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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen wenigstens eines abgekoppelten Mikrowellenplasmas in einem hohlraumförmigen Gehäuse.
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Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung der Vorrichtung zum Erzeugen wenigstens eines abgekoppelten Mikrowellenplasmas, insbesondere in Form einer Monopolantenne, und/oder zum Erzeugen wenigstens eines freistehenden Mikrowellenplasmas, insbesondere in Form einer Dipolantenne.
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Hintergrund der Erfindung
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Ein abgekoppeltes Plasma ist ein Zustand, in dem das Plasma von seiner Energiequelle getrennt ist. In einem normalen Plasma wird die Energie durch eine externe Quelle wie elektrische Entladungen über Elektroden oder Laserlicht wie auch Hochfrequenzstrahlung über Wellenleiter zugeführt, um die Atome oder Moleküle zu ionisieren und das Plasma aufrechtzuerhalten. Bei einem abgekoppelten Plasma wird das Plasma jedoch von der Energiequelle getrennt und kann seine Energie über eine längere Freiraumstrecke beziehen, wie zum Beispiel durch einen Laserstrahl, der auf das Plasma gerichtet ist. Abgekoppelte Plasmen werden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, wie zum Beispiel in der Materialbearbeitung, Oberflächenbehandlung oder in der Forschung.
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Ein abgekoppeltes Plasma kann auf verschiedene Arten erzeugt werden, abhängig von der spezifischen Anwendung und den gewünschten Eigenschaften des Plasmas. Eine Methode ist die Mikrowellenentladung. Bei dieser Methode wird Mikrowellenstrahlung über ein dielektrisches Fenster in eine Vakuumkammer eingekoppelt, in der sich das Gas befindet. Die Mikrowellenenergie ionisiert das Gas und erzeugt ein Plasma, das über das dielektrische Fenster von der Energiequelle getrennt ist.
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Ein Plasma kann durch verschiedene Energiequellen erzeugt werden, z. B. durch elektromagnetische Signale. Der Unterschied zwischen Mikrowellenplasmen (kurz MW- Plasmen) und Plasmen, die bei niedrigeren Frequenzen erzeugt werden, besteht darin, dass nur die Elektronen spürbare Energie absorbieren, da die schweren Ionen dem schnellen Wechselsignal kaum oder gar nicht folgen können, und dass Mikrowellenenergie über den freien Raum übertragen werden kann.
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Herkömmliche abgekoppelte Plasmen in Punktform können mittels Hochleistungslasern generiert werden. Jedoch wird das Laserlicht mit der zunehmenden Leitfähigkeit des Plasmas zunehmend reflektiert, so dass die Energiedichte des Plasmas nicht beliebig erhöht werden kann.
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Plasma-Torches werden schon seit vielen Jahrzehnten eingesetzt. Hier arbeitet man in einfachster Form mit einem Hohlleiter und einem Quarzglasrohr, das durch diesen Hohlleiter geführt wird. Im Quarzglasrohr verwendet man bevorzugt Argon als Prozessgas. Aber auch andere Gase sind möglich. Diese Strahler können bei höheren Leistungen, die typisch im einstelligen und bei Sonderformen zweistelligen kW-Bereich liegen, betrieben werden. Das entstehende Argonplasma weist keine große Energiedichte auf, da der Quarzglasdurchmesser nicht als zu klein gewählt werden kann und da das Plasma im Zentrum des großen nicht zugänglichen Hohlleiters generiert und dann mit Verlusten herausgeblasen wird.
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Beschreibung der Erfindung
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Davon ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, mit der ein abgekoppeltes Mikrowellenplasma mit einer hohen Energiedichte erzeugbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß ist somit eine Vorrichtung zum Erzeugen wenigstens eines abgekoppelten Mikrowellenplasmas in einer vorbestimmten Form in einem Gehäuse aufweisend wenigstens zwei gegenüberliegenden Grundseiten und einem zwischen den Grundseiten im Innern des Gehäuses liegendes Zentrum und einen Einlass zum Einführen eines Mediums mit vorbestimmter komplexer elektrischer Leitfähigkeit in das Gehäuse, die Vorrichtung umfassend wenigstens einen Generator zum Erzeugen von Mikrowellenstrahlung, wenigstens eine zumindest teilweise innerhalb des Gehäuses angeordnete antennenförmig ausgestaltete Einkoppeleinheit zum Einkoppeln der Mikrowellenstrahlung, wobei die wenigstens eine Einkoppeleinheit derart angeordnet ist, dass die wenigstens eine Einkoppeleinheit dem Zentrum zugewandt und vom Zentrum beabstandet ist.
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Unter „Grundseiten“ werden vorliegend insbesondere zwei gegenüberliegende Grundfläche oder Grundpunkte unterschiedlichster Geometrien verstanden. Ist das Gehäuse kugelförmig, so werden unter „Grundseiten“ vorzugsweise Punkte verstanden. Ist das Gehäuse Zylinderförmig, werden unter „Grundseiten“ vorzugsweise Flächen verstanden.
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Ist vorliegend die Rede von einer „vorbestimmten Form“ des Plasmas ist damit insbesondere eine Antennenstruktur in beliebiger geometrischer Form gemeint. Unter „vorbestimmt“ wird insbesondere „bekannt“ verstanden. Das bedeutet, dass die Form bekannt ist und abhängig von dem Aufbau, der Energien und des Mediums wählbar bzw. einstellbar ist.
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Die wenigstens eine Einkoppeleinheit ist insbesondere als elektrische, magnetische oder elektromagnetische Einkoppeleinheit ausgelegt.
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Es ist somit ein maßgeblicher Punkt der Erfindung, dass das Mikrowellenplasma einzig über die eingekoppelte Mikrowellenstrahlung erzeugt wird. Dabei wird die Mikrowellenenergie in das Gehäuse eingekoppelt, in der sich das Medium befindet. Die Mikrowellenstrahlung interagiert mit den Elektronen im Medium und erhöht ihre Energie, was zur Ionisation des Mediums führt, und ein Mikrowellenplasma erzeugt. Durch die Wahl der Frequenz und Leistung der Mikrowellenstrahlung kann die Intensität und Eigenschaften des erzeugten Plasmas gesteuert werden.
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Die Einkoppeleinheiten umfassen vorzugsweise zylinderförmige Elektroden, die, insbesondere bei koaxialer Zuführung, einen Innenleiter mit einem Eingang zum Einführen eines Gases und einen dem Eingang gegenüberliegenden Ausgang zum Ausgeben des Gases aufweisen.
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Ist vorliegend die Rede von „abgekoppelt“ ist damit insbesondere gemeint, dass das Mikrowellenplasma gegenüber einem Plasmajet weit von der Einkoppeleinheit entfernt ist. Es können deshalb um Faktoren größere Leistungen eingekoppelt werden. Die Einkoppeleinheit fungiert als entfernte Antenne. Die Plasmaenergie ist nun nur noch dort, wo der Bearbeitungsbereich ist. Somit steigt neben der Leistungsverträglichkeit auch der Wirkungsgrad an.
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Mittels der Vorrichtung kann ein Mikrowellenplasma erzeugt werden, das abgekoppelt und/oder freistehend ist. Ein freistehendes Mikrowellenplasma ist ein Plasma, das nicht durch feste Wände oder Begrenzungen eingeschlossen ist. Es handelt sich um ein offenes System, in dem das Plasma frei expandieren und sich ausbreiten kann.
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Ist vorliegend die Rede von einem „Zentrum“ ist damit nicht zwingend der Mittelpunkt des Gehäuses, sondern vielmehr ein zentraler Punkt im Gehäuse gemeint. An dem Zentrum wird das abgekoppelte und/oder freistehende Mikrowellenplasma erzeugt und weist dort die höchste Energiedichte auf.
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Unter „Grundseite“ wird insbesondere auch ein „Grundpunkt“ verstanden. Dies ist abhängig von der geometrischen Form des Gehäuses.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die wenigstens eine Einkoppeleinheit einen Innenleiter zum Einführen eines Gases in das Gehäuse auf. Darüberhinaus kann insbesondere auch die Mikrowellenstrahlung durch den Innenleiter in das Gehäuse zugeführt werden. Ein umgebenes Prozessgas kann vorzugsweise durch einen weiteren Einlass zugeführt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Vorrichtung wenigstens zwei Einkoppeleinheiten auf, wobei die Einkoppeleinheiten jeweils zum Zentrum symmetrisch angeordnet sind. Bevorzugt sind die Einkoppeleinheiten derart angeordnet, dass jeden Einkoppeleinheit dem Zentrum zugewandt und vom Zentrum beabstandet ist. Bei zwei Einkoppeleinheiten ist jeweils eine Einkoppeleinheit an einer Grundseite zu einer durch das Zentrum verlaufende Achse achsensymmetrisch angeordnet. Alternativ dazu ist mindestens eine, bevorzugte mehrere Einkoppeleinheiten seitlich an den Längsseiten zwischen den Grundseiten angeordnet. Die mehreren Einkoppeleinheiten sind derart angeordnet, dass sie auf das Zentrum gerichtet sind, in dem das Mikrowellenplasma erzeugt wird. Auf diese Weise kann bei gleicher Mikrowellenstrahlung bzw. gleicher eingekoppelter Mikrowellenenergie ein Mikrowellenplasma mit einer sehr hohen Energiedichte erzeugt werden. Der Betrieb dieser Vorrichtung kann über ein Gegentaktsignal der beiden Anschlüsse oder über nur einen Anschluss, sofern der zweite Anschluss mit einer korrekten Offset-Länge kurzgeschlossen wird, erfolgen. Berechnungen zeigen, dass alleine die magnetische Feldstärke des eingekoppelten Mikrowellensignales ausreicht die thermische Expansion des Plasmas zu unterdrücken. Die notwendige Energiedichte zur Generation des Fusionsprozesses kann bei einer eingespeisten Energie von 200 kW erreicht werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst das Gehäuse, insbesondere bei Anwendungen im unteren Leistungsbereich, wenigstens teilweise ein Schirmgitter. Alternativ umfasst das Gehäuse vorzugsweise kleine Öffnungen. Bevorzugt besteht das Gehäuse aus einem Metall. Ein Schirmgitter wird in der Plasmabehandlung verwendet, um einen direkten Einblick in den Prozess zu haben. Es besteht aus einem Gitter oder einer perforierten Metallplatte, die als Ersatz der Metallwand des Gehäuses angebracht ist. Das Schirmgitter erfüllt mehrere Funktionen. Das Schirmgitter verhindert durch die gleiche Formgebung wie auch das geschlossene Gehäuse, dass die Energiequelle direkt mit dem Mikrowellenplasma in Kontakt kommt. Dies ist wichtig, um die Eigenschaften des Plasmas zu kontrollieren und unerwünschte Effekte wie Überhitzung oder Beschädigung der Energiequelle zu vermeiden. Zum anderen kontrolliert es den Gasfluss. Das Gehäuse und das Schirmgitter kann so konstruiert sein, dass es den Gasfluss in der Vakuumkammer steuert. Durch die Anordnung von Öffnungen im Gitter kann der Gasfluss gleichmäßig verteilt werden, was zu einer homogenen Plasmabildung führt. Ferner dient das Gehäuse und das Schirmgitter auch als elektrische Isolierung zwischen der Energiequelle und dem Mikrowellenplasma. Es verhindert, dass elektrische Ströme oder Spannungen direkt auf das Mikrowellenplasma übertragen werden. Das Schirmgitter wie auch das Gehäuse kann je nach Anwendung unterschiedliche Formen und Größen haben.
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Beides wird oft in verschiedenen Arten von Plasmareaktoren eingesetzt, wie zum Beispiel in Mikrowellenplasmaquellen. In Letzteren aber nur zur Führung eines Wellenleitermodes. Als Gehäuse wird insbesondere der gesamte metallisch umschlossene Raum um das Plasma verstanden. Das Gehäuse wird vorzugsweise nicht durch eine dielektrische Sperrvorrichtung in zwei Gehäuseteile geteilt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst die Mikrowellenstrahlung eine Frequenz im Hochfrequenzbereich, bevorzugt zwischen 0,2 GHz und 100 GHz, besonders bevorzugt zwischen 0,4 GHz und 20 GHz. Das Signal wird bei kleineren Leistungen vorzugsweise über ein Push-Pull-Signal verstärkt. In der Elektronik bezieht sich ein „Push-Pull-Signal“ auf eine spezielle Art von Ausgangsschaltung, die in Verstärkern oder Treibern verwendet wird. Es handelt sich um eine symmetrische Schaltung, bei der zwei aktive Bauelemente, beispielsweise zwei Transistoren, verwendet werden, um das Signal sowohl positiv als auch negativ zu verstärken. Bei einem Push-Pull-Signal wird das Eingangssignal in zwei Komplementärsignale aufgeteilt: ein positives Signal und ein negatives Signal. Diese beiden Signale werden dann durch separate Transistoren verstärkt und anschließend wieder zusammengeführt, um das verstärkte Ausgangssignal zu erzeugen. Der Vorteil eines Push-Pull-Signals besteht darin, dass es eine effiziente Nutzung der Leistung ermöglicht. Während einer der Transistoren das positive Signal verstärkt, ist der andere Transistor inaktiv. Wenn das Signal seine Polarität ändert, übernimmt der inaktive Transistor die Verstärkung des negativen Signals, während der zuvor aktive Transistor inaktiv wird. Dadurch wird die Verlustleistung minimiert und die Effizienz des Systems verbessert.
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Die für kleine Leistungen kombinierbaren Halbleitermodule können bis zu Leistungen bis in den zweistelligen kW-Bereich eingesetzt werden. Vorteilhaft sind die Lebensdauer, verwendbare Bandbreite, Wartungsarmut und Stabilität.
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Einen deutlich besseren Wirkungsgrad von typisch 88% weisen industrielle Magnetronquellen auf, die auch preiswert und sehr leistungsstark sind.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die je Einkoppeleinheit ferner eine Sperrvorrichtung zum druckdichten Anordnen der Einkoppeleinheit in dem Gehäuse. Mit „druckdichten Anordnen“ ist insbesondere gemeint, dass die Öffnung im Gehäuse, durch die die Einkoppeleinheit zumindest teilweise durchgeführt ist, sodass sie zumindest teilweise im Gehäuse angeordnet ist, druckdicht verschlossen bzw. gesperrt wird. Die Sperrvorrichtung umfasst dabei insbesondere ein Keramikhohlzylinderrohr oder eine Keramikplatte. Auf diese Weise wird ein abgeschlossener Raum geschaffen, in dem das Medium eindringen kann. Das Gehäuse weist neben einen Einlass zum Einführen des Mediums vorzugsweise auch einen Auslass zum Abführen des Mediums auf. Ist der Auslass vor der Sperrvorrichtung angeordnet, wird vorzugsweise der Gasfluss zum Kühlen der Baugruppe eingesetzt. Wenn nur oder zudem die Keramikplatte Bohrungen aufweist, wird der Gasfluss vorzugswiese zumindest teils zur Ummantelung des Plasmas verwendet.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst das Medium, insbesondere abhängig vom Prozess, Luft, Stickstoff, Argon oder eine Vakuumatmosphäre. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst das optimale Gas ein Edelgas, insbesondere Argon oder Varigon. Es wird vorliegend zwischen Medium und Gas unterschieden. Das „Medium“ wird über den Einlass des Gehäuses direkt in das Gehäuse geleitet und versteht sich als Schutzgas. Das vorliegende „Gas“ wird über den Innenleiter der Einkoppeleinheit in das Gehäuse geleitet und versteht sich als Prozessgas. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist im Gehäuse ein Vakuum erzeugbar.
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Das Prozessgas dient dazu, das Mikrowellenplasma vereinfacht zu erzeugen, vorzuformen und ggf. zu erhitzen. Es wird in das Gehäuse eingeführt und durch die Mikrowellen ionisiert. Die Auswahl des Prozessgases hängt von der gewünschten Art des Plasmas und den spezifischen Anwendungen ab. Vorzugsweise umfasst das Prozessgas Argon, Varigon oder Sauerstoff.
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Das Schutzgas bzw. das Medium wird verwendet, um das Mikrowellenplasma und die damit verbundenen Komponenten vor unerwünschten Einflüssen zu schützen. Es kann verwendet werden, um das Mikrowellenplasma vor Verunreinigungen aus der Umgebungsluft zu schützen oder um empfindliche Materialien vor Oxidation oder Beschädigung während des Plasmaprozesses zu schützen. Vorzugsweise umfasst das Schutzgas Luft, Stickstoff oder eine Vakuumatmosphäre.
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Die Auswahl des richtigen Prozess- und Schutzgases ist entscheidend für die Qualität und Effizienz des Plasmaprozesses. Es müssen verschiedene Faktoren berücksichtigt werden, wie zum Beispiel die gewünschte chemische Reaktion im Plasma, die Temperaturbeständigkeit der Materialien oder die Reinheit des Gases. Eine sorgfältige Auswahl und Kontrolle der Gase ist daher wichtig, um optimale Ergebnisse in der Plasmatechnik zu erzielen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind eine Mehrzahl von Einkoppeleinheiten so ausgestaltet, dass die Einkoppeleinheiten die Mikrowellenenergie kombinieren.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die wenigstens eine Einkoppeleinheit dazu ausgestaltet ist, Mikrowellenstrahlung mit einer Mikrowellenenergie zwischen 0,2 kW und wenigstens 200 kW einzukoppeln. Bei Leistungen im einstelligen kW-Bereich werden insbesondere koaxiale Zuführungen vom Generator in das Gehäuse verwendet. Bei Leistungen über den einstelligen kW-Bereich werden insbesondere Hohlleiter verwendet.
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Bevorzugt weist für Anwendungen als Plasma-Torch, -Strahler oder -Jet das Gehäuse an einer Grundseite bzw. Grundpunkt eine Öffnung auf, durch die das Mikrowellenplasma austreten kann, sodass das Mikrowellenplasma für Bearbeitungsprozesse wie ein Laserstrahl eingesetzt werden kann.
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Erfindungsgemäß ist weiterhin die Verwendung der oben beschriebenen Vorrichtung zum Erzeugen wenigstens eines abgekoppelten Mikrowellenplasmas, insbesondere in Form einer Monopolantenne, und/oder zum Erzeugen wenigstens eines freistehenden Mikrowellenplasmas, insbesondere in Form einer Dipolantenne oder Patchantenne.
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Bevorzugt ist eine Verwendung der Vorrichtung für Anwendungen im Bereich der Ionenquellen wie auch der Fusionstechnik vorgesehen, bei der das linienförmige freistehende Mikrowellenplasma rein durch die Frequenzwahl oberhalb der Plasmafrequenz und die magnetischen Felder des Hochfrequenzsignals auf einen Durchmesser reduziert wird, der im Bereich des 2- bis 10-fachen der mittleren freien Weglänge des Plasmas liegt. Weiter bevorzugt ist eine Verwendung der Vorrichtung vorgesehen, bei der das linienförmige abgekoppelte Mikrowellenplasma rein durch die magnetischen Felder des Hochfrequenzsignals auf einen Durchmesser reduziert wird, der im Bereich des 10- bis 50-fachen der mittleren freien Weglänge des Plasmas liegt. Pro Einkoppeleinheit entsteht durch die magnetischen elektromagnetische Energie der vielfach eingespeisten Hochfrequenzsignale insbesondere ein linienförmiges freistehendes Mikrowellenplasma oder ein freistehendes Mikrowellenplasma, das eine andere Antennenform aufweist.
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Unter Einsatz von rund 200kW zugeführter Leistung kann die Vorrichtung über das Kernfusionsprinzip als kleines regionales Kraftwerk verwendet werden, das umweltfreundlich, konstant und extrem preiswert Strom produzieren kann.
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Weiter bevorzugt ist die Verwendung der Vorrichtung zum Erzeugen von freistehenden Plasmen mit einer Mikrowellenenergie zwischen 0,2kW und 500kW, um Materialien in einem Ofen zu behandeln oder zu verarbeiten. Bevorzugt werden über mehreren Generatoren mehrere freistehende Plasmen generiert. Diese Plasmen können von einer Dipolantenne abgeleitet sein und somit eine Linienform aufweisen. Alternativ ist auch ein flächiges Plasma mit rundem oder rechteckigem Zuschnitt auf der Basis von Patchantennen möglich. Erfindungsgemäß ist zudem die Verwendung der oben beschriebenen Vorrichtung in einem Durchlaufofen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter im Detail erläutert.
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In den Zeichnungen zeigen
- 1 eine Vorrichtung zum Erzeugen eines abgekoppelten Plasmas gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Schnittansicht,
- 2 eine Vorrichtung zum Erzeugen eines abgekoppelten und freistehenden Plasmas gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Schnittansicht,
- 3 schematisch ein Anwendungsbeispiel gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung als Fusionsanwendung,
- 4a,b schematisch ein Anwendungsbeispiel gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung als Durchlaufofen in der Außendarstellung,
- 5 schematisch ein Anwendungsbeispiel gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung als Durchlaufofen in der Innendarstellung.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Aus 1 ist schematisch eine Vorrichtung 1 zum Erzeugen eines abgekoppelten Mikrowellenplasmas 2 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ersichtlich. Die Vorrichtung 1 besteht aus einem Gehäuse 3. In dem Gehäuse 3 ist eine Einkoppeleinheit 6 angeordnet. Die Einkoppeleinheit 6 umfasst einen Innenleiter 7 mit einem Eingang 8 und einem Ausgang 10, durch den ein Gas 9, wie beispielsweise das Prozessgas, zur Mikrowellenplasmaerzeugung eingeleitet werden kann.
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Das Gehäuse 3 weist zudem einen Einlass 4 und einen Auslass 14 auf, durch die ein Medium 5, wie beispielsweise das Schutzgas, in das Gehäuse 3 eindringen und um die Einkoppeleinheit 6 herum zirkulieren kann. Dieser Bereich für das Medium 5 wird ggf. abgesperrt durch die Sperrvorrichtung 12, die den Raum zwischen Ausgang 10 des Innenleiters und Einlass 4 des Mediums 5 versperrt. Die Sperrvorrichtung 12 kann alternativ auch gasdurchlässig sein und rein als Halterung von der Einkoppeleinheit 6 dienen.
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Zwischen der Grundseite A und der Grundseite B ist ein Zentrum Z angeordnet, an dem das Mikrowellenplasma 2 erzeugt wird. Das Zentrum Z ist zum Ausgang 10 des Innenleiters 7 beabstandet. Rund um das Zentrum Z weist das Gehäuse 3 ein Schirmgitter 11 auf. Die Grundseite B ist eine einfache Metallplatte, auf der das Mikrowellenplasma 2 erzeugt wird.
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1 zeigt schematisch einen 2.5D-Druckkopf, mit dem zum Beispiel die untere Metallplatte B mittels Keramikpulver, das über 8 zugeführt wird, beschichtet wird.
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Im Unterschied zu 1, zeigt 2 einen Aufbau der Vorrichtung 1 zum Erzeugen eines abgekoppelten Mikrowellenplasmas 2, das freisteht. Das Gehäuse 3 ist größer und umfasst zwei Einkoppeleinheiten 6A, 6B. Die Einkoppeleinheiten 6A, 6B sind symmetrisch angeordnet und mit dem Ausgang 10 des Innenleiters 7 auf das nun mittig angeordnete Zentrum Z gerichtet. Im Zentrum Z wird nun von zwei Seiten das Gas 9 geschossen und mit der Mikrowellenstrahlung bestrahlt. Auf diese Weise kann eine höhere Energiedichte ermöglicht werden.
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Die 1 zeigt, dass ein abgekoppeltes Mikrowellenplasma 2 erzeugt werden kann, während die 2 zeigt, dass ein abgekoppeltes und freistehendes Mikrowellenplasma 2 erzeugt werden kann. Das freistehende Plasma weist eine sehr hohe Energiedichte auf und kann u.a. als Basis für eine Ionenquelle verwendet werden. Über den üblichen Techniken mittels statische Hochspannung- und magnetische Felder lassen sich die Ionen aus dem Plasma herausbeschleunigen.
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Die 3 zeigt die Verwendung der Vorrichtung 1 in einer Fusionsanlage. Es sind eine Mehrzahl an Einkoppeleinheiten 6A-6F an bzw. in dem Gehäuse 3 angeordnet. Alle Einkoppeleinheiten 6A-6F werden mit einer Sperrvorrichtung 12 druckdicht abgedichtet. Die mittigen Einkoppeleinheiten 6A, 6B sind in der Plasmaerzeugung die zentralen Einkoppeleinheiten. Die seitlichen Einkoppeleinheiten 6C-6F sind sekundäre Einkoppeleinheiten, die allesamt achsensymmetrisch in dem Gehäuse 3 angeordnet sind. Die Einkoppeleinheit 6A verbessert die Symmetrie, wenn das Signal mit 180 Phasendrehung zu dem Signal an der Einkoppeleinheit 6B angesteuert wird.
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Diese Einkoppeleinheiten 6A, 6C, 6E werden alle mit einem berechneten Phasenwinkel mit dem Wert X angesteuert. Die jeweils gegenüberliegenden Einkoppeleinheiten 6B, 6D, 6F benötigen die Phasenansteuerung X+180°. Die Betragswerte sind alle gleich und können sich von dem Betragswert der zentralen Einkoppeleinheit 6A, 6B unterscheiden.
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Zur weiteren Leistungssteigerung können weitere kreisförmig installierte Einkoppeleinheiten eingesetzt werden, die alle innerhalb eines Kreises die gleiche Phasen- und Betragsansteuerung aufweisen, die sich von der der anderen Einkoppeleinheiten auf den anderen Kreisen i.d.R. unterscheidet (hier nicht dargestellt).
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Das insbesondere ringförmigen Formelement 15 dient zur geometrischen Optimierung der Plasmalinie des abgekoppelten und freistehenden Mikrowellenplasmas 2. Die Länge wird bei einer Betriebsfrequenz von 15 GHz bei rund 1 cm liegen. Der Durchmesser soll möglichst gering sein. Zur Optimierung, dass dieser Durchmesser über die gesamte Länge so gering wie möglich ausfällt, dient das ringförmige Formelement 15, das aus dem gleichen Oberflächenmaterial wie die restliche Oberfläche der Fusionskammer besteht. In der Regel wird hier Wolfram eingesetzt.
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Die 4a und 4b zeigen die Verwendung der Vorrichtung 1 in einem Durchlaufofen. Dabei zeigt die 4a eine perspektivische Außenansicht und 4b eine schematische Innenansicht. Der Durchlaufofen besteht aus einem Förderband 16, das durch einen Ofeneingang 17 durch das Gehäuse 3 und aus einem Ofenausgang 18 hinaus verläuft und sich in Förderrichtung F bewegt. Das Gehäuse 3 ist mit einem Hohlleiter 19 und einem Generator 20 zum Erzeugen von Mikrowellenstrahlung verbunden.
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Im Innern des Durchlaufofens, gezeigt in 4b, befinden sich Formelemente 15 aus Metall oder Keramik zum Formen des abgekoppelten Plasmas 2, hier in Form eines Linienplasmas. Die geometrische Form der Formelemente 15 wird mittels eines Programmes zur numerischen Berechnung von elektromagnetischen Feldausbreitung optimiert und kann recht komplexe Strukturen aufweisen. Dieser Berechnungsprozess wird als „Plasmaforming“ bezeichnet. Auf dem Förderband 16 werden zu erwärmende Güter 21 transportiert, die mit Hilfe der Plasmen 2 erwärmt werden.
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Die 5 zeigt die Verwendung der Vorrichtung 1 in einem Plasmadruckkopf. Dazu weist das Gehäuse 3 eine Öffnung 13 auf, durch die das abgekoppelte und freistehende Mikrowellenplasma 2 emittiert und als Plasmajet oder Plasma-Torch sowie als Ersatz für ein Laser verwendet werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung zum Erzeugen eines abgekoppelten Mikrowellenplasmas
- 2
- abgekoppeltes Mikrowellenplasma
- 3
- Gehäuse
- 4
- Einlass
- 5
- Medium
- 6
- Einkoppeleinheit
- 6A
- Einkoppeleinheit
- 6B
- Einkoppeleinheit
- 7
- Innenleiter
- 8
- Eingang
- 9
- Gas
- 10
- Ausgang
- 11
- Schirmgitter
- 12
- Sperrvorrichtung
- 13
- Öffnung
- 14
- Auslass
- 15
- Formelement
- 16
- Förderband
- 17
- Ofeneingang
- 18
- Ofenausgang
- 19
- Hohlleiter
- 20
- Generator
- 21
- zu erwärmendes Gut
- A
- Grundseite
- B
- Grundseite
- Z
- Zentrum
- F
- Förderrichtung