Charakterisierung und explorative Anwendung eines neuartigen Miniatur-Mikrowellen-ICPs

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Peter Awakowicz; Professor Dr. Ralf-Peter Brinkmann; Dr. Horia-Eugen Porteanu
• Fachliche Zuordnung: Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik ; Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 389090373

Hochfrequenz- oder mikrowellenbetriebene Plasmajets stellen eine attraktive Alternative zu konventionellen Plasmakammern dar und ermöglichen viele innovative plasmatechnische Anwendungen. Inhärente Vorteile der Plasmajets sind geringe Kosten und geringe räumliche Abmessungen. Allerdings ist zurzeit ihr Wirkungsgrad unbefriedigend: Die übliche kapazitive Einkopplung der elektromagnetischen Energie führt zu hohen Randschichtspannungen und damit zu hohen elektrischen Verlusten. Im Rahmen des Vorprojekts ist es erstmals gelungen, das Prinzip der induktiven Kopplung auf einen miniaturisierten Microwellen-Plasmajet zu übertragen. Es wurden sehr hohe Elektronendichten (3.5 x10^19) erreicht. Dabei war die Entladung noch weitab vom thermischen Gleichgewicht. Kernstück des Konzepts ist ein kompakter, mit Mikrowellen betriebener Resonator, welcher als Parallelschaltung eines Plattenkondensators mit zwei zylindrischen Spulen der Windungszahl eins aufgefasst werden kann. In diesen Spulen wird ein starkes azimutales Wirbelfeld induziert, das in den dort befindlichen gasdurchströmten Keramikröhrchen ein Plasma mit niedriger Randschichtspannung unterhalten kann. Im Fokus des Projekts stehen die weitere Untersuchung grundlegender, plasmaphysikalischer Fragen und technischer Aspekte des Betriebs, sowie eine erste Exploration des Anwendungspotentials der neuen Quelle. Hierzu ist ein abgestimmtes Vorgehen aus experimentellen und theoretischen Methoden geplant. Experimentell sind ortsaufgelöste Emissions- und Absorptionsspektroskopie, sowie zeitaufgelöste elektrische Messungen des komplexen S11-Parameters geplant. Von besonderem Interesse sind hierbei die Charakterisierung der Quelle mit verschiedenen Gasen, die Charakterisierung der Modenübergänge und die Plasmachemie der radikalen Spezies. Die zeitabhängigen elektrischen Messungen ermöglichen Einsichten in die Dynamik der Quelle, während der Zündung und der Modenübergänge. Auf theoretischer Ebene ist zunächst geplant, die komplexere Plasmachemie der neuen Betriebsgase in einem globalen Modell zu beschreiben. Weiterhin ist auf Basis einer kommerziellen Simulationssoftware eine adäquate elektromagnetische Simulation der Resonatorstruktur geplant. Diese soll unter Hinzunahme eines existierenden Plasmatools zu einem hybriden Modell erweitert und vereinigt werden. In technischer Hinsicht ist die Auslotung des Parameterbereichs bezüglich Druck, Leistung, Gaszusammensetzung bedeutsam, um die Eignung der Quelle für die vielfältigen potentiellen Anwendungen einschätzten zu können. Dabei ist auch der Betrieb eines Doppel-ICPs mit zwei unterschiedlichen Betriebsgasen geplant. Besonderes Potential besitzt der MMWICP aber durch die Möglichkeit, mehrere Quellen zu einer linienhaften Quelle zusammenzuschalten. Als erster Schritt in diese Richtung ist die Zusammenschaltung zweier Doppel-ICPs geplant.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen