Grundlagen zu Mikrowellenplasmen und den Plasmajets

Die Plasmajets von HHF sind die ersten kommerziell verfügbaren atmosphärischen 2,45GHz-Plasmaquellen im Leistungsbereich zwischen 10W und 250W. HHF bietet auch das größte Spektrum an Jets zur Generation von Plasmen an, siehe Fig. 1.


Überblick der HHF-Plasmajets
Fig. 1: Überblick der Plasmajets von HHF

Die physikalischen Vorteile der 2,45GHz-Plasmen (Mikrowellenplasmen oder Mikroplasmen) wurden in vielen Veröffentlichungen nachgewiesen. Bei dieser Frequenz werden (im Gegensatz zu den anderen Technologien) lediglich die Elektronen beschleunigt. Die Ionen sind zu träge den Wechselsignalen, die sich innerhalb einer zehntel Nanosekunde von 0V auf der Maximalspannung ändern, zu folgen. Es entsteht ein "sanftes Plasma", das durch die geringe Ionenbeschleunigung entsprechend kühler als andere Plasmen ist. Diese neuen Jets (oder auch Strahler genannt) in Verbindung mit der neuartigen und weltweit patentierten Ansteuerelektronik bieten nunmehr praktischen Anwendern wie auch Wissenschaftlern die Möglichkeit diese Vorteile für eine Vielzahl der möglichen Einsatzgebieten zu nutzen.

Eigenschaften unserer Mikrowellen-Plasmajets im Kurzüberblick:

  • Hochreines atmosphärisches Plasma mit Leistungen bis 250 W
  • Einsetzbar für fast alle Gase
  • Linien- und Flächenstrahler sind verfügbar
  • Sehr geringe Verluste in den Plasmajets
  • Relative geringe Plasmatemperatur durch reine Elektronenbeschleunigung
  • Relative hohe Plasmatemperatur durch hohe Leistungsdichte bei den Kanülenjets
  • Bestens hand- und robotertauglich (echt, 100% potentialfrei)
  • Sehr geringer Energiebedarf
  • Wartungs- und verschleißfrei
  • Kleine und handliche Bauform
  • Preiswerte Technologie, die auch bestens in Anlagen integrierbar ist
  • Diverse weitere Vorteile in der Anwendung, die im Weiteren noch herausgestellt werden


Plasmajet mit Kanüle
Fig. 2: HHF-Plasmajet der PC-Serie mit Kanüle für große Leistungen


Eigenschaften unserer Mikrowellen-Ansteuerelektronik im Kurzüberblick:

  • Integrierte Mess- und Ansteuerelektronik in reiner Halbleitertechnologie, die im zehntel Millisekundenbereich Plasmagrößen anpasst
  • Ansteuerelektronik beinhaltet Messtechnik zur Messung des Plasmawiderstandes
  • Als Laborgerät und Modul verfügbar und somit bestens in vorhandener Anlagentechnik integrierbar
  • Preiswerte Technologie, wartungs- und verschleißfrei
  • Kleine Bauform und als Modul einfach implementierbar
  • Integrierte Schutzschaltungen bis zur Kurzschlussfestigkeit und Temperaturabschaltungen
  • Laborgerät weist u.a. auch Gasflusskontrolle auf


Kurzdarstellung: Technologischer Hintergrund

In der Leistungsklasse über 20W waren bisher fast nur atmosphärische Plasmajets (-strahler) kommerziell verfügbar, die das Plasma über eine Bogenentladung erzeugen. Alle diese Jets werden über Hochspannungssignale im kHz- oder dem unteren MHz-Bereich angesteuert.

Die Plasmastrahler von HHF werden durch ein Mikrowellensignal (bei 2,45GHz) über ein Standard-50Ohm-Koaxialkabel angesteuert. Die Hochspannungstransformation des 2,45GHz-Signals für die Zündung findet nur im Strahler im Bereich der Elektrode über rein metallische Koaxialleitungsbauteile statt. Im äußeren Bereich ist keine Hochspannung und nur eine sehr geringe Mikrowellenabstrahlung (die weit unten den Zulassungsgrenzen liegt) messbar. Im Jet oder am Kanülenende der Elektrode wird ein so genanntes Mikrowellenplasma (auch Mikroplasma genannt) gezündet. Fig. 3 zeigt ein Mikrowellenplasma, wie es an der FH Aachen in der Vorentwicklung generiert wurde.


Erste Zündkerze
Fig. 3: Mikrowellenplasma/Mikroplasma aus Forschungsarbeiten der FH Aachen


Die Tatsache, dass ein Mikrowellenplasma nicht gegen die Masse schlägt, birgt viele Vorteile wie die absolute Potentialfreiheit und wenig Abwärmeverluste. Weiterhin entsteht ein Mikrowellenplasma nicht durch den Elektronenaustritt und -eintritt an den Elektroden sondern nur durch eine kapazitive Ankopplung. Daher werden die Elektroden nicht so stark belastet wie bei einer Bogenentladung.

Insbesondere für schwer ionisierbare Prozessgase wie Luft ist der Ionisationsgrad beim Mikroplasmastrahler viel höher als bei einem Strahler, der mit einer Bogenentladung arbeitet, da der Lichtbogen nur einen kleinen Teil des Gases ionisiert. Wissenschaftliche Untersuchungen, die bereits an 10W-Systemen durchgeführt wurden, zeigen die große Effektivität von Mikroplasmen im technischen Einsatz. Von uns durchgeführte Spektroskopieuntersuchungen zeigen, dass an den Elektroden kein Material ins Plasma austritt. Aufgrund der geringeren inneren Aufheizung sind alle HHF-Plasmajets mit wartungsfreien Kupferelektrode ausgestattet.


Kurzdarstellung: Technologische Anwendungen

Plasmen werden zunehmend in allen Industriebereichen wie auch in der Medizin angewendet.

Wichtige Anwendungsgebiete für kleine Leistungen (unter 100W):

  • Aktivierung von Kunststoffoberflächen zum Schweißen, Schmelzen, Lackieren, Bedrucken, Beschichten, Kleben u. v. w. Bearbeitungsschritten.
  • Reinigung von diversen Metalloberflächen zum Löten, Lackieren, Bedrucken, Beschichten, Kleben, Bonden u. v. w. Bearbeitungsschritten.
  • Desinfizierung und Sterilisation in der Medizintechnik von Instrumenten bis hin zu Wunden.
  • Altern von Bauteilen.

zusätzliche Anwendungsgebiete für größere Leitungen (>100W):

  • Verlötung von Metallen mit Weich- oder Hartlot.
  • Schmelzungen von Oberflächen und Bohrung von Löchern.
  • Beschriftungen von diversen Materialien.
  • Einbrennung von Lacken.
  • Zerschneidung von diversen Materialien.
  • Schweissung von diversen Materialien.
  • Beschichtung von diversen Materialien.


Weitere Darstellungen der Mikrowellenplasmatechnik und -jets sowie deren Applikationen

Eine Veröffentlichung zum Einsatz der Mikrowellenplasmatechnik für die Vorbehandlung von Materialien zum Kleben (hier am Beispiel PTFE) können Sie unter dem folgenden Link herunterladen: Vorbehandlung von Materialien zum Kleben


Beispiele zu vielen dieser Applikationen mit den HHF-Plasmajets finden Sie in unserer englischsprachigen Applikationsschrift: Plasma_AppNote


Eine analytische wissenschaftliche Veröffentlichung zu Plasmaeigenschaften der 2.45 GHz Plasmatechnik für einen kleinen Jet können Sie unter dem folgenden Link herunterladen: Grundlagenuntersuchung von Mikrowellenplasmen


Weitere Grundlagen zur Plasmatechnik und viele Details zur Mikrowellen- bzw. Mikrowellenplasmatechnik finden Sie im frei verfügbaren E-Buch "Mikrowellentechnik" von Prof. Heuermann:

Mikrowellentechnik von Prof Heuermann V1_4 (presently only in German)


Nähere weitere Informationen mit Beratung zu der Ihrerigen Anwendung erhalten Sie durch telefonischen Rückruf unter: Info@HHFT.de.




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