Numerical and Experimental Research on Gas Discharges and Wave Propagations in Microwave Plasma Torches
Recherche numérique et expérimentale sur les propriétés de décharge et les caractéristiques de propagation électromagnétique dans les torches à plasma micro-ondes
Résumé
This work aims to better understand the discharges in the microwave plasma torches, by investigating the microwave propagation characteristics and the discharge properties in the microwave plasma torches based on rectangular waveguide under different operational conditions.First, the electromagnetic mode of the microwave in the discharge tube and their existence conditions have been theoretically studied and numerically validated by the full-wave analysis, with the assumption of constant plasma properties, when the discharge occurs. Secondly, based on our assumption that the microwave plasma torch will become a waveguide-coaxial mode convertor when the discharge occurs, experiments are carried out to investigate the effects of the glass tube on the efficiency of power coupling from the input microwave to the discharge in a microwave plasma torch under different input powers, pressures and gas inflow rates in order to explore the possibility to improve the microwave coupling efficiency. Thirdly, a twodimensional fluid model is proposed to simulate the argon discharges in the microwave plasma torch under atmospheric pressure, by making use of approximation of the ambipolar diffusion and axisymmetric distribution of microwave field in the discharge tube. With this simplified model, the mechanism of the plasma column length change under different microwave powers and gas inflow rates, as well as the mechanism of the glass tube overheating problem have been numerically investigated. Finally, a three-dimensional model is further proposed to investigate the discharges in the microwave plasma torches. The argon discharges under atmospheric pressure in two types of microwave plasma torches with different glass tubes has been modelled and compared to the two-dimensional simulation. It is shown that the discharge tube with metallic enclosure in the microwave plasma torches is able to become a two-conductor-like coaxial waveguide, when the discharge properties meet some requirements. With this waveguide structure transition, the cylindrical discharge tube allows the input microwave to enter the discharge tube and propagate along the plasma column towards both ends of the glass tube without the limitation of cut-off frequency. These conclusions may help to better understand the discharge properties and microwave propagation characteristics in the microwave plasma torches and contribute to the optimization of current microwave plasma torches or the design of new types of microwave plasma torches.
Ce travail vise à mieux comprendre les décharges dans les torches à plasma micro-ondes, en étudiant les caractéristiques de propagation des ondes électromagnétiques et les propriétés diélectriques de plasma dans les torches à plasma micro-ondes à base d’un guide d'onde rectangulaire dans différentes conditions de fonctionnement. En premier lieu, le mode de propagation des ondes électromagnétiques dans le tube à décharge plasma, leurs conditions d'existence ont été étudiés théoriquement étudiés et validés numériquement par un outil de modélisation électromagnétique rigoureux, avec l'hypothèse de propriétés de plasma constantes lorsque de la production de décharge plasma. Ensuite, sur la base de l’hypothèse selon laquelle la torche à plasma micro-ondes deviendra un convertisseur de mode guide d'onde-ligne quasicoaxiale lorsque la décharge se produit, des expériences sont menées pour étudier les effets du tube de verre sur l'efficacité du conversion en fonction de la puissance micro-onde, de pressions et de débits d'entrée de gaz afin d'explorer la possibilité d'améliorer l'efficacité du couplage par micro-ondes plasma en faisant une étude paramétrique complète. Troisièmement, un modèle de fluide bidimensionnel est proposé pour simuler les décharges d'argon dans la torche à plasma à micro-ondes sous pression atmosphérique, en utilisant l'approximation de la diffusion ambipolaire et la distribution axisymétrique du champ micro-ondes dans le tube à décharge. Avec ce modèle simplifié, le mécanisme du changement de longueur de la colonne de plasma sous différentes puissances hyperfréquences et débits entrants de gaz, ainsi que le mécanisme du problème de surchauffe du tube de verre ont été étudiés numériquement. Enfin, un modèle tridimensionnel est également proposé pour étudier les décharges dans les torches à plasma micro-ondes. Les décharges d'argon sous pression atmosphérique dans deux types de torches à plasma microondes avec différents tubes en verre ont été modélisées et comparées à la simulation bidimensionnelle. Il est montré que le tube à décharge avec enveloppe métallique dans les torches à plasma micro-ondes peut devenir un guide d’ondes de type quasi-coaxial lorsque les propriétés de décharge répondent à certaines exigences. Avec cette transition de structure de guide d’ondes, le tube à décharge cylindrique permet à l’onde hyperfréquence de pénétrer dans le tube à décharge et de se propager le long de la colonne de plasma vers les deux extrémités du tube en verre sans être limité par une fréquence de coupure. Ces conclusions peuvent aider à mieux comprendre les propriétés de décharge et les caractéristiques de propagation des microondes dans les torches à plasma micro-ondes et à contribuer à l'optimisation des torches à microondes actuelles ou à la conception de nouveaux types de torches à plasma
Origine : Version validée par le jury (STAR)