Diagnostik an Atmosphärendruck-Plasmajets

Kewitz, Thorben ORCID

In der vorliegenden Arbeit werden zwei Atmosphärendruck-Plasmajets untersucht, die einen hohen Leistungsumsatz von mehreren hundert Watt haben. Zur Prozessoptimierung müssen die Eigenschaften dieser Plasmen und ihre Wechselwirkungen mit Oberflächen bekannt sein. In dieser Arbeit werden die Abhängigkeiten verschiedener Plasmaeigenschaften und Oberflächenwechselwirkungen von den Prozess- und Anlagenparametern identifiziert. Dabei werden die diagnostischen Möglichkeiten zur Untersuchung solcher Atmosphärendruck-Plasmajets durch Anpassung des Designs und der Auswertemethodik um passive kalorimetrische Sonden erweitert. Zum ersten Mal wird zudem das Laserabsorptionsspektroskopie- Systems Q-MACS erfolgreich zur Konzentrationsbestimmung im Effluenten eingesetzt. Außerdem werden optische Emissionsspektroskopie, dynamische Untersuchungen mit einer phasenaufgelösten Kamera und Schichtuntersuchungen durch Rasterelektronenmikroskopie und energiedispersive Röntgenspektroskopie durchgeführt. Die Abhängigkeiten der betrachteten Plasmaeigenschaften und Oberflächenwechselwirkungen von den Parametern werden gezeigt. Die Untersuchungen zeigen unter anderem, dass die Wahl des Düsenkopfes der Plasmajets einen entscheidenden Einfluss auf die Zusammensetzung des Effluenten, den Energieeinstrom und insbesondere dessen Abhängigkeit vom Prozessgasfluss hat. Die Untersuchungen der behandelten Oberflächen ergeben, dass durch den Einsatz des Präkursors Acetylen aus Nanopartikeln zusammengesetzte amorphe Kohlenwasserstoffschichten gebildet werden.

Within the present work two atmospheric pressure plasma jets, which exhibit a high power conversion of several hundred watts, are investigated. In order to optimize processes the characteristics of these plasmas and their interactions with surfaces have to be known. Within this work, the dependences of different characteristics and surface interactions on the process and system parameters are identified. At the same time, the diagnostic possibilities for the investigation on this kind of atmospheric pressure plasma jet are extended by passive calorimetric probes through changes in probe design and analysis. For the first time, the laser absorption spectroscopy system Q-MACS is used to measure concentrations in the effluent. Moreover, optical emission spectroscopy, dynamical studies with a phase resolved camera and coating examinations with scanning electron microscopy and energy dispersive X-ray spectroscopy are conducted. The dependences of the examined properties and surface interactions on the parameters are shown. The investigations show, amongst other things, that the choice of the nozzle head of the plasma jets has a significant influence on the composition of the effluent, the energy influx and, in particular, its dependence on the process gas flow. The investigations of treated surfaces reveal that the use of the precursor acetylene yields in the formation of amorphous hydrocarbon coatings composed of nanoparticles.

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Kewitz, Thorben: Diagnostik an Atmosphärendruck-Plasmajets.

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