss auf das elektrische Verhalten, unter anderem auf das elektrische Feld zwischen Elektrode und Platte. At the output of the jet, a plate 18 is present, which usually has a circular opening around the place 14, where the field strength ignites the plasma. The plate 18 may be made of a metallic or a ceramic material or a combination of these materials. The geometry of the opening as well as the choice The materials have a strong influence on the electrical behavior, including the electric field between the electrode and the plate.
[0027] Der Wellenwiderstand des Hohlleiters im Plasmakopf, dessen Länge, die Elektrode und die Anschlussplatte sowie auch Abstimmschrauben und weitere Abstimm- mittel (nicht dargestellt), die in dem Hohlleiter vorhanden sein können, sind so ausgelegt, dass nahezu die gesamte Energie der Hohlleiterwelle in dem Plasma absorbiert wird.  The characteristic impedance of the waveguide in the plasma head, its length, the electrode and the terminal plate, as well as tuning screws and other tuning means (not shown), which may be present in the waveguide, are designed so that almost the entire energy of the waveguide wave is absorbed in the plasma.
[0028] In der Plasmastrahlvorrichtung gibt es bevorzugt neben der Gaszufuhr über die Kanüle 19 eine zweite Gaszuleitung 17, die hauptsächlich der Stahlformung des Plasmastrahls dient und nur darüber hinaus zur Kühlung der Umgebung des Plasmajets. Das zweite Gas kann auch zur Erzeugung einer Schutzgasatmosphäre verwendet werden. Möchte man nur Zünden oder den Plasmajet im Pulsbetrieb betreiben, so kann diese Zuleitung entfallen. In diesem Fall kann auch der gesamte Innenraum oder ein Teil davon mit einem Dielektrikum (ggf. druckdicht) gefüllt sein.  In the plasma jet device, there is preferably in addition to the gas supply via the cannula 19, a second gas supply line 17, which mainly serves the steel forming of the plasma jet and only for cooling the environment of the Plasmajets. The second gas can also be used to generate a protective gas atmosphere. If you only want to ignite or operate the plasma jet in pulsed mode, this supply line can be omitted. In this case, the entire interior or a part thereof may be filled with a dielectric (possibly pressure-tight).
[0029] Wird Mikrowellenenergie über 12 oder 21 (Koaxialleiter oder Hohlleiter) eingespeist, so bildet sich wegen der Geometrie der Innenelektrode automatisch noch ein TEM-Mode in der Vorrichtung aus, so dass durch Impedanztransformation eine hohe Spannung an der Spitze der Elektrode 19 resultiert, die das Plasma in etwa berechnet bei dem Ort 14 zündet. Dieses gezündete Plasma wird durch die hohe Energiedichte der zufließenden Hohlleiterwelle wesentlich vergrößert. Durch die Luftzufuhr bzw. Gaszufuhr über 17 und insbesondere durch die Prozessgaszufuhr bzw. Luftzufuhr über 15 wird der Plasmastrahl über den Ort 14 hinausgetragen. Je nach Gasstrom und Leistung kann ein 5 bis 30 cm langer Druckstrahl erzeugt werden. Die gesamte innere Anordnung aus Einkoppeleinheit und Transformationsstufen wird im Weiteren als Betriebseinheit des Jets oder des Plasmastrahls bezeichnet.  If microwave energy is fed in via 12 or 21 (coaxial conductor or waveguide), a TEM mode is automatically formed in the device due to the geometry of the inner electrode, so that a high voltage at the tip of the electrode 19 results due to impedance transformation. which calculates the plasma approximately at the location 14 ignites. This ignited plasma is significantly increased by the high energy density of the incoming waveguide wave. Due to the air supply or gas supply via 17 and in particular by the process gas supply or air supply over 15, the plasma jet is carried beyond the location 14. Depending on the gas flow and power, a 5 to 30 cm long pressure jet can be generated. The entire inner arrangement of coupling unit and transformation stages is referred to below as the operating unit of the jet or the plasma jet.
[0030] Es wird nun der Zündvorgang beschrieben. Die Elektrode bzw. die The ignition process will now be described. The electrode or the
Impedanztransformatoren sind bei der Betriebsfrequenz so konstruktiv ausgelegt, dass die Impedanz von 0 Ohm am Eingang in einer oder mehreren Stufen in den kOhm- oder besser in den MOhm-Bereich am Ausgang (Plasmaaustritt) transformiert wird. Da die eingespeiste Leistung P in dieser Schaltung wenig gedämpft und mit bevorzugt ungefähr 10% in den TEM-Mode konvertiert wird, liegt an der Elektroden- bzw. Kanülenspitze ungefähr 10% der Leistung am Eingang an. Somit wird durch die hohe Endimpedanz Zend die Spannung Uend an der Spitze aufgrund des Zusammenhanges Impedance transformers are designed so constructively at the operating frequency that the impedance of 0 ohms at the input in one or more stages in the kOhm or better in the MOhm range at the output (plasma exit) is transformed. Since the injected power P in this circuit is little attenuated and converted to the TEM mode with preferably approximately 10%, approximately 10% of the power is applied to the input at the tip of the electrode or needle. Thus, the high end impedance Zend causes the voltage Uend at the tip due to the relationship
Uend = V( P Zend ) (1) sehr hoch (oft im kV-Bereich). Durch diese hohe Spannung bzw. durch die sehr hohe elektrische Feldstärken wird eine Ionisation des Gases zwischen der Elektrodenspitze 19 und der Platte 18 bewirkt. Wird durch die Kanüle (u.a.) ein Edelgas geleitet, so wird bevorzugt nur dieses ionisiert. In diesem Fall ergibt sich ein schlanker Plasmastrahl mit sehr hoher Energiedichte. Wird Luft oder ein ähnliches Gas (z.B. reiner Stickstoff) oder gar kein Gas durch die Kanüle geleitet, so ergibt sich ein relativ breites Plasma, das sich bei nicht vorhandenem Gasfluss als Kugel ausbildet. Der Strahl oder Jet resultiert aus dem Gasfluss. Uend = V (P Zend) (1) very high (often in the kV range). By this high voltage or by the very high electric field strengths, an ionization of the gas between the electrode tip 19 and the plate 18 is effected. If a noble gas is passed through the cannula (inter alia), then only this is preferably ionized. In this case, a slender plasma jet with very high energy density results. If air or a similar gas (eg pure nitrogen) or no gas is passed through the cannula, the result is a relatively broad plasma, which forms as a ball in the absence of gas flow. The jet or jet results from the gas flow.
[0031] Es folgt der Betrieb bzw. der Unterhalt des Plasmajets. Nach dem Zünden des Plasmas wird bei gleicher Betriebsfrequenz die Energie des Hohlleiter- modes in das Plasma eingespeist. Für diesen zweiten Mode werden die Betriebsbedingungen geeignet ausgelegt. Das Plasma weist die Fusspunktimpedanz Zin auf. Die Transformatoren sind so ausgelegt, dass die Impedanz von Zzu auf Zin transformiert wird. In diesem Betriebsfall wird die Plasmagröße maximal und die Verluste des Dual- Mode-Verfahrens werden minimal. In einer bevorzugten Ausführungsform können alternativ zu den dargestellten Impedanztransformatoren als Lambda/4-Leitung 13 im HF-Bereich auch Impedanztransformatoren mittels Gamma- und Spartransformatoren, Resonatoren, diversen Filtern, getaperten Leitungen wie auch konzentrierten Bauelementen realisiert werden.  It follows the operation or maintenance of Plasmajets. After ignition of the plasma, the energy of the waveguide modes is fed into the plasma at the same operating frequency. For this second mode, the operating conditions are designed appropriately. The plasma has the footpoint impedance Zin. The transformers are designed to transform the impedance from Zzu to Zin. In this case, the plasma size becomes maximum and the losses of the dual-mode method become minimal. In a preferred embodiment, alternatively to the illustrated impedance transformers as lambda / 4-line 13 in the RF range and impedance transformers by gamma and autotransformers, resonators, various filters, taped lines as well as concentrated components can be realized.
[0032] Der im Dual-Mode- Verfahren Mikrowellen-gespeiste und -gezündete In the dual-mode process microwave-powered and-ignited
Plasmajet ist gegenüber den bisherigen dadurch neuartig, dass die Energieeinspeisung nicht beschränkt wird, das heißt, weder elektrotechnisch durch die Halbleitertechnik in der Speiseelektronik noch physikalisch durch den Elektrodenabbrand aufgrund von Bogen- oder Funkenentladungen. Die Energie wird in Form der Hohlleiterwelle in Luft oder Gas zugeführt. Der heißeste Ort im Plasma liegt ungefähr am Punkt 14. Plasmajet is compared to the previous because of the fact that the power supply is not limited, that is, neither electrotechnically by the semiconductor technology in the food electronics nor physically by the electrode erosion due to arc or spark discharges. The energy is supplied in the form of the waveguide wave in air or gas. The hottest place in the plasma is about point 14.
[0033] Die erfindungsgemäße Plasmajetvorrichtung besitzt durch gewählte HF- Energieeinspeisung und den Dual-Mode-Betrieb gegenüber etablierten Magnetrongeneratoren im Industrieeinsatz erhebliche Vorteile:  By virtue of the selected HF energy supply and the dual-mode operation, the plasma jet device according to the invention has considerable advantages over established magnetron generators in industrial use:
• Die Dual-Mode-Jetvorrichtung erlaubt eine Leistung von mehreren Kilowatt, wobei Zündung und den Unterhalt des Plasmas mit einer Betriebsfrequenz erfolgen.  The dual-mode jet device allows power of several kilowatts, with ignition and maintenance of the plasma at an operating frequency.
• Es werden keine Stub-Tuner oder weitere Einheiten benötigt, um die Plasmazustände Zündung und Betrieb zu unterstützen.  • Stub tuners or other units are not needed to support plasma ignition and operation conditions.
• Der Plasmastrahl kann größer, breiter und heißer sein, also eine größere Energie haben.  • The plasma jet can be larger, wider and hotter, so have a greater energy.
· Die Dual-Mode-Jetvorrichtung ist im Wesentlichen wartungsfrei, kompakt, energieeffizient, robust und preisgünstig herzustellen. • Atmosphärenluft kann auch im kW-Leistungsbetrieb als Prozessgas dienen. · The dual-mode jet device is essentially maintenance-free, compact, energy-efficient, robust and inexpensive to manufacture. • Atmospheric air can also serve as process gas in kW power mode.
• Es können Luft und Gase, die in großen Mengen durch den Plasmajet geleitet werden, von organischen Verbindungen befreit, sterilisiert und gereinigt werden. • Air and gases that are passed through the plasma jet in large quantities can be released from organic compounds, sterilized and cleaned.
• Im Gegensatz zu Verfahren mit Bogen- und Funkenentladung treten keine Hoch- Spannungen am Plasmastrahl auf und auch keine ESD. • In contrast to methods with arc and spark discharge, there are no high voltages at the plasma jet nor ESD.
• Es erfolgt kein Elektrodenabtrag, da diese nicht be- oder überlastet wird, und der Plasmastrahl besteht somit nur aus dem zugeleiteten Gas, sofern keine gezielte Dotierung erfolgt.  • There is no electrode removal, since this is not overloaded or overloaded, and the plasma jet thus consists only of the supplied gas, provided that no targeted doping takes place.
• Der hohe Energiefluss des Plasmastrahls kann Oxidschichten gut durchdringen, was unter anderem eine einfache Bearbeitung von Aluminium erlaubt;  • The high energy flux of the plasma jet can penetrate oxide layers well, which, among other things, allows easy machining of aluminum;
• Es sind Jets mit Leistungen im kW-Bereich möglich und Atmosphärenluft kann als Heizgas dienen.  • Jets with capacities in the kW range are possible and atmospheric air can serve as heating gas.
• Die Dual-Mode-Jetvorrichtung kann als Brenner für brennbare Gase und Heizgase dienen und es lassen sich so bessere Abgaswerte erzielen.  • The dual-mode jet device can serve as a burner for flammable gases and hot gases and can thus achieve better exhaust emissions.
» Es können gezielt Flüssigkeiten, die durch die Kanüle gepumpt werden, für Prozesse erhitzt, aktiviert, aufgespalten und verdampft werden. »Liquids pumped through the cannula can be heated, activated, split and vaporized for processes.
• Es können Kunststoff-, Metall- oder Keramik-Festmaterialien in Drahtform oder als Pulver aktiviert und einem 3-Drucker zugeführt werden.  • Plastic, metal or ceramic solid materials can be wire or powder activated and fed to a 3-printer.
[0034] Die Vorteile der vorgestellten Plasmastrahlvorrichtung im Dual-Mode- Mikrowellenbetrieb lassen sich somit wie folgt zusammenfassen. Es wird eine Plasmajet- Vorrichtung zur Verfügung gestellt, die Atmosphärenluft oder jedes andere Gas als Plasma zünden kann. Der Plasmastrahl bzw. Plasmajet wird über Mikrowellen der Hohlleiterwelle mit der notwendigen Energie versorgt. Die Zündung des Plasmas erfolgt über eine elektrische Feldspannung, das bei einer Festfrequenz automatisch aus einem kontrollierten TEM-Mode resultiert und somit eine eigene Zündelektronik nicht erfordert. Die Mikrowellenenergie wird aus Magnetronquellen oder Halbleiterquellen in einem Hohlleitermode zugeführt. Insbesondere können atmosphärische Plasmen erzeugt werden mit Energien vom Watt-Bereich bis in den hohen kW-Bereich und sogar MW- Pulse sind möglich. Die Elektrode ist vorteilhaft als Kanüle ausgelegt, durch die ein Prozessgas zugeleitet werden kann. Über die Kanüle können auch Flüssigkeiten, Drähte, Fäden oder Fasern in das Plasma geführt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist mindestens eine zweite Gaszufuhr vorhanden, durch die Gas zur Formung des Plasmastrahls und zur Kühlung der Umgebung, des Gehäuses, der Elektroden bzw. Kanüle, und der Endplatte zugeleitet werden kann. Der offenbarte Plasmajet hat eine Energiedichte wie ein Laser. Somit eignet sich der Plasmajet auch zum Aktivieren, Reinigen, Schneiden, Schmelzen und Schweißen von verschiedensten Werkstoffen. The advantages of the presented plasma jet device in dual-mode microwave operation can thus be summarized as follows. A plasma jet device is provided which can ignite atmospheric air or any gas other than plasma. The plasma jet or plasma jet is supplied with the necessary energy via microwaves of the waveguide wave. The ignition of the plasma via an electric field voltage, which automatically results in a fixed frequency from a controlled TEM mode and thus does not require its own ignition electronics. The microwave energy is supplied from magnetron sources or semiconductor sources in a waveguide mode. In particular, atmospheric plasmas can be generated with energies from the watt range to the high kW range and even MW pulses are possible. The electrode is advantageously designed as a cannula through which a process gas can be supplied. Liquids, wires, threads or fibers can also be guided into the plasma via the cannula. In a preferred embodiment, at least one second gas supply is provided, through which gas can be supplied for shaping the plasma jet and for cooling the environment, the housing, the electrodes or cannula, and the end plate. The disclosed plasma jet has an energy density like a laser. Thus, the Plasmajet is also suitable for activation, cleaning, cutting, melting and welding of various materials.
[0035] Die Offenbarung ist nicht auf die hier beschriebenen Beispiele, Zeichnungen und bevorzugten Ausführungsformen beschränkt, sondern sie ergibt sich auch aus den anhängenden Patentansprüchen und den Kenntnissen des Fachmannes zum Stand der Technik.  The disclosure is not limited to the examples, drawings and preferred embodiments described herein, but it is also apparent from the appended claims and the knowledge of the person skilled in the art.
LISTE DER BEZUGSZEICHEN 10 Dielektrikum LIST OF REFERENCE SIGNS 10 Dielectric
1 1 Innenleiter  1 1 inner conductor
12 Außenleiter  12 outer conductor
13 Lambda/4-Leitung / TEM-Leiter  13 lambda / 4-wire / TEM conductor
14 Ort des Plasmas  14 place of the plasma
15 Gaszuführungsanschluss 15 gas supply connection
16 Gehäuse  16 housing
17 Gaszuleitung  17 gas supply
18 Endplatte (metallisch oder keramisch) mit Öffnung  18 end plate (metallic or ceramic) with opening
19 Elektrode  19 electrode
20 Flansch 20 flange
21 Ort der Hohlleiter-Zuführung  21 Location of waveguide feed
31. Metalleinsatz für Umlenkung und Modekonversion der Hohlleiterwelle.  31. Metal insert for deflection and mode conversion of the waveguide shaft.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E P A T E N T A N S P R E C H E
Vorrichtung zum Erzeugen eines atmosphärischen Hochdruck-/Hochtemperatur- Plasmastrahls, umfassend: Apparatus for generating a high pressure / high temperature atmospheric plasma jet, comprising:
ein Gehäuse (16) mit einem Eingang und einem Ausgang, das in seinem Inneren einen Hohlleiter für elektromagnetische Wellen bildet und das am Ausgang eine Endplatte (18) mit einer Öffnung für einen Austritt eines Plasmas aufweist,  a housing (16) having an input and an output internally forming an electromagnetic wave waveguide and having at its output an endplate (18) having an opening for exit of a plasma,
eine Elektrode (19), die durch das Gehäuse (16) verläuft und in der Nähe der Öffnung am Ausgang endet,  an electrode (19) passing through the housing (16) and terminating near the opening at the exit,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
das Innere des Gehäuses (16) und die Form und Führung der Elektrode so ausgelegt sind, dass sich am Eingang zugeführte elektromagnetische Wellen in dem Gehäuse in zwei Moden ausbreiten, in einem Hohlleitermode und in einem TEM-Mode,  the interior of the housing (16) and the shape and routing of the electrode are designed such that input electromagnetic waves propagate in the housing in two modes, in a waveguide mode and in a TEM mode,
der TEM-Mode an einem Ort (14) in der Öffnung am Ausgang eine so hohe Feldspannung bewirkt, dass darin ein Plasma zündet, und der Hohlleitermode das gezündete Plasma mit elektromagnetischer Energie speist;  the TEM mode at a location (14) in the opening at the output causes such high field voltage to ignite a plasma therein, and the waveguide mode energizes the ignited plasma with electromagnetic energy;
die zum Zünden des Plasmas erforderliche Feldspannung und Energie durch Impedanztransformation erzeugt wird, und die Impedanz am Ort (14) der Zündung des Plasmas innerhalb des Gehäuses (16) durch Form und Abmessungen der Elektrode auf einen geeigneten hohen Wert angehoben wird; und die elektromagnetischen Wellen der Vorrichtung mit einer festen Frequenz zugeführt werden und die feste Frequenz beim Übergang von der Plasmazündung in den Plasmabetrieb nicht verändert werden muss.  the field voltage and energy required to ignite the plasma is generated by impedance transformation, and the impedance at the location (14) of the ignition of the plasma within the housing (16) is raised to a suitable high value by the shape and dimensions of the electrode; and the electromagnetic waves of the device are supplied at a fixed frequency and the fixed frequency does not have to be changed during the transition from the plasma ignition into the plasma operation.
Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei die Zündung und Speisung des Plasmas bei im Wesentlichen einer Frequenz und automatisch erfolgt. The device of claim 1, wherein the ignition and energization of the plasma occurs at substantially one frequency and automatically.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Elektrode (19) als Kanüle ausgebildet ist, durch die ein Prozessgas zuführbar ist. Apparatus according to claim 1 or 2, wherein the electrode (19) is designed as a cannula, through which a process gas can be supplied.
Vorrichtung nach Anspruch 1 , 2 oder 3, wobei im Gehäuse (16) mindestens eine zweite Gaszufuhr (17) vorgesehen ist, durch die ein zweites Gas für eine Kühlung des Gehäuses zugeführt werden kann. Apparatus according to claim 1, 2 or 3, wherein in the housing (16) at least a second gas supply (17) is provided, through which a second gas for cooling the housing can be supplied.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die elektromagnetischen Wellen am Eingang über einen Hohlleiter zugeführt werden. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die elektromagnetischen Wellen am Eingang über einen Koaxialleiter (10, 11 , 12) zugeführt werden. 5. Device according to one of claims 1 to 4, wherein the electromagnetic waves are supplied at the input via a waveguide. Device according to one of claims 1 to 4, wherein the electromagnetic waves are supplied at the input via a coaxial conductor (10, 11, 12).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die geometrische Form und Führung der Elektrode zur Hohlleiterbegrenzung so gestaltet und bemessen ist, dass 3 bis 20%, bevorzugt 10% der Energie der Hohlleiterwelle in einen TEM- Mode konvertiert wird. Device according to one of claims 1 to 6, wherein the geometric shape and guidance of the electrode for limiting the waveguide is designed and dimensioned so that 3 to 20%, preferably 10% of the energy of the waveguide wave is converted into a TEM mode.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Hohlleiter für die Hohlleiterwelle ein Rechteckhohlleiter ist. Device according to one of claims 1 to 7, wherein the waveguide for the waveguide wave is a rectangular waveguide.
Verfahren zum Erzeugen eines atmosphärischen Plasmastrahls, umfassend die Schritte:  A method of producing an atmospheric plasma jet, comprising the steps of:
Bereitstellen einer Vorrichtung mit einem Eingang und einem Ausgang, wobei am Eingang eine elektromagnetische Welle zugeführt wird, die sich innerhalb der Vorrichtung in zwei Moden, nämlich in einem Hohlleitermode und in einem TEM-Mode hin zum Ausgang ausbreitet, und der Ausgang so gestaltet ist, dass ein Plasma austreten kann;  Providing an apparatus having an input and an output, the input being supplied with an electromagnetic wave which propagates within the apparatus in two modes, namely in a waveguide mode and in a TEM mode towards the output, and the output is designed that a plasma can escape;
das Bereitstellen einer röhrchenförmigen Elektrode (19) innerhalb der Vorrichtung, durch die ein Gas geführt werden kann und die am Ausgang endet; das Erzeugen einer hochfrequenten elektromagnetischen Welle, die dem Eingang der Hohlleitervorrichtung über einen Koaxialleiter (10, 1 1 , 12) oder einen Hohlleiter zugeführt wird;  providing a tubular electrode (19) within the device through which a gas can be passed and which terminates at the exit; generating a high-frequency electromagnetic wave which is supplied to the input of the waveguide device via a coaxial conductor (10, 11, 12) or a waveguide;
durch die hochfrequente elektromagnetische Welle, die geometrisch kontrolliert in zwei Moden konvertiert wird, Erzeugen einer Spannung aus dem TEM-Mode, die zwischen dem Ende der Elektrode (19) und der Öffnung in der Endplatte (18) das Zünden eines Plasmas bewirkt, und das Speisen des Plasmas mit Energie durch den Hohlleitermode;  by the high-frequency electromagnetic wave, which is geometrically controlled converted into two modes, generating a voltage from the TEM mode, which causes the ignition of a plasma between the end of the electrode (19) and the opening in the end plate (18) Energizing the plasma with energy through the waveguide mode;
das Erzeugen eines Gasstroms, der das gezündete Plasma aus der Hohlleitervorrichtung drückt, und ein Plasmastrahl am Ausgang entsteht.  generating a gas flow which forces the ignited plasma out of the waveguide device and creating a plasma jet at the exit.
Verfahren nach Anspruch 9, zudem umfassend das Bereitstellen einer zweiten Gaszufuhr (17) in der Vorrichtung, durch die ein zweites Gas zugeführt werden kann. The method of claim 9, further comprising providing a second gas supply (17) in the device through which a second gas can be supplied.
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