Mikrowellenoszillatoren für die Erzeugung von atmosphärischen Mikroplasmen

Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zu den Entwurfsverfahren von Mikrowellen-Oszillatoren. Es wird ein Leistungsoszillator für die Plasmaerzeugung entwickelt, der im 2.45 GHz ISM-Band bis zu 10 W Mikrowellenleistung erzeugt. Der Oszillator wird als Generator einer Plasmaquelle eingesetzt und muss daher ein Signal erzeugen, das für das Anregen des Plasmas geeignet ist. Der erste Teil der Arbeit befasst sich deshalb zunächst mit dem Plasma als spezieller, variabler Mikrowellenlast, das durch eine abgewandelte Form des Leitungsresonators angeregt wird. Der Resonator legt die Betriebsfrequenz des Oszillators fest und ermöglicht durch seine felderhöhenden Eigenschaften die Plasmazündung. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Beschreibung der Brenn-Impedanz der Plasmakomponente und deren Rückwirkung auf den speisenden Mikrowellengenerator. Mit einem speziell entwickelten Messsystem, das auf einem Netzwerkanalysator basiert, wird der Resonator unter Plasmabelastung vermessen. Die charakteristischen Plasmagrößen, wie Brennspannung an den Elektroden und Plasmaimpedanz, werden aus den ermittelten Daten und dem anschließenden De-embeddingverfahren bestimmt. Aus diesen leistungsabhängigen Größen wird dann die Zeitbereichsbeschreibung eines nichtlinearen Plasmamodells entwickelt, eine wichtige Grundlage für den Designprozess von Plasmaquellen. Das Modell gilt für Luft als Prozessgas und die vorgestellte Elektrodengeometrie bei Mikrowellenanregung. Es ist sowohl für die transiente als auch für die Harmonic-Balance-Simulation geeignet und stellt die Grundlage für die weitere Oszillatorenentwicklung in dieser Arbeit dar. Bei dem hier vorgestellten Designprozess werden neue Wege verfolgt. Als mächtiges Hilfsmittel im Entwicklungsprozess von Oszillatoren wird das Prinzip des Hilfsgenerators (Auxiliary Generator) eingeführt, welches sich nicht nur auf den Simulationsbereich beschränkt, sondern vor allem auch für den Prozess der Inbetriebnahme eines Prototyps verlässliche Daten liefert. Ein zusätzlicher neuer Weg wird durch eine Nachverarbeitungsmethode für Ergebnisse aus der transienten Simulation aufgezeigt, mit der es in vielen Fällen möglich ist, Zeitbereichsdaten in eine übersichtlichere und verständlichere Phasor-Darstellung zu übersetzen. Anhand transienter Simulationsergebnisse werden Aussagen sowohl über die Blind- und Wirkleistungsflüsse als auch zum Impedanzverhalten der Mikrowellenschaltung gewonnen. Dabei bleibt die quasi-statische Zeitabhängigkeit der Daten erhalten, wodurch unter anderem die Plasmazündung im Zeitbereich simuliert werden kann. Die vorgestellten Simulations- und Messtechniken erweitern das allgemeine Portfolio der Methodiken beim Entwicklungsprozess von Oszillatoren. Unter Nutzung dieser Entwurfsverfahren wird der Prototyp einer Mikrowellen-Plasmaquelle entwickelt, aufgebaut und in Betrieb genommen. Die Plasmaquelle erzielt unter atmosphärischen Bedingungen und mit Druckluft oder Stickstoff als preisgünstiges Prozessgas sehr gute Ergebnisse. Sie ist mit einer Kantenlänge von 3 cm kompakt realisiert, benötigt lediglich eine 24V-DC-Stromversorgung, liefert Leistungen im 10 W Bereich und kann damit sowohl das Plasma zünden als auch am Brennen halten. Das erzeugte atmosphärische Plasma wird aus physikalischer Sicht beschrieben und die wichtigsten Eigenschaften wie Elektronen- und Gastemperatur sowie Ionendichte angegeben. Ergebnisse von Aktivierungsversuchen diverser Kunststoffoberflächen, die den Vergleich mit anderen bekannten Plasmen ermöglichen, schließen die Arbeit ab.

Author dc:creator

• Kühn, Silvio

Advisor dc:contributor.advisor

• Heinrich, Wolfgang

Licence dc:rights.uri

• https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.0/

Language dc:language.iso

de, German

Identifier URI

urn:nbn:de:kobv:83-opus-35705
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3249

OAI identifier oai:identifier

oai:depositonce.tu-berlin.de:11303/3546