WO2007028813A2 - Verfahren und vorrichtung zum zünden und erzeugen eines sich ausdehnenden, diffusen mikrowellenplasmas sowie verfahren und vorrichtung zur plasmabehandlung von oberflächen und stoffen mittels dieses plasmas - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum zünden und erzeugen eines sich ausdehnenden, diffusen mikrowellenplasmas sowie verfahren und vorrichtung zur plasmabehandlung von oberflächen und stoffen mittels dieses plasmas Download PDF

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WO2007028813A2
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microwave
resonant
ignition
wave
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Udo Krohmann
Torsten Neumann
Jörg EHLBECK
Kristian Rackow
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INP Institut für Niedertemperatur-Plasmaphysik e.V.
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • 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
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/30—Plasma torches using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy

Definitions

  • the present invention relates to a method for igniting and generating a propagating, diffuse microwave plasma. Furthermore, the invention relates to an apparatus for carrying out such a method.
  • the method is suitable for producing microwave plasmas for the purpose of plasma treatment of surfaces and substances, in particular of three-dimensional objects, as well as of particles under atmospheric pressure.
  • Microwave plasmas are eminently suitable for performing various types of plasma treatments, e.g. the activation, purification, coating, sterilization, modification and functionalization of surfaces.
  • plasma treatments e.g. the activation, purification, coating, sterilization, modification and functionalization of surfaces.
  • the use of a diffuse, largely homogeneous, expanded plasma is desired.
  • Plasmajets of various designs (DE19605518, EP0968524,
  • US Pat. No. 5,798,146 basically require a high gas flow, usually a special working gas, to drive out the plasma and are problematic in the ignition behavior. In addition, they generate only a small volume of plasma with a small diameter. As a result, they are not suitable for mass applications and too expensive to manufacture and operate.
  • the present invention is therefore an object of the invention to provide a method for igniting and generating a diffuse, spatially extended microwave plasma, which in particular in normal and high pressure is simple and reliable and in principle to realize without gas flow.
  • the method for igniting and generating a propagating diffuse Mikrowellenplasmas is characterized in that a) within a wave-limiting hollow structure at least one resonant ignition structure is arranged, b) a plasma ignition by microwave coupling is thereby caused by the resonant ignition structure dimensioned and arranged that a power input into the resonant ignition structure takes place and locally a high resonance field strength for the plasma ignition is achieved, a simultaneous driving of the plasma by the resonant ignition structure, however, is not possible and thus an inherent protection of the ignition device is given (a self-controlling Transition between the ignition and entertainment phase of the plasma), c) the plasma ignited by the resonant ignition structure is supplied with energy via a surrounding microwave field in such a way that a propagating, diffuse plasma is formed, d) the feed into the resonant ignition structure and into the plasma via the same microwave field.
  • This method can be applied both in low pressure and in atmospheric pressure and above.
  • a gas flow By applying a gas flow, a driving of the plasma is possible, which can cause an increase in the plasma volume according to the coupled power.
  • the method can be realized with any gases and their mixtures with and without gas flow.
  • the resonant ignition structure can be supplied with microwave energy via a direct coupling or from an ambient free microwave field.
  • a particularly interesting embodiment of the method is the generation of an expanding, diffuse plasma within a coaxial hollow structure.
  • the inner conductor is designed at the end as a resonant ignition structure so that a microwave coupling leads to the ignition of the plasma, the plasma but over the coaxial line is self-powered.
  • the diameter of the coaxial outer conductor is to be chosen so that according to the frequency used in the continuation of the outer conductor beyond the end of the inner conductor beyond a wave propagation through the open end of the outer conductor is not possible, however, a protrusion of the plasma from the opening is given.
  • the resonant ignition structure in the vicinity of a field maximum of a microwave field is arranged so that the forming plasma grows into the field maximum, a detachment of the plasma from the ignition structure is to be achieved.
  • the resonant ignition structure In an arrangement of the resonant ignition structure at one end of a waveguide and a feeding of the microwaves from the other end, the resonant ignition structure is largely decoupled from the microwave supply after formation of the plasma. This protects the ignition structure from the effects of the plasma.
  • the plasma can be influenced in its properties (e.g., temperature, expansion) by pulsing and modulating the energy input.
  • a further particularly advantageous embodiment of the resonant ignition structure is characterized in that it is arranged in the center conductor or in the outer conductor of the coaxial line and that they as a coaxial structure with a resonant length of ⁇ / 2 (lambda / 2) (half wavelength) or an odd multiple of ⁇ / 2 (lambda / 2) according to the frequency used.
  • the method for surface treatment by means of an expanding, diffuse microwave plasma is characterized in that within a coaxial hollow structure, a propagating and emerging from the structure diffused microwave plasma is ignited, the plasma for a plasma treatment suitable substances are supplied and to be treated surfaces and substances are guided into the effective range of the plasma.
  • the substances intended for the plasma treatment can be supplied to the plasma in solid (powdery form), liquid and gaseous form.
  • a modulation and pulsation of the energy supply is suitable.
  • a plasma treatment can only with atmospheric air under
  • color particles e.g., low melting polymers
  • the particles are melted in the plasma and deliquesce upon impact with the surface to form a uniform film.
  • the particles are subjected to a plasma treatment which causes the layer formed on the surface to harden in the shortest possible time solely by the plasma modification of the particles.
  • further additional (e.g., UV-curing) treatment is not required.
  • the method can be influenced in its scope and performance in that several plasma sources are arranged in series, annular to each other and one above the other or as an array.
  • a preferred apparatus for carrying out the method contains the following elements:
  • a device with these features can be configured by the fact that the microwave line is designed to be flexible and substances are supplied to the plasma via a plurality of feeders.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a basic device for generating an expanding, diffuse microwave plasma
  • Fig. 2 is a schematic representation of a specific embodiment of the
  • FIG. 3 is a schematic representation of a special embodiment of the resonant ignition structure as a coaxial structure
  • FIG. 4 Basic structure of a plasma processing apparatus;
  • Fig. 5 Plasma processing apparatus with a flexible material feeder.
  • Fig. 1 the schematic structure of a basic device for the implementation of
  • a method of igniting and generating an expanding, diffuse microwave plasma within a wave-limiting hollow structure is a method of igniting and generating an expanding, diffuse microwave plasma within a wave-limiting hollow structure.
  • the device consists of a wave-limiting hollow structure (1), a resonant ignition structure (3), a microwave generator (4) and a microwave feed (5).
  • the wave-limiting hollow structure (1) is made of electrically conductive material so that a cavity is formed, which is dimensioned so that a wave propagation within the cavity is possible, but is prevented to the outside.
  • a resonant ignition structure (3) is arranged so that it can extract from an electromagnetic field the energy required for the plasma ignition and the ignited, spread de plasma (2) from the surrounding electromagnetic field with energy becomes.
  • the resonant ignition structure (3) is formed from two electrically conductive resonant circuits (6) coupled to one another such that the open positions of the resonant circuits (6) are opposite one another.
  • the resonant length of the resonant circuit (6) is formed of at least one half wavelength of the frequency used.
  • the necessary for the construction of an electromagnetic field microwaves (2.45 GHz) are generated in a microwave generator (4) and via a micro- Welleneinspeisung (5) fed into the wave-limiting hollow structure (1).
  • the plasma (2) is ignited in air under atmospheric conditions (7) and remains within the wave-limiting hollow structure (1).
  • FIG. 2 the schematic structure of a specific embodiment for generating a propagating diffuse Mikrowellenplasmas (2) from a coaxial wave-limiting hollow structure (1) is shown out.
  • the device consists of a wave-limiting hollow structure (1), a resonant ignition structure (3), a microwave generator (4), a flexible microwave line (8) and a microwave feed (5) in the wave-limiting hollow structure (1).
  • the wave-limiting hollow structure (1) is designed in this case as a tube with an open end (9).
  • the diameter of the tube is selected according to the frequency used (2.45 GHz) so that wave propagation is not possible ( ⁇ / 2 - small lambda / 2).
  • the resonant ignition structure (3) is carried out in extension of the central conductor of the coaxial line so that on the one hand a direct energy input into the resonant ignition structure (3) for plasma ignition (7) takes place and on the other hand with the wave-limiting hollow structure (1) as a outer conductor formed a coaxial line is passed over the energy to the end of this coaxial line and thus outside the resonant ignition structure (3) builds up an electromagnetic field. Since the wave-limiting hollow structure (1) is extended beyond the end of the center conductor, wave propagation through the opening (9) to the outside is not possible.
  • the microwave energy generated by the microwave generator (4) is coupled in part via the flexible microwave line (8) in the resonant ignition structure (3), so that a plasma ignition (7) at the top of the resonant ignition structure (3), as well as on the resonant ignition structure (3) and the wave-limiting hollow structure (1) formed coaxial line led to the end of this coaxial line, so that from the resonant ignition structure (3) ignited plasma (2) is supplied via this coaxial line with energy that a Propagation of the plasma (2) takes place in such a way that a spread to the outside is achieved.
  • the plasma (2) is ignited under atmospheric conditions in air and enters out of the opening (9) automatically out.
  • a plasma diameter and an exit length of several cm can be achieved.
  • Fig. 3 shows a schematic representation of a particularly advantageous
  • resonant ignition structure This is given by the fact that it is designed as a coaxial structure with a resonant length of ⁇ / 2 (lambda / 2) (half wavelength) or an odd multiple of ⁇ / 2 (lambda / 2) according to the frequency used.
  • the depth of the resonant structure (3) is approximately lambda / 4 in this example.
  • This resonant structure (3) can be arranged both in the center conductor and in the outer conductor of the coaxial line.
  • FIG. 4 the schematic basic structure of an apparatus for implementing the method for the purpose of a plasma treatment of surfaces is shown.
  • the microwave energy generated by a microwave supply (4) is fed coaxially (5) into the wave-limiting hollow structure (1) via a preferably flexible microwave line (8).
  • the wave-limiting hollow structure (1) is preferably dimensioned as a tube corresponding to the frequency of 2.45 GHz used here so that wave propagation is possible only in the region of the coaxial structure. Wave propagation beyond the open end of the wave-limiting structure (1), however, is not possible by sufficient extension of the wave-limiting structure (1).
  • the resonant ignition structure (3) is coupled as an extension of the coaxial feed (5) to the power supply, that at a power coupling a high ignition field strength at the top of the resonant ignition structure (3) is formed, which is sufficient for plasma ignition (7), a feeding of the ignited plasma (2) but via the resonant ignition structure (3) as the center conductor and the wave-limiting hollow structure (1) formed as an outer conductor coaxial line.
  • a surface (13) to be treated is now arranged in the effective range of the plasma (2) such that a desired treatment effect, e.g. an activation of the surface (13) is achieved.
  • the plasma treatment can be carried out without any active gas flow with air at atmospheric pressure.
  • suitable substances can be supplied to the plasma (2) both inside and outside via a special delivery device (12) for achieving a defined treatment effect the wave limiting structure (1) are supplied.
  • a special delivery device (12) for achieving a defined treatment effect the wave limiting structure (1) are supplied.
  • the substances are in a container (10) and are supplied to the plasma (2) via the supply device (12).
  • By exchanging the container (10) different substances can be used depending on the desired application.
  • By arranging the containers (10) directly on the shaft-limiting hollow structure (1) a high flexibility and mobility of the device is provided.
  • Fig. 5 shows a comparison with Fig. 4 extended device, provided for the plasma treatment substances via a flexible conduit (11) from the fabric containers (10) via the feed device for substances (12) the plasma (2)

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Zünden und Erzeugen eines sich ausbreitenden, diffusen Mikrowellenplasmas und eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens offenbart. Das Verfahren ist insbesondere zum Erzeugen von Mikrowellenplasmen zum Zweck der Plasmabehandlung von Oberflächen und Stoffen insbesondere von dreidimensionalen Gegenständen als auch von Partikeln unter Atmosphärendruck geeignet. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Zünden und Erzeugen solchen Plasmas anzugeben, welches insbesondere im Normal- und Hochdruck einfach und betriebssicher sowie prinzipiell ohne Gasströmung zu realisieren ist. Ebenso soll ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Plasmabehandlung von Oberflächen und Stoffen mittels eines solchen Plasmas entwickelt werden, welches durch seine große Stabilität hinsichtlich Plasmagenerierung und Unterhaltung, geringem Gasverbrauch und großem Plasmavolumen eine effektive Plasmabehandlung möglich macht. Die Lösung besteht darin, dass innerhalb einer wellenbegrenzenden Hohlstruktur eine Plasmazündung durch Mikrowelleneinkopplung über eine resonante Zündstruktur erfolgt, ein gleichzeitiges Treiben des Plasmas durch die resonante Zündstruktur hingegen nicht möglich ist. Das gezündete Plasma über ein umliegendes Mikrowellenfeld so mit Energie gespeist wird, dass ein sich ausbreitendes, diffuses Plasma entsteht. Eine besondere Ausgestaltung in einer koaxialen Anordnung ermöglicht die Generierung eines aus der Vorrichtung heraustretenden Plasmas zum Zweck der mobilen Plasmabehandlung.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zum Zünden und Erzeugen eines sich ausdehnenden, diffusen Mikrowellenplasmas sowie Verfahren und Vorrichtung zur Plasmabehandlung von Oberflächen und Stoffen mittels dieses Plasmas Stand der Technik
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zünden und Erzeugen eines sich ausbreitenden, diffusen Mikrowellenplasmas. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens. Das Verfahren ist zum Erzeugen von Mikrowellenplasmen zum Zweck der Plasmabehandlung von Oberflächen und Stoffen insbesondere von dreidimensionalen Gegenständen als auch von Partikeln unter Atmosphärendruck geeignet.
[0002] Mikrowellenplasmen eignen sich hervorragend für die Durchführung verschiedenartiger Plasmabehandlungen, wie z.B. der Aktivierung, Reinigung, Beschichtung, Sterilisation, Modifizierung und Funktionalisierung von Oberflächen. Hierzu ist die Nutzung eines diffusen, weitestgehend homogenen, ausgedehnten Plasmas erwünscht.
[0003] In bekannten Verfahren (DE 4235914 Al, EP0209469, DE19726663) erfolgt die Zündung und Erzeugung derartiger Plasmen vorzugsweise im Niederdruckbereich bzw. atmosphärennahen Bereich. Ein Hochfahren und eine Anwendung in den Normaldruckbereich ist zwar möglich, macht jedoch den Plasmabehandlungsprozess sehr anfällig und instabil. Bei geringen Veränderungen (z.B. durch Gasströmung, Beimischung von Prozessgasen sowie von Aerosolen und Partikeln) erlischt das Plasma und muss wieder sehr aufwändig neu gezündet werden.
[0004] Andere bekannte Verfahren zur Plasmabehandlung unter Atmosphärendruck, wie die Barriereentladung sind für die Behandlung von dreidimensionalen Gegenständen und stark strukturierten Flächen nicht geeignet.
[0005] Plasmajets der verschiedensten Ausführungen (DE19605518, EP0968524,
US5798146) benötigen zum Heraustreiben des Plasmas grundsätzlich eine hohe Gasströmung, meist ein spezielles Arbeitsgas und sind im Zündverhalten problematisch. Darüber hinaus generieren sie nur ein geringes Plasmavolumen mit einem kleinen Durchmesser. Hierdurch sind sie für Massenanwendungen nicht geeignet und in Herstellung und Betrieb zu teuer.
[0006] Vorteilhaft wäre somit ein Verfahren zur Zündung und Erzeugung eines räumlich ausgedehnten Plasmas im Normaldruck oder Hochdruck mit hoher Zündsicherheit und stabilem Betrieb sowie einem möglichst geringen Gasdurchsatz. [0007] Durch den Wegfall aufwändiger Vakuumtechnik und dem geringen Verbrauch von Arbeits- und Prozessgasen sowie einer einfachen und sicheren Handhabung wird eine breitere und kostengünstigere Anwendung der Plasmabehandlung in vielen Bereichen erst ermöglicht.
Darstellung der Erfindung
[0008] Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Zünden und Erzeugen eines diffusen, räumlich ausgedehnten Mikrowellenplasmas anzugeben, welches insbesondere im Normal- und Hochdruck einfach und betriebssicher sowie prinzipiell ohne Gasströmung zu realisieren ist.
[0009] Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Plasmabehandlung von Oberflächen und Stoffen mittels einem sich ausdehnenden, diffusen Mikrowellenplasma unter Atmosphärendruck anzugeben, welches durch seine große Stabilität hinsichtlich Plasmagenerierung und Unterhaltung, geringem Gasverbrauch und großem Plasmavolumen eine effektive Plasmabehandlung möglich macht.
[0010] Die erfindungsgemäßen Lösungen werden in den Patentansprüchen dargestellt.
[0011] Hierbei ist das Verfahren zum Zünden und Erzeugen eines sich ausbreitenden, diffusen Mikrowellenplasmas dadurch gekennzeichnet, dass a) innerhalb einer wellenbegrenzenden Hohlstruktur mindestens eine resonante Zündstruktur angeordnet wird, b) eine Plasmazündung durch Mikrowelleneinkopplung dadurch veranlasst wird, indem die resonante Zündstruktur so dimensioniert und angeordnet ist, dass eine Leistungseinkopplung in die resonante Zündstruktur erfolgt und lokal eine hohe Resonanzfeldstärke für die Plasmazündung erzielt wird, ein gleichzeitiges Treiben des Plasmas durch die resonante Zündstruktur hingegen nicht möglich ist und damit ein inhärenter Schutz der Zündvorrichtung gegeben ist (ein sich selbst steuernder Übergang zwischen Zünd- und Unterhaltungsphase des Plasmas), c) das durch die resonante Zündstruktur gezündete Plasma über ein umliegendes Mikrowellenfeld so mit Energie gespeist wird, dass ein sich ausbreitendes, diffuses Plasma entsteht, d) die Einspeisung in die resonante Zündstruktur und in das Plasma über das gleiche Mikrowellenfeld erfolgt.
[0012] Dieses Verfahren kann sowohl im Niederdruck als auch im Atmosphärendruck und darüber angewendet werden. [0013] Durch Anlegen einer Gasströmung ist ein Treiben des Plasmas möglich, welches entsprechend der eingekoppelten Leistung eine Vergrößerung des Plasmavolumens hervorrufen kann. [0014] Das Verfahren kann mit beliebigen Gasen und deren Mischungen mit und ohne Gasströmung realisiert werden.
[0015] Der resonanten Zündstruktur kann je nach Ausführung Mikrowellenenergie über eine direkte Einkopplung oder aus einem umliegenden freien Mikrowellenfeld zugeführt werden.
[0016] Eine besonders interessante Ausgestaltung des Verfahrens stellt die Erzeugung eines sich ausdehnenden, diffusen Plasmas innerhalb einer koaxialen Hohlstruktur dar. Hierbei ist der Innenleiter am Ende als resonante Zündstruktur so ausgeführt, dass eine Mikrowelleneinkopplung zur Zündung des Plasmas führt, das Plasma sich aber über die koaxiale Leitung mit Energie selbst versorgt. Der Durchmesser des koaxialen Außenleiters ist so zu wählen, dass entsprechend der verwendeten Frequenz bei Weiterführung des Außenleiters über das Ende des Innenleiters hinaus eine Wellenausbreitung über das offene Ende des Außenleiters nicht möglich ist, ein Heraustreten des Plasmas aus der Öffnung jedoch gegeben ist.
[0017] Wird die resonante Zündstruktur in der Nähe eines Feldmaximums eines Mikrowellenfeldes so angeordnet, dass das sich bildende Plasma in das Feldmaximum hineinwächst, ist ein Ablösen des Plasmas von der Zündstruktur zu erreichen.
[0018] Bei einer Anordnung der resonanten Zündstruktur an einem Ende eines Hohlleiters und einer Einspeisung der Mikrowellen vom anderen Ende wird die resonante Zündstruktur nach Bildung des Plasmas weitgehend von der Mikrowellenversorgung abgekoppelt. Hierdurch ist eine Schonung der Zündstruktur von den Einflüssen des Plasmas gegeben.
[0019] Für die Erzeugung des Plasmas sind Mikrowellenfrequenzen von 400 bis 10.000 MHz geeignet.
[0020] Das Plasma kann in seinen Eigenschaften (z.B. Temperatur, Ausdehnung) durch Pulsung und Modulierung der Energieeinspeisung beeinflusst werden.
[0021] Durch eine gezielte Anordnung der resonanten Zündstruktur innerhalb der wellenbegrenzenden Hohlstruktur und einer entsprechenden Öffnung ist ein Heraustreten des Plasmas aus der wellenbegrenzenden Hohlstruktur zu erreichen.
[0022] Eine weitere besonders vorteilhafte Ausführung der resonanten Zündstruktur ist dadurch gekennzeichnet, dass sie im Mittelleiter oder im Außenleiter der koaxialen Leitung angeordnet ist und dass sie als Koaxialstruktur mit einer resonanten Länge von λ/2 (Lambda/2) (halbe Wellenlänge) oder einem ungeraden Vielfachen von λ/2 (Lambda/2) entsprechend der verwendeten Frequenz ausgeführt ist.
[0023] Das Verfahren zur Oberflächenbehandlung mittels eines sich ausdehnenden, diffusen Mikrowellenplasmas ist dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb einer koaxialen Hohlstruktur ein sich ausbreitendes und aus der Struktur heraustretendes diffuses Mikrowellenplasma gezündet wird, dem Plasma für eine Plasmabehandlung geeignete Stoffe zugeführt werden und zu behandelnde Oberflächen und Stoffe in den Wirkbereich des Plasmas geführt werden.
[0024] Die für die Plasmabehandlung vorgesehenen Stoffe können in fester (pulverförmig er), flüssiger und gasförmiger Form dem Plasma zugeführt werden.
[0025] Zur Erzielung einer spezifischen Plasmawirkung, wie z.B. der Erzeugung einer bestimmten UV-Strahlung, ist eine Modulation und Pulsung der Energiezufuhr geeignet.
[0026] Durch gezielte Zuführung der Stoffe innerhalb oder außerhalb der wellenbegrenzenden Hohlstruktur erfolgt eine selektive und steuerbare Modifikation dieser Stoffe. Eine etwaige unerwünschte Rückwirkung des zugegebenen Stoffes auf das Zündverhalten und die Zündstruktur wird durch die Zugabe außerhalb der wellenbegrenzenden Hohlstruktur verhindert.
[0027] Eine Plasmabehandlung kann auch nur mit atmosphärischer Luft unter
Normaldruck durchgeführt werden. Durch Zuführung von Stoffgemischen wie z.B. Aerosolen kann eine spezifische Wirkung erzielt werden.
[0028] Werden dem Plasma Farbpartikel (z.B. niedrigschmelzende Polymere) zugesetzt und mit einer Gasströmung auf die zu beschichtende Oberfläche transportiert, so werden die Partikel im Plasma geschmolzen und zerfließen beim Auftreffen auf der Oberfläche zu einem gleichmäßigen Film. Gleichzeitig werden die Partikel einer Plasmabehandlung unterzogen, die dazu führt, dass die auf der Oberfläche gebildete Schicht in kürzester Zeit ausschließlich durch die Plasmamodifizierung der Partikel zur Aushärtung kommt. Somit ist eine weitere zusätzliche (z.B. UV-aushärtende) Behandlung nicht erforderlich.
[0029] Werden die Farbpartikel in verschiedenen Farbtönen (z.B. den Grundfarben) dem
Plasma zugeführt, so ist durch Einstellung des Mischungsverhältnisses prinzipiell jeder Farbton erreichbar.
[0030] Durch eine definierte Zuführung verschiedener Gase, z.B. des Prozessgases in den Plasmakernbereich und eines Inertgases als Hüll- und Schutzgas um das Plasma, ist eine gewisse Abschirmung des Plasmas von atmosphärischen Einflüssen zu erreichen.
[0031] Das Verfahren kann in seiner Anwendungsbreite und Leistungsfähigkeit dahingehend beeinflusst werden, dass mehrere Plasmaquellen in Reihe, ringförmig zueinander und übereinander oder als Array angeordnet werden.
[0032] Eine bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens enthält folgende Elemente:
• einen Mikrowellengenerator zum Erzeugen von Mikrowellen
• eine Mikrowellenleitung
• eine Mikrowelleneinspeisung
• eine wellenbegrenzenden Hohlstruktur • eine resonante Zündstruktur
• eine Zuführvorrichung für Stoffe
[0033] Eine Vorrichtung mit diesen Merkmalen kann dadurch, dass die Mikrowellenleitung flexibel ausgeführt ist und Stoffe über mehrere Zuführeinrichtungen dem Plasma zugeführt werden zweckmäßig ausgestaltet werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0034] Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert.
[0035] Es zeigen:
[0036] Fig.l eine schematische Darstellung einer Grundvorrichtung zur Erzeugung eines sich ausdehnenden, diffusen Mikrowellenplasmas, [0037] Fig.2 eine schematische Darstellung einer speziellen Ausführungsform zur
Erzeugung eines sich ausdehnenden, diffusen Mikrowellenplasmas aus einer koaxialen wellenbegrenzenden Hohlstruktur heraus, [0038] Fig. 3 eine schematische Darstellung einer speziellen Ausführungsform der resonanten Zündstruktur als Koaxialstruktur,
[0039] Fig. 4 Grundaufbau einer Plasmabehandlungsvorrichtung, [0040] Fig. 5 Plasmabehandlungsvorrichtung mit einer flexiblen Stoffzuführung.
Weg(e) zur Ausführung der Erfindung
[0041] In Fig. 1 ist der schematische Aufbau einer Grundvorrichtung zur Umsetzung des
Verfahrens zur Zündung und Erzeugung eines sich ausdehnenden, diffusen Mikrowellenplasmas innerhalb einer wellenbegrenzenden Hohlstruktur dargestellt.
[0042] Die Vorrichtung besteht aus einer wellenbegrenzenden Hohlstruktur (1), einer resonanten Zündstruktur (3), einem Mikrowellengenerator (4) und einer Mikrowellene- inspeisung (5).
[0043] Die wellenbegrenzende Hohlstruktur (1) ist aus elektrisch leitendem Material so hergestellt, dass ein Hohlraum entsteht, der so dimensioniert ist, dass eine Wellenausbreitung innerhalb des Hohlraumes möglich ist, nach außen jedoch verhindert wird. Innerhalb der wellenbegrenzenden Hohlstruktur (1) wird eine resonante Zündstruktur (3) so angeordnet, dass sie aus einem elektromagnetischen Feld die für die Plasmazündung erforderliche Energie entnehmen kann und das gezündete, sich ausbreiten de Plasma (2) aus dem umliegenden elektromagnetischen Feld mit Energie versorgt wird. Die resonante Zündstruktur (3) wird aus zwei miteinander gekoppelten elektrisch leitenden Resonanzkreisen (6) so gebildet, dass die offenen Stellen der Resonanzkreise (6) sich gegenüberstehen. Die resonante Länge des Resonanzkreises (6) bildet sich aus mindestens einer halben Wellenlänge der verwendeten Frequenz.
[0044] Die für den Aufbau eines elektromagnetischen Feldes notwendigen Mikrowellen (2,45 GHz) werden in einem Mikrowellengenerator (4) erzeugt und über eine Mikro- welleneinspeisung (5) in die wellenbegrenzende Hohlstruktur (1) eingespeist. Das Plasma (2) wird unter atmosphärischen Bedingungen in Luft gezündet (7) und verbleibt innerhalb der wellenbegrenzenden Hohlstruktur (1). Die Versorgung des Plasmas (2) erfolgt über das umliegende Mikrowellenfeld.
[0045] In Fig. 2 ist der schematische Aufbau einer speziellen Ausführungsform zur Erzeugung eines sich ausbreitenden diffusen Mikrowellenplasmas (2) aus einer koaxialen wellenbegrenzenden Hohlstruktur (1) heraus dargestellt.
[0046] Für viele Plasmaanwendungen, insbesondere für dreidimensionale Anwendungen, ist ein freies heraustretendes Plasma unter atmosphärischen Bedingungen von besonderer Bedeutung. Insofern befriedigt die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform des Verfahrens ein großes Marktbedürfnis.
[0047] Die Vorrichtung besteht aus einer wellenbegrenzenden Hohlstruktur (1), einer resonanten Zündstruktur (3), einem Mikrowellengenerator (4), einer flexiblen Mikrowellenleitung (8) und einer Mikrowelleneinspeisung (5) in die wellenbegrenzende Hohlstruktur (1).
[0048] Die wellenbegrenzende Hohlstruktur (1) ist in diesem Fall als Rohr mit einem offenen Ende (9) ausgeführt. Der Durchmesser des Rohres ist entsprechend der verwendeten Frequenz (2,45 GHz) so gewählt, dass eine Wellenausbreitung nicht möglich ist (< λ/2 - kleiner Lambda/2).
[0049] Die Mikrowelleneinspeisung (5) erfolgt über eine flexible Mikrowellenleitung (8) in die wellenbegrenzende Hohlstruktur (1). Die resonante Zündstruktur (3) wird in Verlängerung des Mittelleiters der koaxialen Leitung so ausgeführt, dass einerseits eine direkte Energieeinspeisung in die resonante Zündstruktur (3) zur Plasmazündung (7) erfolgt und andererseits mit der wellenbegrenzenden Hohlstruktur (1) als Außenleiter eine koaxiale Leitung gebildet wird, über die Energie bis ans Ende dieser koaxialen Leitung geführt wird und somit außerhalb der resonanten Zündstruktur (3) ein elektromagnetisches Feld aufbaut. Da die wellenbegrenzende Hohlstruktur (1) über das Ende des Mittelleiters hinaus verlängert wird, ist eine Wellenausbreitung über die Öffnung (9) ins Freie nicht möglich. Die vom Mikrowellengenerator (4) erzeugte Mikrowellenenergie wird über die flexible Mikrowellenleitung (8) zum Teil in die resonante Zündstruktur (3) eingekoppelt, so dass eine Plasmazündung (7) an der Spitze der resonanten Zündstruktur (3) erfolgt, sowie über die von der resonanten Zündstruktur (3) und der wellenbegrenzenden Hohlstruktur (1) gebildeten koaxialen Leitung bis ans Ende dieser koaxialen Leitung geführt, so dass das von der resonanten Zündstruktur (3) gezündete Plasma (2) über diese koaxiale Leitung so mit Energie versorgt wird, dass eine Propagation des Plasmas (2) derart erfolgt, dass eine Ausbreitung ins Freie erreicht wird.
[0050] Das Plasma (2) wird unter atmosphärischen Bedingungen in Luft gezündet und tritt aus der Öffnung (9) selbsttätig heraus.
[0051] Entsprechend der verwendeten Frequenz von 2,45 MHz und der eingespeisten Leistung ist ein Plasmadurchmesser und eine Austrittslänge von mehreren cm erreichbar.
[0052] Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer besonders vorteilhaften
Ausführung der resonanten Zündstruktur. Diese ist dadurch gegeben, dass sie als Koaxialstruktur mit einer resonanten Länge von λ/2 (Lambda/2) (halbe Wellenlänge) oder einem ungeraden Vielfachen von λ/2 (Lambda/2) entsprechend der verwendeten Frequenz ausgeführt ist. Die Tiefe der resonanten Struktur (3) beträgt in diesem Beispiel ca. Lambda/4.
[0053] Diese resonante Struktur (3) kann sowohl im Mittelleiter als auch im Außenleiter der koaxialen Leitung angeordnet sein.
[0054] In Fig. 4 ist der schematische Grundaufbau einer Vorrichtung zur Umsetzung des Verfahrens zwecks einer Plasmabehandlung von Oberflächen dargestellt.
[0055] Die von einer Mikrowellen Versorgung (4) erzeugte Mikrowellenenergie wird über eine vorzugsweise flexible Mikrowellenleitung (8) koaxial (5) in die wellenbegrenzende Hohlstruktur (1) eingespeist. Die wellenbegrenzende Hohlstruktur (1) ist vorzugsweise als Rohr entsprechend der hier verwendeten Frequenz von 2,45 GHz so dimensioniert, dass eine Wellenausbreitung nur im Bereich der koaxialen Struktur möglich ist. Eine Wellenausbreitung darüber hinaus aus dem offenen Ende der wellenbegrenzenden Struktur (1) jedoch durch eine ausreichende Verlängerung der wellenbegrenzenden Struktur (1) nicht möglich ist.
[0056] Die resonante Zündstruktur (3) ist als Verlängerung der koaxialen Einspeisung (5) so an die Energieversorgung angekoppelt, dass bei einer Energieeinkopplung eine hohe Zündfeldstärke an der Spitze der resonanten Zündstruktur (3) entsteht, die zur Plasmazündung (7) ausreicht, eine Speisung des gezündeten Plasmas (2) jedoch über die aus resonanter Zündstruktur (3) als Mittelleiter und der wellenbegrenzenden Hohlstruktur (1) als Außenleiter gebildete koaxiale Leitung erfolgt.
[0057] Somit entsteht in Abhängigkeit der eingespeisten Energiemenge ein expandierendes, sich aus der Öffnung der wellenbegrenzenden Struktur (1) ausbreitendes Plasma (2).
[0058] Eine zu behandelnde Oberfläche (13) wird nun so im Wirkbereich des Plasmas (2) angeordnet, dass ein gewünschter Behandlungseffekt, z.B. eine Aktivierung der Oberfläche (13) erzielt wird.
[0059] Die Plasmabehandlung kann ohne jegliche aktive Gasströmung mit Luft bei Atmosphärendruck durchgeführt werden. Zur aktiven Gestaltung der Plasmabehandlung können über eine spezielle Zuführvorrichtung (12) für das Erreichen eines definierten Behandlungseffektes geeignete Stoffe dem Plasma (2) sowohl innerhalb und außerhalb der wellenbegrenzenden Struktur (1) zugeführt werden. Durch Zuführen eines Gases wird ein weiteres Ausbreiten des Plasmas (2) erreicht. Die Stoffe befinden sich in einem Behälter (10) und werden dem Plasma (2) über die Zuführvorrichtung (12) zugeführt. Durch Austauschen des Behälters (10) können je nach gewünschter Anwendung verschiedene Stoffe verwendet werden. Durch eine Anordnung der Behälter (10) direkt an der wellenbegrenzenden Hohlstruktur (1) ist eine hohe Flexibilität und Mobilität der Vorrichtung gegeben.
[0060] Fig. 5 zeigt eine gegenüber Fig. 4 erweiterte Vorrichtung, mit der für eine Plasmabehandlung vorgesehene Stoffe über eine flexible Leitung (11) von den Stoffbehältern (10) über die Zuführvorrichtung für Stoffe (12) dem Plasma (2)
[0061] zugeführt werden. Durch diese Ausführung können verschiedene Stoffe in separaten Behältern (10) auch in größeren Mengen bevorratet werden und je nach Bedarf dem Plasma (2) zugeführt werden. Diese Ausführung ist insbesondere in stationären Anlagen mit hohen Verarbeitungsleistungen und Stoffdurchsätzen von Vorteil.
[0062] Bezugszeichenliste
1 wellenbegrenzende Hohlstruktur
2 Plasma
3 resonante Zündstruktur
4 Mikrowellengenerator
5 Mikrowelleneinspeisung
6 Resonanzkreis
7 Plasmazündung
8 flexible Mikrowellenleitung
9 Öffnung in der wellenbegrenzenden Hohlstruktur
10 Behälter für Stoffe
11 flexible Zuführung der Stoffe
12 Zuführvorrichtung für Stoffe
13 zu behandelnde Oberfläche

Claims

Ansprüche
[0001] Verfahren zum Zünden und Erzeugen eines sich ausbreitenden, diffusen Mikrowellenplasmas dadurch gekennzeichnet, dass a) innerhalb einer wellenbegrenzenden Hohlstruktur mindestens eine resonante Zündstruktur angeordnet wird, b) eine Plasmazündung durch Mikrowelleneinkopplung dadurch veranlasst wird, indem die resonante Zündstruktur so dimensioniert und angeordnet ist, dass eine Leistungseinkopplung in die resonante Zündstruktur erfolgt und lokal eine hohe Resonanzfeldstärke für die Plasmazündung erzielt wird, ein gleichzeitiges Treiben des Plasmas durch die resonante Zündstruktur hingegen nicht möglich ist und damit ein inhärenter Schutz der Zündvorrichtung gegeben ist (ein sich selbst steuernder Übergang zwischen Zünd- und Unterhaltungsphase des Plasmas), c) das durch die resonante Zündstruktur gezündete Plasma über ein umliegendes Mikrowellenfeld so mit Energie gespeist wird, dass ein sich ausbreitendes, diffuses Plasma entsteht, d) die Einspeisung in die resonante Zündstruktur und in das Plasma über das gleiche Mikrowellenfeld erfolgt.
[0002] Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Gasdruck sich im
Bereich des Atmosphärendrucks und darüber befindet.
[0003] Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma aus
Luft und beliebigen Gasen und/oder Gasmischungen mit und ohne Gasströmung gebildet wird.
[0004] Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma von einer Gasströmung getrieben wird.
[0005] Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die resonante Zündstruktur Mikrowellenenergie aus einem umliegenden Mikrowellenfeld entnimmt.
[0006] Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die resonante Zündstruktur am Ende eines Mittelleiters einer koaxialen Leitung das Plasma zündet und ein sich über die koaxiale Leitung mit Energie selbst versorgendes Plasma erzeugt wird.
[0007] Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass das von der resonanten Zündstruktur gezündete Plasma in ein Feldmaximum eines umliegenden Mikrowellenfeldes hineinwächst und sich so von der resonanten Zündstruktur löst.
[0008] Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch ge- kennzeichnet, dass die resonante Zündstruktur so in einem Hohlleiter angeordnet ist, dass sie nach der Plasmazündung von der Mikrowellenversorgung durch das sich ausbreitende Plasma weitgehend abgekoppelt ist.
[0009] Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass eine Frequenz von 400 bis 10.000 MHz verwendet wird.
[0010] Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowelleneinspeisung gepulst und moduliert ist.
[0011] Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma durch eine Öffnung aus der wellenbegrenzenden Hohlstruktur heraustritt.
[0012] Vorrichtung nach Anspruch 1 bestehend aus, einer resonanten Zündstruktur, gebildet aus zwei gekoppelten elektrisch leitenden Resonanzkreisen, wobei die resonante Länge der Resonanzkreise mindestens einer halben Wellenlänge der verwendeten Frequenz entspricht, einer wellenbegrenzenden Hohlstruktur, einem Mikrowellengenerator, einer Mikrowelleneinspeisung.
[0013] Vorrichtung nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass in die resonante
Zündstruktur direkt Mikrowellenenergie eingekoppelt wird.
[0014] Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13 dadurch gekennzeichnet, dass die resonante Zündstruktur als Bestandteil des Innenleiters einer Koaxialleitung ausgeführt ist und der Außenleiter als wellenbegrenzende Hohlstruktur so ausgeführt ist, dass eine Wellenausbreitung über das offene Ende nicht, eine Plasmaausbreitung jedoch möglich ist.
[0015] Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass die wellenbegrenzende Hohlstruktur als Hohlleiter ausgeführt ist.
[0016] Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13 dadurch gekennzeichnet, dass die resonante Zündstruktur im Mittelleiter oder im Außenleiter der koaxialen Leitung angeordnet ist und dass sie als Koaxialstruktur mit einer resonanten Länge von λ/2 (Lambda/2) (halbe Wellenlänge) oder einem ungeraden Vielfachen von λ/2 (Lambda/2) entsprechend der verwendeten Frequenz ausgeführt ist.
[0017] Verfahren zur Plasmabehandlung von Oberflächen und Stoffen mittels eines sich ausdehnenden, diffusen Mikrowellenplasmas dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb einer koaxialen Hohlstruktur ein sich ausbreitendes und aus der Struktur heraustretendes Mikrowellenplasma gezündet wird, dem Plasma für eine Plasmabehandlung geeignete Stoffe zugeführt werden und zu behandelnde Oberflächen und Stoffe in den Wirkbereich des Plasmas gelangen.
[0018] Verfahren nach Anspruch 17 dadurch gekennzeichnet, dass die Stoffe in fester (pulverförmiger), flüssiger und gasförmiger Form dem Plasma zugeführt werden.
[0019] Verfahren nach Anspruch 18 dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung einer spezifischen Plasmawirkung die Energiezufuhr moduliert und gepulst erfolgt.
[0020] Verfahren nach Anspruch 19 dadurch gekennzeichnet, dass Stoffe dem Plasma je nach Verwendungszweck innerhalb und außerhalb der wellenbegrenzenden Hohlstruktur zugeführt werden.
[0021] Verfahren nach Anspruch 20 dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmabehandlung mit Luft unter Atmosphärendruck durchgeführt wird.
[0022] Verfahren nach Anspruch 21 dadurch gekennzeichnet, dass dem Plasma
Aerosole zugeführt werden.
[0023] Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 17 bis 22 dadurch gekennzeichnet, dass dem Plasma Farbpartikel zugeführt werden, die im Plasma so behandelt werden, dass sie beim Auftreffen auf eine Oberfläche eine homogene Schicht bilden, die in kürzester Zeit ausschließlich durch die Plasmamodifizierung der Farbpartikel zur Aushärtung gelangt.
[0024] Verfahren nach Anspruch 23 dadurch gekennzeichnet, dass Farbpartikel in verschiedenen Farbtönen dem Plasma zugesetzt werden und eine Mischung im Plasma erfolgt, so dass durch Veränderung des Mischungsverhältnisses eine Änderung des Farbtons erzielt wird.
[0025] Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 17 bis 24 dadurch gekennzeichnet, dass ein Prozessgas im Plasmakernbereich und ein Inertgas als Hüllgas verwendet wird.
[0026] Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 17 bis 25 dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Plasmaquellen in Reihe und ringförmig zueinander angeordnet sind, um ein größeres geschlossenes Plasmavolumen zu erzielen.
[0027] Vorrichtung nach Anspruch 17 bestehend aus einem Mikrowellengenerator, einer
Mikrowellenleitung, einer koaxialen Mikrowelleneinspeisung, einer wellenbegrenzenden Hohlstruktur, einer resonanten Zündstruktur, einer Zuführvorrichtung für Stoffe.
[0028] Vorrichtung nach Anspruch 27 dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellenleitung flexibel ausgeführt ist.
[0029] Vorrichtung nach Anspruch 27 und 28 dadurch gekennzeichnet, dass über mehrere Zuführvorrichtungen Stoffe dem Plasma zugeführt werden.
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