Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3249
Main Title: Mikrowellenoszillatoren für die Erzeugung von atmosphärischen Mikroplasmen
Translated Title: Microwave Oscillators for Generation of Atmospheric Microplasmas
Author(s): Kühn, Silvio
Advisor(s): Heinrich, Wolfgang
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: 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.
The thesis contributes to the design methods for microwave oscillators. A power oscillator for plasma generation is developed, which delivers up to 10 W output power in the 2.45 GHz ISM band. The purpose of the oscillator is plasma generation and thus it must provide a signal that is suitable to drive such a plasma. Therefore, the first part of the work is devoted to the properties of the plasma as time-varying microwave load. The plasma is driven by a modified transmission-line resonator. The resonator determines the operation frequency of the oscillator and, due to its transformation properties, ignites the plasma. This first part of the thesis is complemented by a description of the work impedance of the plasma and its influence on the microwave oscillator. A special VNA-based measurement set-up is proposed to characterize the resonator behaviour when loaded by the plasma. Microwave plasma parameters like electrode voltage and impedances are determined from the measurement data following a de-embedding process. This knowledge on the non-linear plasma properties is then used to create a nonlinear time-domain description of the plasma, which is a key tool in the design of plasma sources. The validity of the model is restricted to air as processing gas and the electrode geometry under consideration, but it can be employed for both time-domain and harmonic-balance simulation and thus forms the basis for all further oscillator developments within this work. The oscillator design process as presented here follows a new approach. The Auxiliary Generator method is introduced, a very useful and versatile tool, which is not limited to simulation, but also provides valuable data in practice when operating and tuning prototypes. As an additional novel feature a data post-processing method is presented that allows to cast complicated time-domain results into a comprehensible phasor representation. This post-processing provides better understanding of the circuit and allows to extract real and imaginary power fluxes as well as the impedance behaviour of the circuit. Nevertheless, the quasi-static time-dependence of the quantities is retained, so effects such as the plasma ignition can be simulated. These techniques significantly expand the portfolio of the common methods for oscillator design. Based on these methods, a prototype of a microwave plasma source is developed, assembled and put into operation. The plasma source yields excellent results under atmospheric conditions as well as with nitrogen or compressed air. With just 3 cm length and width the source offers a small form-factor, requires only a 24 V DC supply and delivers output powers in the 10 W range, enough to ignite the plasma as well as to maintain it burning. As a last step, the generated plasma is described from the physical point of view, studying properties such as temperature of electrons and gas as well as ion density. The work closes with experimental results on the activation of synthetic surfaces, so that a comparison of the new source to commonly known ones in terms of plasma properties becomes possible.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-35705
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3546
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3249
Exam Date: 9-Feb-2012
Issue Date: 18-Jun-2012
Date Available: 18-Jun-2012
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Mikrowellentechnik
Oszillator
Plasma
Microwave engineering
Oscillator
Plasma
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.0/
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