Atmospheric pressure microwave plasma torch

T.C

SÜLEYMAN DEMİREL ÜNİVERSİTESİ

FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

ATMOSFERİK BASINÇ MİKRODALGA PLAZMASININ

KARAKTERİSTİĞİ

Ferhat BOZDUMAN

Danışman: Doç. Dr. Lütfi ÖKSÜZ

YÜKSEK LİSANS TEZİ

FİZİK ANABİLİM DALI

ISPARTA – 2012

TEZ ONAYI

Ferhat BOZDUMAN taralından hazırlanan “Atmosferik Basınç Mikrodalga

Plazmasının Karakteristiği” adlı tez çalışması aşağıdaki jüri tarafından oy birliği /

oy çokluğu ile Süleyman Demirci Üniversitesi Fizik Anabilim Dalı’nda YÜKSEK

LİSANS TEZİ olarak kabul edilmiştir.

Danışman : Doç. Dr. Lütfi ÖKSÜZ Süleyman Demirel Üniversitesi Fizik Anabilim Dalı

Jüri Üyeleri :

Prof. Dr. Ayşegül UYGUNSüleyman Demirel Üniversitesi Kimya Anabilim Dalı

Prof. Dr. Nazım UÇAR

Süleyman Demirel Üniversitesi Fizik Anabilim Dalı

Prof. Dr. Mehmet Cengiz KAYACAN Enstitü Müdürü

Not: Bu tezde kullanılan özgün ve başka kaynaktan yapılan bildirişlerin, çizelge, şekil ve fotoğrafların kaynak gösterilmeden kullanımı, 5846 sayılı Fikir ve Sanat Eserleri Kanunundaki hükümlere tabidir.

ĠÇĠNDEKĠLER

ĠÇĠNDEKĠLER ........................................................................................................... i

ÖZET ........................................................................................................................... ii

ABSTRACT ............................................................................................................... iii

TEġEKKÜR .............................................................................................................. iv

ġEKĠLLER DĠZĠNĠ ................................................................................................... v

ÇĠZELGELER DĠZĠNĠ .......................................................................................... viii

SĠMGELER DĠZĠNĠ ................................................................................................. ix

1. GĠRĠġ ...................................................................................................................... 1

2. KAYNAK ÖZETLERĠ .......................................................................................... 3

2.1. Plazmanın Tanımı ................................................................................................. 3

2.2. Plazmanın Sınıflandırılması .................................................................................. 3

2.3. Mikrodalgalar ........................................................................................................ 6

2.4. Mikrodalgaların Üretilmesi ................................................................................... 8

2.5. Mikrodalgaların İletilmesi ve Dalga Kılavuzları .................................................. 9

2.6. Dikdörtgen Dalga Kılavuzlarında Modlar .......................................................... 12

2.7. Atmosferik Basınçta Mikrodalga Plazmasının Oluşturulması ............................ 14

2.8. Plazmanın Optik Metotla Karakteristiğinin Yapılması ....................................... 22

2.9. Atmosferik Basınçta Mikrodalga Plazmasının Uygulamaları............................. 27

3. MATERYAL VE YÖNTEM ............................................................................... 29

3.1. Materyal .............................................................................................................. 29

3.2. Yöntem ................................................................................................................ 40

4. ARAġTIRMA BULGULARI .............................................................................. 50

4.1. Atmosferik Basınç Mikrodalga Plazmasının Deneysel Bulguları ...................... 50

5. TARTIġMA VE SONUÇ ..................................................................................... 59

6. KAYNAKLAR ..................................................................................................... 62

ÖZGEÇMĠġ .............................................................................................................. 65

ii

ÖZET

Yüksek Lisans Tezi

ATMOSFERĠK BASINÇ MĠKRODALGA PLAZMASININ

KARAKTERĠSTĠĞĠ

Ferhat BOZDUMAN

Süleyman Demirel Üniversitesi

Fen Bilimleri Enstitüsü

Fizik Anabilim Dalı

DanıĢman: Doç. Dr. Lütfi ÖKSÜZ

Günümüzde atmosferik basınçta üretilen plazmaların uygulamalarda etkin sonuçlar

vermesi ve kurulumunun vakum plazması sistemlerinden kolay ve ekonomik olması

bu sistemlere olan ilgiyi büyük bir hızla çekmektedir. Bu tez çalışmasında plazmanın

karakteristiğini belirlemek için soğuk bir plazma olan atmosferik basınçta

mikrodalga plazması kullanılmıştır.

Mikrodalga olarak 2,45GHz frekansında ve 850W gücünde sürekli modlu

mikrodalgalar kullanılmıştır. Üretilen mikrodalgalar sabit güç ve sabit frekanstadır.

Oluşturulan mikrodalgaları kontrol etmek ve kullanmak için dikdörtgen tipli dalga

kılavuzu kullanılmıştır. Atmosferik basınçta plazmayı oluşturmak için yüksek

sıcaklıklara dayanıklı ve yalıtkan olan farklı çaplardaki kuvars tüpler ayrı ayrı

dikdörtgen dalga kılavuzunda elektrik alanın maksimum olduğu noktaya

yerleştirilerek ve içinden değişik tiplerde gazlar geçirilerek elde edilmiştir.

Oluşturulan farklı plazmaların karakteristiklerini belirlemek için optik salınım

spektrometresi (OES), ICCD kamera, termokupl kullanılmıştır. Bu cihazlar

yardımıyla oluşturulan plazmaların gaz sıcaklığı, elektron sıcaklığı, elektron

yoğunluğu, plazmanın zamana ve konuma bağlı fiziksel hareketleri ve uzunluğu

incelenmiştir.

Anahtar Kelimeler: Atmosferik basınç, jet, mikrodalga, plazma, dalga kılavuzu,

karakteristik.

2012, 75 sayfa

iii

ABSTRACT

M.Sc. Thesis

CHARACTERISTIC OF ATMOSPHERIC PRESSURE MICROWAVE

PLASMAS

Ferhat BOZDUMAN

Suleyman Demirel University

Graduate School of Applied and Natural Sciences

Physics Department

Supervisor: Assoc. Prof. Dr. Lütfi ÖKSÜZ

Nowadays atmospheric pressure plasmas, produced without vacuum systems for

effective, easy and economical applications, rapidly attracted a large interest. This

thesis characterizes cold microwave plasmas at atmospheric pressure.

Microwaves in continuous modewere generated by a magnetron at constant power of

850W and constant frequency of 2.45 GHz.The generated microwaves channeled

through a rectangular waveguide are used to ignite and maintain plasma. Due to high

temperature of microwave plasma at atmospheric pressure, resistant and insulating

quartz tubes of different diameters were used to confine plasma. The quartz tube was

placed atthe pointof maximum electric field in a separate end-section of rectangular

waveguide. Plasmas were obtained inside of tubes where various types of gases were

flowing. Plasmas’ characteristics were investigated by optical emission spectrometry

(OES), Intensified Charge Coupled Device(ICCD) camera and thermocouples.Gas

temperature of plasmas generated using these devices, the electron temperature, the

electron density of plasma,space and time distribution of plasmas were analyzed.

Key Words: Atmospheric pressure, jet, microwave, plasma, waveguide,

characteristic.

2012, 75 pages

iv

TEġEKKÜR

Bu tez çalışmamda her zaman yanımda olan her türlü konuda yardımını esirgemeyen,

maddi ve manevi desteğiyle çalışmamın aksatılmadan yürümesine yardımcı olan

teşekkürlerimin yetersiz kalacağı saygıya laik değerli danışman Hocam Doç. Dr.

Lütfi ÖKSÜZ’ e en içten şükranlarımı sunarım.

Tez çalışmamda sürekli yanımda olan ve çalışmalarımın yürümesinde büyük katkısı

olan, gerek bilimsel konularda gerek sosyal konularda her türlü bilgisini esirgemeden

ortaya sunan ayrıca beyin fırtınası ortamını sağlayan değerli Hocam Arş. Gör. Dr. Ali

GÜLEÇ’ e teşekkür ederim. Tez aşamasından önce ve sonra yardımlarını

esirgemeyen ve beni motive eden değerli arkadaşlarım Erdoğan TEKE ve Taner

AKTAN’ a teşekkür ederim.

Süleyman Demirel Üniversitesi Fen-Edebiyat Fakültesi Kimya Bölümü öğretim

üyesi Hocam Prof. Dr. Ayşegül UYGUN’a ortak çalışmalardaki destekleri ve

motivasyonları için minnetlerimi sunarım. Amerika’da Wisconsin Üniversitesi Fizik

Mühendisliği bölümünde görevli olan Sorin Manolache’ye tez çalışmam ile ilgili

fikirlerinden ve yol göstericiliğinden dolayı teşekkürlerimi sunarım.

3081-YL-12 numaralı proje ile tezimi finansal olarak destekleyen Süleyman Demirel

Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinasyon Birimi’ ne teşekkür ederim.

Üzerimde hiçbir emeğini ve dualarını esirgemeyen, her zaman beni yalnız

bırakmayan, tez çalışmamın bütün safhasında bana uğur veren annem Kudret

BOZDUMAN’ a, her zaman ilgisini üzerimden çekmeyen, beni anlayışlı karşılayan,

üzerimdeki hakkını hiç zaman ödeyemeyeceğim babam Murat BOZDUMAN’ a

teşekkür ederim. Ayrıca her türlü konuda maddi ve manevi desteklerini esirgemeyen

abim Ferdi BOZDUMAN’ a teşekkür ederim.

Ferhat BOZDUMAN

ISPARTA, 2012

v

ġEKĠLLER DĠZĠNĠ

Şekil 2. 1. Sıcaklıklara ve Parçacık enerjilerine göre maddenin dört hali ................... 3

Şekil 2. 2. Doğal ve laboratuvar plazmalarının elektron yoğunluğuna ve elektron

sıcaklığına göre sınıflandırılması ................................................................ 4

Şekil 2. 3.Kullanım alanlarına ve elektron parametrelerine göre plazmaların

sınıflandırılması. ......................................................................................... 6

Şekil 2. 4.Elektromanyetik Spektrum .......................................................................... 7

Şekil 2. 5. Standart bir magnetronun bileşenleri .......................................................... 9

Şekil 2. 6. Dikdörtgen, silindirik ve eliptik dalga kılavuzları .................................... 10

Şekil 2. 7. Dikdörtgen dalga kılavuzunda TE ve TM modlarının görünüşü .............. 13

Şekil 2. 8.Dikdörtgen dalga kılavuzlarında görülen dalga modları ........................... 14

Şekil 2. 9.Mikrodalga deşarjlarını oluşturmak için kullanılan reaktörler. a) Klasik

dikdörtgen dalga kılavuzu metodu, b) Yavaş dalga metodu ..................... 16

Şekil 2. 10.Dikdörtgen dalga kılavuzuyla deşarj oluşturma sisteminin bileşenleri; 1)

Dalga kılavuzu, 2) Yalıtkan tüp, 3) Plazma .............................................. 16

Şekil 2. 11.Dalga kılavuzunda TE10 modu tarafından sürdürülen deşarj; a) Deşarj

tüpünün kesit alanı ve plazma bölgesi, b) Geniş duvar boyunca elektrik

alan çizgilerinin dağılımı .......................................................................... 17

Şekil 2. 12. Ateşleme sistemli mikrodalga plazması üreteci ...................................... 18

Şekil 2. 13. Dalga kılavuzunda çeyrek dalga kısmının üstten görünüşü;

a) Manyetik alan çizgileri, b) Elektrik alan yoğunluğu .......................... 19

Şekil 2. 14. Argon gazı kullanılarak filamenter deşarjın oluşum aşamaları; a)

Deney düzeneği, b) 5lt/dk argon kullanılarak oluşturulan filamenter

deşarj ......................................................................................................... 20

Şekil 2. 15. Argon plazmasının farklı akış miktarlarında moleküler gazlarla

karıştırılması; a) 5lt/dk Ar+N2, b) 5lt/dk Ar+O2, c) 5lt/dk Ar+CO2,

d) 5lt/dk Ar+CH4 ...................................................................................... 21

Şekil 2. 16. Elektrot sistemli mikrodalga plazması üreteci (Patel at al., 1987) ......... 22

Şekil 2. 17. Ocean Optics HR4000 yüksek çözünürlüklü spektrometre bileşenleri;

1) SMA bağlantısı, 2) kesit, 3) filtre, 4) yön verici ayna, 5) ızgara, 6)

odaklayıcı ayna, 7) L2 detektör toplama lensleri, 8) CCD detektör ......... 23

Şekil 2. 18.Argon plazmasına ait Boltzmann dağılımı grafiği ................................... 24

Şekil 2. 19. Argon plazmasının elektron sıcaklığını hesaplamak için kullanılan

spektrum çizgileri ...................................................................................... 24

Şekil 2. 20.FWHM değerinin spektral çizgi üzerindeki konumu............................... 25

Şekil 2. 21. Atmosferik basınçta hava+su buharı plazması ....................................... 26

vi

Şekil 2. 22. 0,8mm kalınlığındaki yumuşak çeliğin mikrodalga plazması ile

kesilmiş hali .............................................................................................. 27

Şekil 3. 1. Mikrodalga plazmasının karakteristiğinin yapılması için kurulan deney

düzeneğinin şematik gösterimi .................................................................. 29

Şekil 3. 2.Kuvars tüpün dalga kılavuzundaki pozisyonu ........................................... 30

Şekil 3. 3. Panasonic 2M210-M1 model 2,45GHz 850W sürekli modlu hava

soğutmalı magnetronun izolasyon kutusu ................................................. 30

Şekil 3.6. Astex LS model su soğutmalı mikrodalga soğurucu ................................. 32

Şekil 3.7. Astex CS2 model 3 portlu sirkülatör ......................................................... 32

Şekil 3.8. Astex model L bentler ................................................................................ 33

Şekil 3.9. Astex TS model 3 kontrollü empedans uyumlayıcı ................................... 33

Şekil 3. 10.El yapımı duran dalga oluşturucu pirinç dalga kılavuzu ......................... 34

Şekil 3. 11. Aynı uzunluktaki ve farklı çaplardaki şeffaf kuvars tüpler .................... 34

Şekil 3. 12.Alan 50D-1 model radyo frekans dedektörü ............................................ 35

Şekil 3. 13. Plasma-Therm model mikrodalga yansımaölçer galvanometre ve

dijital multimetre ....................................................................................... 35

Şekil 3. 14.Dwyer RMA 22 SSV model akışkan metre ............................................. 36

Şekil 3. 15.Plazma oluşturmak için kullanılan yüksek saflıktaki gazlar .................... 36

Şekil 3. 16.Andor DH5H7 model 18mm ICCD kamera ............................................ 37

Şekil 3. 17. Stanford DG535 model 4 kanallı dijital geciktirme jeneratörü .............. 37

Şekil 3. 18. Tektronix TDS 7104 model 4 kanallı dijital dokunmatik fosfor

osiloskop ................................................................................................... 38

Şekil 3. 19. Philip Harris model 0-25V ayarlanabilir AC-DC seçenekli güç

kaynağı ...................................................................................................... 38

Şekil 3. 20.ICCD kameranın çalıştırılması için kurulan deney düzeneği .................. 39

Şekil 3. 21.Ocean Optics HR4000 model 3 girişli yüksek çözünürlüklü

(200-1100) nm aralıklı spektrometre ........................................................ 39

Şekil 3. 22. Çift kanallı K tipi termokupl metre ve probu.......................................... 40

Şekil 3. 23.Kuvars tüpün yerleştirildiği dikdörtgen dalga kılavuzunun üstten

görünüşü .................................................................................................... 41

Şekil 3. 24.Yarım dalga doğrultuculu gerilim katlayıcı devresi ................................ 41

Şekil 3. 25.Dikdörtgen tipli dalga kılavuzunun önden görünüşü ............................... 43

Şekil 3. 26.WR-284 tipi dikdörtgen dalga kılavuzunda TE10 modundaki elektrik

alanın bilgisayar ortamında yapılan modellemesi ..................................... 45

Şekil 3. 27.Dikdörtgen dalga kılavuzunda TE10 modunun şematik görüntüsü .......... 45

Şekil 3. 28. Yansımanın maksimum ve minimum olduğu değerlerin ekran

görüntüsü ................................................................................................... 46

vii

Şekil 3. 29. Termokupl yardımıyla plazma gazının sıcaklığının iki farklı noktadan

ölçülmesi ................................................................................................... 47

Şekil 3. 30. Atmosferik basınçtaki argon plazmasında filamenter deşarjın oluşumu 49

Şekil 3. 31.Atmosferik basınçtaki helyum plazmasında parlak deşarjın oluşumu ..... 49

Şekil 4. 1.Dış çapı 12,7 mm ve 7 mm olan kuvars tüpler kullanılarak farklı gaz

akışı miktarlarında elde edilen argon plazmasının resimleri .................... 51

Şekil 4. 2.Dış çapı 12,7 mm ve 7 mm olan kuvars tüp kullanılarak farklı gaz akışı

miktarlarında elde edilen helyum plazmasının resimleri .......................... 51

Şekil 4. 3.10 lt/dk helyum gazı kullanılarak elde edilen plazmanın oluşumunu ve

zaman içerisindeki gelişimini gösteren ICCD kamera resimleri .............. 52

Şekil 4. 4.ICCD kameranın fotoğraf çekimi esnasındaki osiloskop görüntüsü ......... 53

Şekil 4. 5. Helyum plazması için alınan optik salınım spektrumu ............................. 53

Şekil 4. 6.Argon plazması için alınan optik salınım spektrumu ................................ 55

Şekil 4. 7. Helyum plazması için Boltzmann dağılımı grafiği ................................... 57

Şekil 4. 8. Argon plazması için Boltzmann dağılımı grafiği...................................... 58

Şekil 5. 1. Argon plazmasının farklı gaz akışı miktarlarındaki uzunluklarının

karşılaştırılması ......................................................................................... 60

Şekil 5. 2. Helyum plazmasının farklı gaz akışı miktarlarındaki uzunluklarının

karşılaştırılması ......................................................................................... 61

viii

ÇĠZELGELER DĠZĠNĠ

Çizelge 2. 1. Frekans aralıklarına göre plazma tipleri ................................................. 5

Çizelge 2. 2.Plazma oluşumda kullanılan ve standart kabul edilen radyo dalgaları .... 7

Çizelge 2. 3.Frekanslarına göre mikrodalgaların tanımlandırılması ve kullanıldığı

yerler ....................................................................................................... 8

Çizelge 2. 4. Frekans aralıklarına göre dalga kılavuzlarının ölçüleri ve tipleri ......... 11

Çizelge 3.1. Uluslararası standartlarda kullanılan dikdörtgen dalga kılavuzları ve

ölçüleri .................................................................................................. 42

Çizelge 4. 1. Farklı akış ve farklı çaplardaki deşarj tüpleri kullanılarak oluşturulan

helyum plazmalarının uzunlukları ........................................................ 50

Çizelge 4. 2. Farklı akış ve farklı çaplardaki deşarj tüpleri kullanılarak oluşturulan

argon plazmalarının uzunlukları ........................................................... 50

Çizelge 4. 3.Helyum plazmasının elektron sıcaklığını hesaplamak için kullanılan

NIST verileri ......................................................................................... 56

Çizelge 4. 4.Argon plazmasının elektron sıcaklığını hesaplamak için kullanılan

NIST verileri ......................................................................................... 57

Çizelge 4. 5. Helyum ve Argon plazmalarının gaz sıcaklıkları, elektron

sıcaklıkları ve elektron yoğunluklarının gösterilmesi ........................... 58

Çizelge 5. 1. Helyum ve argon plazmasının elektron sıcaklığı, elektron yoğunluğu ve

gaz sıcaklığının karşılaştırılması ........................................................... 59

ix

SĠMGELER DĠZĠNĠ

ε Boş uzayın elektriksel geçirgenliği

λ Havadaki dalga boyu

µ Boş uzayın manyetik geçirgenliği

λg Kılavuz dalga boyu

λc Kesme dalga boyu

fc Kesme frekansı

In Emisyon çizgisi şiddeti

gk İstatiksel genişlik

Ak Taban durumuna geçiş olasılığı

Ek Uyarılmış enerji seviyesi

c Işık hızı

h Planck sabiti

Te Elektron sıcaklığı

Tg Gaz sıcaklığı

kB Boltzmann sabiti

f Frekans

GHz Gigahertz

MHz Megahertz

ms Milisaniye

AC Alternatif akım

DC Doğru akım

K Kelvin

w Elektron etki parametresi

ne Elektron yoğunluğu

me Elektronun kütlesi

V Gaz hacmi

ω Açısal frekans

e Elektronun yükü

1

1. GĠRĠġ

Maddenin katı, sıvı, gaz ve plazma olmak üzere 4 hali vardır. Bunlar arasındaki en

belirgin fark sahip oldukları enerjidir. Maddeye enerji verilerek sırasıyla katı sıvı gaz

ve plazma hali elde edilebilir ya da tersi yapılarak plazma halinden gaz sıvı ve katı

hale geçiş yapılabilir. Enerji kaynağı elektrik olabileceği gibi, ısıl veya ışın kökenli

de olabilir (Kutlu vd., 2003; Wintenberg at al.,2006). Genellikle ‘iyonize olmuş gaz’

olarak tanımlanan plazma; elektronlar, iyonlar, nötr parçacıklar, fotonlar ve uyarılmış

parçacıklar içerir. Plazma fiziği bu parçacıkların ortak davranışını açıklamaya çalışır.

Her iyonize gaz plazma olarak tanımlanamaz. Tabiiki her gazda bazı küçük

iyonizasyon derecesi daima vardır (Chen, 1984). Her yüklü parçacığın bulunduğu

iyonize olmuş sistemlere plazma denilmez. Plazmanın en önemli özelliklerinden biri;

sanki yüksüz olmasıdır. Yani, artı ve eksi elektrik yüklü parçacıklar birbirinden

bağımsız hareket ederken, sistemin bütünüyle sanki yüksüz olmasıdır. Bunun yanı

sıra, bir sistemin plazma olabilmesi için birim hacim içinde yeteri kadar plazma

yoğunluğu bulunması gerekir. Sistem yüzsüzlükten uzaklaştıkça plazma tanımından

da uzaklaşır (Öksüz, 2001).

‘Plazma’ terimi biyolojideki plazma teriminden esinlenilerek ilk olarak 1928’de

Irving Langmuir tarafından kullanılmıştır (Roth, 1995). Plazma, kısmen uyarılmış

gaz, elektronlar, pozitif-negatif iyonlar, radikaller ve çeşitli uyarılmış atom

moleküllerdir (Kieft vd., 2004). Tüm yıldızlar plazmadan oluşur ve yıldızlar arası

uzay plazmayla doludur yani evrenin % 99’u plazma halindedir (Chen, 1984).

Plazmalar oluşturuldukları ortamın basınç değerine, sahip oldukları sıcaklığa,

kullanılan enerji kaynaklarına ve farklı yöntemler ile modifiye edilmelerine göre

sınıflandırılırlar. Plazma günlük hayatımızın her köşesinde mevcuttur. Örnekler

verecek olursak; güneş, yıldızlar, plazma TV’ler, plazma lambaları, kuzey ışıkları

gibi. Plazma endüstride yaygın olarak kullanılmaktadır. Metallerin kesiminde, yüzey

modifikasyonlarında, metalik ve metalik olmayan ince film kaplamalarda, tekstil

sanayisinde kumaşların boyanmasında, malzeme ayrıştırmada ve zenginleştirmede

plazmanın kullanım önemi çok büyüktür. Özellikle termal plazmaların katı ve sıvı

malzemelerin sterilizasyonunda ve yüzey aktivasyonunda kullanılması büyük bir

önem kazanmaktadır. Tabii ki plazma üretimi için kullanılan gazlarında hangi işlemi

2

yapmaya karar vermemizde büyük bir etkisi vardır. Sterilizasyon için genel olarak

oksijen gazı ya da farklı gazlarla karışımı kullanılmaktadır. Atmosferik basınçta

plazma üretilmesi daha kolay ve daha ekonomiktir. Özellikle yüksek frekanslarda

plazma elde edilmesi düşük frekanslı sistemlerden daha kolaydır. Mikrodalgalar

yardımı ile plazma elde edilmesi klasik elektrik deşarjına dayanmaktadır.

Mikrodalgalar oldukça yüksek frekans mertebesine sahiptirler. Mikrodalgaları bir

yere odaklamak yani kontrol altında tutup kullanmak için dalga kılavuzları

kullanılmaktadır. Dalga kılavuzları aynı zamanda mikrodalgaların dışarıya sızmasını

engeller.

Son zamanlarda mikrodalga plazması ile yapılan çalışmalar büyük bir titizlikle

sürmektedir. Süleyman Demirel Üniversitesi Plazma Araştırma Laboratuvarında

yapılan bu çalışma ile atmosferik basınçta mikrodalga plazmasının karakteristiği

incelenmiştir. Plazmanın optik, termal ve fiziksel özellikleri tanımlanmıştır.

3

2. KAYNAK ÖZETLERĠ

2.1. Plazmanın Tanımı

Fizik ve kimya biliminde plazma parçacıklarının bir kısmı veya tamamı iyonize

olmuş gaza denir (Luo at al., 1998). Maddenin 4 halinin parçacık enerjilerine ve

elektron sıcaklıklarına göre geçiş aralıkları Şekil 2.1.’de belirtilmiştir. Plazma hali en

genel şekilde, elektronlar, negatif ve pozitif yüklü iyonize olmuş küçük parçacıklar

ile nötr atom ve moleküllerinin oluşturduğu gaz ortamı olarak tanımlanabilir. Bu

tanım şekliyle, bildiğimiz madde hallerinden (katı, sıvı ve gaz) farklıdır (Inagaki,

1996).Son yıllarda bazı bilim adamları tarafından plazma, maddenin 4. hali olarak

tanımlanmaya başlanmıştır. Zira plazma ortamında maddenin diğer hallerinden farklı

olarak yüksek enerji seviyesinde ve aktif halde çok fazla elektron ve moleküller

bulunmaktadır (Grill, 1993).

Şekil 2. 1. Sıcaklıklara ve Parçacık enerjilerine göre maddenin dört hali (Grill, 1993)

2.2. Plazmanın Sınıflandırılması

Plazmalar bulundukları basınç değerlerine göre düşük basınç plazması (vakum) ve

yüksek basınç plazması (atmosferik), elektron sıcaklıklarına ve elektron

yoğunluklarına göre termodinamik dengede olan, yerel termodinamik dengede

olan(termal plazmalar) ve termodinamik dengede olmayan (termal olmayan)

plazmalar olarak sınıflandırılırlar (Souheng, 1982).

4

Şekil 2. 2. Doğal ve laboratuvar plazmalarının elektron yoğunluğuna ve elektron sıcaklığına

göre sınıflandırılması (Math, 2011)

Plazmaların elektron sıcaklığı ve elektron yoğunluklarına bakılarak termodinamik

durumları hakkında bilgiler bilinir. Plazmaların elektron parametrelerine göre sıcak

ve olarak sınıflandırılması aşağıdaki gibidir.

Te = Tg = Ti ise Termodinamik dengede olan plazmadır ve sıcak plazma olarak

isimlendirilir.

Te> Ti > Tg ise Termodinamik dengede olmayan plazmadır ve soğuk plazma olarak

isimlendirilir (Plasma-Universe, 2011).

Atmosferik basınçtaki plazmalar kullanılan güç kaynaklarına göre; DC plazma,

düşük frekans plazması, RF plazması ve mikrodalga plazması olarak sınıflandırılır.

Atmosferik basınçtaki plazmalar yüksek basınç plazmaları olarak bilinirler.

Oluşturulan plazmalar genellikle 1 atm’lik basınç ortamında bulunmaktadır

5

Çizelge 2. 1. Frekans aralıklarına göre plazma tipleri (Chabert and Braithwaite, 2011)

Plazma Tipi Frekans Aralığı

DC Plazma 0 Hz

Düşük Frekans Plazması f <1 MHz

RF Plazması 1<f<500MHz Genellikle 13,56MHz

Mikrodalga Plazması 0,5<f<10GHz Genellikle 2,45GHz

Plazmaların oluşturulmasında kullanılan en yaygın yöntem elektriksel deşarj

metodudur. Elektrik alan sayesinde yük taşıyan parçacıklar ivmelendirilerek diğer

yük taşımayan (nötr) parçacıklar ile hızlı bir şekilde çarpıştırılması sağlanır (Conrads

and Schmidt, 2000).

Plazmayı oluşturmak için kullanılan deşarjlar AC ve DC deşarjdır (Conrads and

Schmidt, 2000). Plazmalar elektron parametrelerine, basınçlarına göre Şekil 2.3.’deki

gibi birçok alanda kullanılmaktadır.

6

Şekil 2. 3. Kullanım alanlarına ve elektron parametrelerine göre plazmaların sınıflandırılması

(Conrads and Schmidt, 2000).

2.3. Mikrodalgalar

Elektromanyetik spektrumda 300 Mhz ile 30 Ghz aralığındaki frekanslara sahip olan

dalgalar mikrodalga olarak isimlendirilir. Bu dalgalar nükleer ve iyonize olmayan

ışın şeklinde yayılırlar. Mikrodalgalar radyo dalgaları (RF) sınıfına girip bu sınıfın en

kısa dalga boyuna sahip olanlarıdır (Ammons, 2011). Mikrodalga ismi bu dalgaların

dalga boylarının 1m’den kısa olmasından dolayı verilmiştir. Mikro dalgaların dalga

boyları 0,01 mm ye kadar inmektedir. Mikrodalgaların oldukça geniş kullanım

alanları vardır. Bunlardan örnekler verecek olursak GSM operatörleri, fırınlar, radar

sistemleri, tıp, gıdaların kurutulması vb. Mikrodalgalar elektromanyetik spektrumda

kızılötesi ışınlar ile genel radyo dalgaları arasındaki bölgede bulunurlar.

Mikrodalgalar çıkış sinyallerine göre iki türe ayrılır. Birincisi sürekli mikrodalgalar

ikincisi ise darbeli mikrodalgalardır.

7

Şekil 2. 4. Elektromanyetik Spektrum (Geo, 2011)

Şekil 2.4.’de elektromanyetik spektrumda mikrodalgaların konumu gösterilmiştir.

Laboratuvar ortamlarında kullanılan radyo dalgalarının frekansları ve dalga boyları

Çizelge 2.2.’de verilmiştir.

Çizelge 2. 2. Plazma oluşumda kullanılan ve standart kabul edilen radyo dalgaları

Freakans (MHz) Dalga Boyu (m)

13,56 22,12

27 11,1

915 0,327

2450 0,122

8

Çizelge 2. 3. Frekanslarına göre mikrodalgaların tanımlandırılması ve kullanıldığı yerler

(Ammons, 2011)

2.4. Mikrodalgaların Üretilmesi

Mikrodalgalar özel dizayn edilmiş çeşitli vakum tüplerine gerekli sinyallerin

uygulanması ile üretilmektedir. Düşük mikrodalga frekansları elektron tüpleri ve

transistörler kullanılarak üretilebilir. Yüksek ve daha yüksek frekanslar ise (> 100

MHz) klistronlar ve magnetronlar kullanılarak üretilir (Ammons, 2011). Laboratuvar

ortamlarında plazma oluşturma amacıyla kullanılan mikrodalgalar Şekil 2.5.’deki

magnetron adı verilen vakum tüpleri aracılığıyla oluşturulmaktadır. Magnetron katot

ve anottan oluşan bir metalik vakum tüpüdür. Anod çeşitli sayıda kavitilere yani

boşluklara sahiptir. Anodun etrafı kalıcı bir manyetik çerçeve ile sarılmıştır. Yüksek

voltaj, ısıtılmış çubuğa (katot) elektron yayması için uygulanır. Katottan anoda doğru

hareket etmek isteyen elektronlar manyetik alanın etkisiyle direkt olarak değilde

dairesel yörüngeler izleyerek hareket ederler. Böylece herbir kavitinin iki yanında

bulunan anod vanaları arasında bir rf alanı oluşmaya başlar. Oluşan bu rf alanı bizim

istediğimiz mikrodalgalardır. Oluşan bu mikrodalgaları dışarıya transfer etmek için

kavitilerden herhangi birisinin içinde bulunan toplayıcı elektrot kullanılır

(Radartutorial, 2011). Magnetronlar anod ve katot dizaynlarına göre farklı güçlere ve

frekanslara sahip olabilirler. Bundan dolayı anot ve katot için gerekli olan beslenme

voltajları ve akımlarıda değişebilmektedir.

9

Şekil 2. 5. Standart bir magnetronun bileşenleri (Hakuto, 2011)

2.5. Mikrodalgaların Ġletilmesi ve Dalga Kılavuzları

Mikrodalgaların frekansları oldukça yüksek olduğundan dolayı bir yerden başka bir

yere taşınmasında özel izolasyonlu koaksiyel kablolar ve dalga kılavuzları

kullanılmaktadır. Koaksiyel kablolar düşük güçteki mikrodalgalar için idealdir. Fakat

yüksek güçlü mikrodalgaların transferinde mikrodalga kaçağına ve ısınmaya sebep

olmaktadır. Bunun için yüksek güçlü mikrodalgaların taşınmasında dalga kılavuzları

kullanılmaktadır. Dalga kılavuzları yüksek güçlü mikrodalgalar için idealdir. Dalga

kılavuzların tasarlanmasında yüksek iletkenlik ve düşük direnç değeri tercih

edilmektedir. Bu tercihin sebebi enerji kayıplarını azaltmaktır. Ayrıca kılavuzun

içinin düzgün ve pürüzsüz olması önemlidir. Çünkü en küçük bir yüzey bozukluğu

direnç oluşmasına ve dalga kılavuzunun ısınmasına sebep olmaktadır. Dalga

kılavuzları geometrik yapılarına göre 3 tipe ayrılmaktadır.

• Dikdörtgen Dalga kılavuzları

• Silindirik Dalga kılavuzları

• Eliptik Dalga kılavuzları

10

Şekil 2. 6. Dikdörtgen, silindirik ve eliptik dalga kılavuzları (Quinstar, 2011)

Pratikte en çok dikdörtgen tipli dalga kılavuzları kullanılmaktadır. Bunun sebebi

dikdörtgen dalga kılavuzların kolay imalatı ve uygun şekiller alabilmesidir. Dalga

kılavuzları genel olarak metalden yapılırlar. Malzemenin seçiminde küçük direnç

değeri, imalat kolaylığı, ağırlık ve paslanmaya karşı dayanıklılık gibi faktörler rol

oynar. Laboratuvarlarda genellikle lehimlenebilen ve kolaylıkla işlenebilen

malzemelerin kullanılması istenir. Bu yönden pirinç alaşımı tercih edilir. Havadan

etkilenmemesi, taşıma uygulamalarında malzemenin hafif olması bakımından da

alüminyum veya magnezyum tercih edilir. Bir desibelin kesirlerinin her birinin

önemli olduğu sistemlerde pirinç ve alüminyumdaki iletken kayıpları çok büyüktür.

Bu yüzden bu metallerden yapılan dalga kılavuzu elemanları genellikle gümüşle

kaplanır (Özkan, 1987).

Herhangi bir frekanstaki elektromanyetik dalganın dalga kılavuzdan iletim

yapabilmesi için kılavuz ölçülerinin dalga boyuyla uyuşması gerekir. Gönderilen

frekans aralıklarına göre kullanılacak dikdörtgen dalga kılavuzlarının ölçüleri

Çizelge 2.4.’de verilmiştir. Bu ölçüler sayesinde elimizde bulunan bir frekansın

transfer edilmesi için kullanacağımız ölçüleri bilebiliriz.

11

Çizelge 2. 4. Frekans aralıklarına göre dalga kılavuzlarının ölçüleri ve tipleri ( Radio

Electronics, 2011)

Dikdörtgen dalga kılavuzlarında belirli belirli baskın frekanslar vardır. Bu baskın

frekanslar dalga kılavuzun çalıştırabileceği en küçük frekanslardır. Denklem

(2.1)’deki bağıntı yardımı ile kesme frekansı veya en küçük frekans hesaplanır.

2 2

c

c mπ nπf = +

2π a b (2.1)

Denklem (2.1)’deki fc kesim frekansını, c ışık hızını, m ve n x ekseni ve y

eksenindeki yarım dalga değişimlerinin sayısını, a ve b sırasıyla dikdörtgen dalga

kılavuzunun geniş ve dar kenarlarını temsil etmektedir. Aynı şekilde dikdörtgen

dalga kılavuzlarında dalganın ilerlemesine karar veren kesme dalga boyu kavramı

vardır. Gönderilen frekansın kılavuz içerisinde hareket edebilmesi için kesme dalga

boyunun havadaki dalga boyundan büyük olması gerekmektedir. Kesme dalga boyu

Denklem (2.2) ile hesaplanır.

12

c2 2

2λ =

m n+

a b

(2.2)

Denklem (2.2)’deki λc kesme dalga boyunu vermektedir. Kılavuz ortamındaki bir

dalganın hava ortamındaki dalga boyuyla aynı olduğu söylenemez. Çünkü kılavuz

ortamı sınırlı bir ortam olduğu için belirli durumlara izin vermektedir. Herhangi bir

dalganın kılavuz ortamındaki dalga boyunu hesaplamak için Denklem (2.3)

kullanılır.

g2

c

λλ =

λ1-

λ

(2.3)

Denklem (2.3)’deki λg kılavuz dalga boyunu, λ havadaki dalga boyunu

belirtmektedir. Kılavuz dalga aynı zamanda kılavuzun uzunluğunun ne kadar

olacağını da belirtmektedir.

2.6. Dikdörtgen Dalga Kılavuzlarında Modlar

Dikdörtgen dalga kılavuzlarında elektrik ve manyetik alan her zaman birbirlerine dik

bir biçimde hareket ederler. Elektromanyetik dalgalar dalga kılavuzlarında hareket

ederken çok farklı şekiller gösterirler. Bu şekillere dalga biçimi denir. Dikdörtgen

dalga kılavuzlarında dalga biçimleri enine elektrik modu (TEmn) ve enine manyetik

modudur (TMmn). Kısaltmalardaki m ve n alt indisleri sırasıyla x ve y

doğrultusundaki yarım dalga değişimlerinin sayısını vermektedir (Özkan, 1987).

13

Şekil 2. 7. Dikdörtgen dalga kılavuzunda TE ve TM modlarının görünüşü (Allaboutcircuits,

2011)

Dikdörtgen dalga kılavuzlarında Şekil 2.8.’deki gibi birçok modda dalga oluşabilir.

Şekil 2.8.’deki kesikli çizgiler manyetik alan çizgilerini, düz çizgiler elektrik alan

çizgilerini göstermektedir. Fakat en baskın mod TE10 modudur. TE10 modunda

elektrik alan çizgileri Şekil 2.7.’de görüldüğü gibi dalganın hareket yönüne dik

olarak ilerlemektedir. Mikrodalgalar yardımıyla plazmayı oluşturmak için TE10 modu

kullanılmaktadır. Çünkü plazmanın oluşumunda elektriksel deşarjlar temel

alınmaktadır.

14

Şekil 2. 8. Dikdörtgen dalga kılavuzlarında görülen dalga modları (Morpheustechnology,

2011)

2.7. Atmosferik Basınçta Mikrodalga Plazmasının OluĢturulması

Atmosferik basınçtaki mikrodalga deşarjları elektrik alanları sayesinde olmaktadır.

Mikrodalga plazmalarında kullanılan frekans genellikle 2,45GHz’dir. Mikrodalga

alanında elektronların salınımlarının genlikleri çok küçüktür. 2,45GHz frekansında

bir genliğin yüksekliği 3,5x10-3

cm ve genliğin değeri 500V/cm’dir (Conrads and

15

Schmidt, 2000). Plazmayı oluşturmak için kullanılan gazlara gönderilen elektrik

alanın gücü yani gaz tarafından emilen güç Denklem (2.4) ile hesaplanır.

2 22abs

e 02 2

e

P 1 e υ= n E

V 2 m υ υ +ω

(2.4)

Denklem (2.4)’deki Pabs gaza aktarılan gücü, V gazın hacmini, ne elektron

yoğunluğunu, e elektronun yükünü, me elektronun kütlesini, υ elektron-nötr çarpışma

frekansını, ω açısal frekansı, E0 elektrik alanın genliğini temsil etmektedir. Bununla

birlikte 2,45GHz frekansında elektronların kesme yoğunluğu yaklaşık olarak 1011

cm-

3’dür. Bu frekanslarda oluşturulan plazmalar yüksek yoğunluğa sahip plazmalardır

(Conrads and Schmidt, 2000). Mikrodalga plazmalarının oluşabilmesi için

gönderilen gücün maksimum, yansıyan gücün minimum olması gerekmektedir.

Yüksek yansıma oranlarında mikrodalga kaynağının zarar görmemesi için sirkülatör

adı verilen dalga çeviriciler kullanılmaktadır. Mikrodalgalar kullanılarak oluşturulan

plazma sistemlerine mikrodalga reaktörleri denilmektedir (Marec and Leprince,

1993). Marec ve Leprince tarafından dizayn edilen atmosferik basınç mikrodalga

reaktörleri Şekil 2.9.’da verilmiştir. Rezonans reaktörleri yüksek elektrik alanların

yardımıyla mikrodalga deşarjlarının oluşmasını sağlarlar. Bu rezonans reaktörlerinin

en çok kullanılanları surfatronlar, yavaş dalga yapıları ve dikdörtgen dalga kılavuzlu

mikrodalga torçlarıdır.

16

Şekil 2.9. Mikrodalga deşarjlarını oluşturmak için kullanılan reaktörler. a) Klasik dikdörtgen

dalga kılavuzu metodu, b) Yavaş dalga metodu (Konuma, 1992)

Tipik olarak en yaygın yöntem dikdörtgen dalga kılavuzunda elektrik alanın

maksimum olduğu noktaya yalıtkan yapıya sahip deşarj tüpünü yerleştirmektir.

Yerleştirilen deşarj tüpü mikrodalga enerjisini emer. Oluşturulan plazma Şekil

2.10.’deki gibi deşarj tüpünün içerisinde korunur (Raizer, 1987).

Şekil 2.10. Dikdörtgen dalga kılavuzuyla deşarj oluşturma sisteminin bileşenleri; 1) Dalga

kılavuzu, 2) Yalıtkan tüp, 3) Plazma (Raizer, 1987),

17

Elektrik alanın maksimum olduğu yer kılavuzun geniş kenarındaki merkez noktadır.

Dalga boyları kullanılan frekansa bağlı olarak genellikle 2,45 GHz frekansında

mikrodalgalar kullanılmaktadır. Bu frekansın dalga boyu 12,2 cm kadardır.

Bu frekanslarda çalışan kılavuz olarak 7,2cm uzunluğunda geniş kenara, 3,4 cm

uzunluğunda dar kenara sahip WR-284 tipi dikdörtgen dalga kılavuzları

kullanılmaktadır. Yaklaşık olarak 2 cm çapında yalıtkan deşarj tüpü kullanılmaktadır

(Raizer, 1987).

Şekil 2.11. Dalga kılavuzunda TE10 modu tarafından sürdürülen deşarj; a) Deşarj tüpünün

kesit alanı ve plazma bölgesi, b) Geniş duvar boyunca elektrik alan çizgilerinin dağılımı

(Raizer, 1987)

Atmosferik basınçta hava, azot, oksijen gibi gazların deşarjı zor olduğundan dolayı

ateşleme sistemi kullanılmaktadır. Ateşleme sistemini çalıştırmak için yüksek

voltajlar kullanılmaktadır. Temel mekanizma ateşleme sistemi yardımıyla gaz

deşarjını başlattıktan sonra mikrodalgalar yardımıyla deşarjın sürdürülmesidir. Bu

sistemlerde plazmayı oluşturmak daha kolaydır. Çünkü yüksek voltajlarla başlatılan

deşarjlar voltaj genlikleri bakımından mikrodalgalardaki elektrik alan genliklerinden

yüksek olduklarından dolayı deşarj daha kolay başlayacaktır. Dolayısıyla ateşleme

sistemleri sayesinde mikrodalgaların deşarj yetenekleri artmaktadır(Kim, 2003).

Atmosferik basınçta ateşleme sistemine sahip mikrodalga plazması üreteci Şekil

2.12.’de gösterilmiştir. Mikrodalga olarak 1kW gücünde ve 2,45GHz frekansında

18

sürekli modlu dalgalar kullanılmıştır. Deşarj tüpünün kılavuz üzerindeki

elektromanyetik simülasyon programı sayesinde tespit edilmiştir. Kılavuzun iki tarafı

da kapatılarak duran dalgaların oluşturulması sağlanmıştır. Dalgaların simülasyon

görüntüleri Şekil 2.13.’deki gibidir. Oluşturulan plazmanın gaz sıcaklığı adımlı

motora bağlı bir termokupl aracılığıyla ölçülmüştür.

Şekil 2.12. Ateşleme sistemli mikrodalga plazması üreteci (Kim, 2003)

19

Şekil 2.13. Dalga kılavuzunda çeyrek dalga kısmının üstten görünüşü; a) Manyetik alan

çizgileri, b) Elektrik alan yoğunluğu (Kim, 2003)

Atmosferik basınçta mikrodalga plazmalarında görülen deşarj tipleri parlak deşarj ve

filamenter deşarjdır. Genellikle helyum gazı kullanılarak oluşturulan plazmalar

parlak deşarj sergilemektedir. Argon gazı kullanılarak oluşturulan plazmalar

filamenter deşarj görüntüsüne sahiptirler. Argon gazına azot, oksijen, metan ve

karbondioksit gibi değişik gazlar eklenerek filamenter deşarjdan parlak deşarja geçiş

yapması mümkündür. Bu sistemde elektrik alan uygulayıcısı olarak basamaklı dalga

kılavuzu kullanılmıştır. Basamaklı dalga kılavuzlarında elektrik alan diğer düz tip

dalga kılavuzlarına nazaran daha yüksek şiddete sahiptir (Hong and Cho, 2008). Bu

durum elektrik alan genliğini arttırmaktadır. Kılavuz sistemi olarak 86mm

uzunluğunda uzun kenara, 43mm uzunluğunda dar kenara sahip olan WR-340 tipi

dalga kılavuzu sistemleri kullanılmıştır. Mikrodalga parametreleri olarak 2,45GHz

20

frekansında ve 1kW gücünde sürekli modlu dalgalar kullanılmıştır. Deşarj tüpü

olarak 20mm çapında ve 1,5mm et kalınlığında şeffaf kuvars tüp kullanılmıştır.

Deşarj tüpü dalga kılavuzunda duran dalga olarak kabul ettiğimiz ortamda bir çeyrek

dalgayı görecek şekilde yerleştirilmiştir. Deney düzeneğinin şematik gösterimi ve

plazma oluşumu anındaki görüntüler Şekil 2.14.’de verilmiştir.

Şekil 2.14. Argon gazı kullanılarak filamenter deşarjın oluşum aşamaları; a) Deney

düzeneği, b) 5lt/dk argon kullanılarak oluşturulan filamenter deşarj (Cheol at al., 2008)

Argon plazmasında filamenter deşarjdan parlak deşarja geçişler Şekil 2.15.’deki

moleküler gazlar eklenerek sağlanmıştır. Mikrodalga plazması oluşturulurken deşarj

tüpüne koruyucu gaz bağlamak iyi bir yöntemdir. Koruyucu gazın amacı plazma

oluşumu sırasında yüksek sıcaklıklara ulaşan deşarj tüpünün çatlamasını

engellemektir. Koruyucu gaz olarak genellikle hava ve azot kullanılmaktadır (Cheol

at al., 2008).

21

Şekil 2.15. Argon plazmasının farklı akış miktarlarında moleküler gazlarla karıştırılması; a)

5lt/dk Ar+N2, b) 5lt/dk Ar+O2, c) 5lt/dk Ar+CO2, d) 5lt/dk Ar+CH4 (Cheol at al., 2008)

Mikrodalga deşarjlarının oluşmasında kullanılan ve ateşleme görevi üstlenen diğer

bir yöntem deşarj tüpünün içerisine elektrot yerleştirmektir. Yerleştirilen bu elektrota

gerilim uygulanmaz. Elektrot kılavuz içerisindeki mikrodalgaları yakalayarak

deşarjın başlatılmasını sağlar (Patel at al., 1987). Elektrot hiçbir zaman kılavuzun

yüzeyleriyle temas etmemelidir. Ayrıca elektrotun yüksek sıcaklıklara dayanabilmesi

önemlidir. Çünkü plazma oluşumu sırasında mikrodalgaları üzerinde tutan elektrot

ısınmaya başlayacaktır. Böylece ömrü kısalacaktır. Bu durum kısa devre görevi

üstlendiğinden dolayı deşarjın kesilmesine sebep olmaktadır. Elektrot olarak

genellikle boru tipi elektrot kullanılmaktadır. Bu sayede gaz elektrotun içinden

geçerek mikrodalgalarla direkt olarak temas edecektir. Böylece deşarj başlamış

olacaktır. Şekil 2.16.’de elektrot sistemli mikrodalga plazmasının deney düzeneği

gösterilmiştir. Mikrodalga kaynağı olarak 2,45GHz frekansında ve 850W gücünde

sürekli modlu mikrodalgalar kullanılmıştır. Plazma gazı olarak helyum

kullanılmıştır.

22

Şekil 2.16. Elektrot sistemli mikrodalga plazması üreteci (Patel at al., 1987)

2.8. Plazmanın Optik Metotla Karakteristiğinin Yapılması

Atmosferik basınçtaki plazmaların elektron yoğunluğunu ve elektron sıcaklığını

hesaplamak için plazmanın optik salınım spektrumunu kullanmak daha elverişlidir.

Plazmanın optik salınımlarını tespit etmek için optik salınım spektrometre cihazı

kullanılır. Fiber optik kablolar yardımı ile plazmadan alınan ışık sinyalleri özel ayna

ve mercek sistemlerine sahip spektrometre cihazına gönderilir. Gönderilen ışık

sinyalleri cihaz içerisindeki özel olarak tasarlanmış CCD dedektör yardımı ile dalga

boylarına ayrıştırılır. Ayrıştırılan bu dalga boyları bilgisayar ortamına görüntü olarak

aktarılır. Görüntüye çevrilmiş olan ışık sinyalleri belirli dalga boylarında ve değişik

şiddetlerde pik salınımları yapar. Bu salınımların içerisinde artık kullanılan plazma

gazına göre değişik elementler, serbest radikaller bulunmaktadır. Şekil 2.17.’de

OceanOptics firmasına ait HR4000 model optik spektrometre cihazının içyapısı

gösterilmektedir.

23

Şekil 2.17. Ocean Optics HR4000 yüksek çözünürlüklü spektrometre bileşenleri; 1) SMA

bağlantısı, 2) kesit, 3) filtre, 4) yön verici ayna, 5) ızgara, 6) odaklayıcı ayna, 7) L2 detektör

toplama lensleri, 8) CCD detektör (OceanOptics, 2011)

Atmosferik basınçta mikrodalga plazmasının optik metotla karakteristiği yapılırken

kullanılan plazma gazına göre ortaya çıkan element spektrumları ve serbest radikaller

kullanılır. Optik metotla plazmanın elektron yoğunluğu ve elektron sıcaklığı

hesaplanabilir. Elektron sıcaklığı Boltzmann dağılımı ile belirlenir. Boltzmann

dağılımı yasasına uyan plazmalar yerel termodinamik dengede olan plazmalardır

(Hahn and Wiese, 1990). Boltzmann dağılımından elektron sıcaklığına geçiş için

aşağıdaki denklem kullanılır.

k k k

k k B e

I .λ Eln( )= - +C

g .A k .T (2.5)

Denklemdeki Ik emisyon çizgisinin şiddetini, λk emisyon çizgisinin dalga boyunu, gk

istatiksel genişlemeyi, Ak taban durumuna geçiş olasılığını, kB Boltzmann sabitini,

Te elektron sıcaklığını, Ek uyarılma enerjisini, C ise atomlar için kullanılan bir sabitti

temsil etmektedir. Denklem (2.5)’ in Ek ’ya göre eğimi elektron sıcaklığını

vermektedir. Argon gazı kullanılarak oluşturulan plazmanın Boltzmann dağılımına

uyduğu grafik Şekil 2.18.’de gösterilmiştir. Grafik üzerindeki noktalar argon

plazmasının optik spektrometreyle alınan dalga boylarıdır. Grafik üzerindeki noktalar

düz çizgiden ulaştığı durumda Boltzmann dağılımına uymadığı sonucu ortaya çıkar.

24

Şekil 2.18. Argon plazmasına ait Boltzmann dağılımı grafiği (Zhang at al., 2010)

Şekil 2.19. Argon plazmasının elektron sıcaklığını hesaplamak için kullanılan spektrum

çizgileri (Zhang at al., 2010)

Şekil 2.19.’da verilen spektrum çizgileri ve parametreleri elektron sıcaklığını

hesaplamak için kullanılmıştır. Argon çizgilerinden yararlanılarak elektron sıcaklığı

3800 K olarak bulunmuştur.

25

Elektron yoğunluğunu ölçmek için genellikle hidrojen atomunun balmer serisinden

olan Hα ve Hβ çizgileri kullanılmaktadır. Atmosfer ortamında oluşturulan plazmalarda

havada bulunan nemden dolayı ölçülen spektrum değerlerinde hidrojen atomunun

balmer serisi çizgileri görülebilir. Alfa ve beta çizgileri dalga boyu olarak sırasıyla

Hα=656 nm ve Hβ=486 nm’dir. Hesaplama metodu olarak yarım yükseklikteki tam

genişlik (FWHM) değeri kullanılmaktadır (Griem, 1997). Spektral bir çizgi üzerinde

FWHM değerinin konumu Şekil 2.20.’deki gibidir.

Şekil 2.20. FWHM değerinin spektral çizgi üzerindeki konumu (Sbig, 2011)

FWHM değerinden yararlanarak argon plazmasının elektron yoğunluğunu

hesaplamak için Denklem (2.6) kullanılmaktadır (Konjevic at al., 2002).

17 -3FWHMe

ΔλN = x10 cm

2w

(2.6)

ΔλFWHM= λFWHM(Deneysel)– λFWHM(Cihaz) (2.7)

Denklem (2.7)’deki Ne cm-3

’ deki elektron yoğunluğunu, λFWHM kullanılan spektral

çizginin yarsındaki maksimum noktanın genişliğini, w kullanılan spektral çizginin

elektron etki parametresini temsil etmektedir. Teorik FWHM değeri argon lambası

referans alınarak bulunmaktadır. FWHM değerleri teorik hesaplarla veya grafik

programları yardımıyla hesaplanabilir. Helyum plazmasının elektron yoğunluğunu

hesaplamak için hidrojen çizgilerinin kullanılmadığı bağıntı kullanılmaktadır

(Konjevic and Roberts, 1976). Helyumun elektron yoğunluğunu hesaplamak için

genellikle 501 nm ve 667 nm spektral çizgileri kullanılmaktadır (Omar, 2011).

26

Denklem (2.8)’de helyumun spektral çizgilerinden olan 667 nm çizgisi için

kullanılan bağıntı verilmiştir.

0 -3

e elnw(A )= -34,90(±1,5)+1,040(±0,014)lnN (cm )-0,35(±0,04)lnT (K) (2.8)

Yukarıdaki ifadede w kullanılan çizginin FWHM değerini Te elektron sıcaklığını

temsil etmektedir. Teorik olarak atmosferik basınçtaki mikrodalga plazmalarında

helyum gazı için elektron yoğunluğu 1014

– 1016

cm-3

aralığında olmaktadır (Zander

and Hieftje, 1981).

Plazma oluşturmak için kullanılan gazların yanında havada plazma oluşturmak için

gaz yerine kullanılabilir. Havada deşarj zor olduğu için hava bir su buharı ile

karıştırılarak deşarjın başlatılması sağlanır. Şekil 2.21.’de hava ve su buharı

karıştırılarak atmosferik basınçta mikrodalga plazması elde edilmiştir. Mikrodalga

parametreleri olarak 2,45GHz frekansında ve 200 ile 700W arasında değişken

güçlerde sürekli modlu mikrodalgalar kullanılmıştır. Dalga kılavuzu sistemi olarak

WR-340 tipi kılavuz sistemi kullanılmıştır (Felizardo at al., 2009).

Şekil 2.21. Atmosferik basınçta hava+su buharı plazması (Felizardo at al., 2009)

27

2.9. Atmosferik Basınçta Mikrodalga Plazmasının Uygulamaları

Atmosferik basınçta mikrodalga plazmasının birçok uygulama alanıdır. Bunlardan en

çok kullanılanları yüzey işleridir. Bunun dışında yüksek sıcaklıklara ulaşabilen

mikrodalga plazmaları ısıya karşı dayanıklı olan malzemelerin kirli yüzeylerinin

temizlenmesinde, kırılgan olan seramik, kuvars gibi malzemelerin birbirlerine

kaynak edilmesinde kullanılabilir (Gower, 1998). Sert yapıya sahip olan yüzeylerin

ince film gibi kaplanmasında yaygınca kullanılmaktadır. Bunlara örnek olarak

kimyasal buhar biriktirme yöntemiyle elmas film kaplamada kullanılabilir. Yüksek

gaz akışı ve yüksek güçlerde mikrodalgalar kullanılarak oluşturulan plazmalar lazer

sistemleriyle bütünleştirilerek metallerin kesiminde kullanılabilir (Al-Shamma’a at

al., 2001). Şekil 2.22.’de 2,45GHz frekansında ve 1kW gücünde mikrodalga

kullanılarak kesilmiş çelik plaka gösterilmiştir.

Şekil 2.22. 0,8mm kalınlığındaki yumuşak çeliğin mikrodalga plazması ile kesilmiş hali (Al-

Shamma’a at al., 2001)

Atmosferik basınçtaki mikrodalga plazması sistemlerinde azot gazı kullanılarak atık

malzemelerden karbon zenginleştirilmesi yapılabilmektedir (Leštinská at al., 2008).

Karbon zenginleştirmesi için kullanılan sistemde 2,45GHz frekansında ve 3kW

gücünde sürekli modlu mikrodalgalar kullanılmıştır. Şekil 2.23.’de mikrodalga

plazması kullanılarak atık malzemelerden karbonun arıtılması gösterilmiştir.

28

Şekil 2.23. Mikrodalga plazması ile karbon arıtma sistemi (Leštinská at al., 2008)

29

3. MATERYAL VE YÖNTEM

3.1. Materyal

Anlatılan çalışma Süleyman Demirel Üniversitesi’nde bulunan Plazma Araştırma

Laboratuvarının (PAL) imkânlarıyla gerçekleştirildi. Deney düzeneğinin şematik

görüntüsü Şekil 3.1.’de verildi.

Şekil 3.1. Mikrodalga plazmasının karakteristiğinin yapılması için kurulan deney

düzeneğinin şematik gösterimi

Atmosferik basınçta mikrodalgaları üretmek için sürekli modlu 2450 MHz

frekansında ve 850 W gücünde magnetron tüpü kullanıldı. Oluşturulan

mikrodalgaları kontrol altında tutmak ve duran dalga ortamını sağlamak için dalga

kılavuzları ve iletken kısa devre plakası kullanıldı. Plazmayı oluşturmak yani

iyonizasyon ortamını sağlamak için yüksek ısıl işlemlere dayanıklı ve yalıtkan olan

farklı çaplardaki kuvars tüpler kullanıldı. Kullanılan kuvars tüpler aynı uzunluktadır.

Bu tüplerden birincisinin iç çapı 4.6mm, dış çapı 8mm, ikincisinin iç çapı 10mm, dış

çapı 13mm’dir. Kuvars tüp dalga kılavuzunda elektrik alanın maksimum olduğu

noktaya yani bir çeyrek dalgaya gelecek şekilde yerleştirildi. Anlatılan deney

düzeneği Şekil 3.2.’de gösterildi.

30

Şekil 3.2. Kuvars tüpün dalga kılavuzundaki pozisyonu

Şekil 3.3. Panasonic 2M210-M1 model 2,45GHz 850W sürekli modlu hava soğutmalı

magnetronun izolasyon kutusu

31

Şekil 3.4. Panasonic 2M210-M1 model 2,45GHz 850W hava soğutmalı magnetron

Sürekli modlu mikrodalgaları üretmek amacıyla şekil 3.4.’de ki Panasonic 2M210-

M1 model magnetron kullanıldı. Magnetronun beslenmesi için filament ve anod’ a

gerilim uygulandı. Magnetronu soğutmak amacıyla magnetronun izolasyon kutusu

içinde hava sirkülasyonu sağlandı.

Şekil 3.5. Laboratuvarda yapılan 2,45GHz 850W magnetron güç kaynağı

32

Şekil 3.5.’de gösterilen laboratuvar ortamında yapılan güç kaynağı yardımıyla

magnetronun beslenmesi yapıldı. Magnetronun çalışması sayesinde mikrodalgalar

üretildi.

Şekil 3.4. Astex LS model su soğutmalı mikrodalga soğurucu

Şekil 3.5. Astex CS2 model 3 portlu sirkülatör

Şekil 3.7.’de gösterilen Astex CS2 model 3 portlu sirkülatör yardımıyla

magnetrondan çıkan mikrodalgaların kısa plakasına çarpıp geri yansıyan dalgaların

magnetrona gelmesi engellendi. Çünkü magnetrona yansıyan dalgalar magnetronun

yanmasına sebep olacaktır. Çevrilen dalgalar 3. porttan Şekil 3.6.’da gösterilen Astex

LS model su soğutmalı mikrodalga soğurucuya gönderilerek yok edildi.

33

Şekil 3.6. Astex model L bentler

Şekil 3.7. Astex TS model 3 kontrollü empedans uyumlayıcı

Şekil 3.8.’de gösterilen Astex model L bentler yardımı ile sirkülatör ve Şekil 3.9.’da

gösterilen Astex TS model 3 kontrollü empedans uyumlayıcı birbirine bağlandı.

Şekil 3.9.’da gösterilen Astex TS model 3 kontrollü empedans uyumlayıcı sayesinde

kısa devre plakasına çarpıp geri yansıyan dalgalar minimuma indirildi.

34

Şekil 3.8. El yapımı duran dalga oluşturucu pirinç dalga kılavuzu

Şekil 3.10.’da gösterilen pirinçten yapılan bir ucu açık diğer ucu kapalı olan dalga

kılavuzu yardımıyla duran dalga oluşturulmuştur. Ayrıca kuvars tüpün yerleştirilmesi

için üzerinde karşılıklı yuva açıldı.

Şekil 3.9. Aynı uzunluktaki ve farklı çaplardaki şeffaf kuvars tüpler

Şekil 3.11’de gösterilen aynı uzunluktaki ve farklı çaplardaki yalıtkan şeffaf kuvars

tüpler yardımı ile iyonizasyon ortamı sağlandı. Kuvars tüplerin şeffaf seçilmelerinin

nedeni optik spektrum çizgilerinin kolay alınması içindir. Çünkü tüp içinde deşarj

oluşurken plazma ortamının deşarj tüpüyle etkileşmesi sonucu farklı radikaller ortaya

çıkmaktadır. Bu durum optik spektrum değerlerinin yanlış alınmasına sebep

olmaktadır. Bu yüzden optik spektrum değerleri alınırken kuvars tüpün plazma

çıkışından değil şeffaf yüzeyinden ölçümler alındı.

35

Şekil 3.10. Alan 50D-1 model radyo frekans dedektörü

Şekil 3.12.’de gösterilen Alan 50D-1 model negatif doğru akım çıkışlı radyo frekans

dedektörü yardımı ile yansıyan mikrodalgaların gücü yüzde olarak ölçüldü. Radyo

frekans dedektörünün çıkışındaki değerler dijital multimetre ve galvanometre

yardımıyla belirlendi. Şekil 3.13.’de verilen galvanometre ve multimetre yardımı ile

yansımanın hangi değerlerde olduğu sayısallaştırıldı.

Şekil 3.11. Plasma-Therm model mikrodalga yansımaölçer galvanometre ve dijital

multimetre

36

Şekil 3.12. Dwyer RMA 22 SSV model akışkan metre

Şekil 3.14.’de gösterilen Dwyer RMA 22 SSV marka 0-25 lt/dk aralığında ölçüm

yapabilen analog akışkan metre yardımıyla kuvars tüpün içinden geçen gazın akışı

miktarı ölçüldü ve kontrol edildi. Akışkan metre lpm (litre per minute / dakika başına

litre) biriminde ölçüm yapmaktadır. Kullanılan akışkan metre hava için kalibre

edildiğinden dolayı kullanılan gazların gerçek akış miktarlarını ölçmek için dönüşüm

yapıldı. Plazma gazları olarak Şekil 3.15.’de gösterilen %99,999 saflıktaki argon ve

helyum soy gazları kullanıldı.

Şekil 3.13. Plazma oluşturmak için kullanılan yüksek saflıktaki gazlar

37

Şekil 3.16.’deki Andor DH5H7 model ICCD kamera ile plazmanın zamana ve

konuma bağlı hareketlerinin resmi çekildi. Kullanılan ICCD kamera su ve hava

soğutmalı olup 10 ns gibi kısa sürelerde fotoğraf çekme özelliğine sahiptir.

Şekil 3.14. Andor DH5H7 model 18mm ICCD kamera

Şekil 3.15. Stanford DG535 model 4 kanallı dijital geciktirme jeneratörü

Şekil 3.17.’de gösterilen geciktirme jeneratörü yardımı ile ICCD kameranın kısa

zaman aralıklarında fotoğraflar çekmesi sağlandı.

38

Şekil 3.16. Tektronix TDS 7104 model 4 kanallı dijital dokunmatik fosfor osiloskop

Şekil 3.18.’de gösterilen Tektronix TDS 7104 model osiloskop yardımı ile ICCD

kameraya gönderilen sinyallerin dalga formları analiz edildi. Osiloskop ekranındaki

sinyaller okunarak fotoğraflamanın hangi zaman aralığında başladığı tespit edildi.

Şekil 3.17. Philip Harris model 0-25V ayarlanabilir AC-DC seçenekli güç kaynağı

Şekil 3.19.’daki Philip Harris model 0-25V ayarlanabilir AC-DC seçenekli güç

kaynağı ile Şekil 16.’da verilen Andor DH5H7 model ICCD kamera tetiklenmiştir.

Tetikleme sinyali olarak 1V 50Hz’lik sinüs sinyali kullanıldı. Kullanılan bu sinyal

aynı zamanda mikrodalga sistemini çalıştırmak için kullanılan sinyaldir ve

senkronizasyonu sağlamaktadır.

39

Şekil 3.18. ICCD kameranın çalıştırılması için kurulan deney düzeneği

Şekil 3.19. Ocean Optics HR4000 model 3 girişli yüksek çözünürlüklü (200-1100) nm

aralıklı spektrometre

Oluşturulan plazmadaki optik salınımları ölçmek için Şekil 3.21.’de gösterilen Ocean

Optics HR4000 model yüksek çözünürlüklü spektrometrenin fiber optik

kablolarından birisi plazmanın oluştuğu bölgeyi görecek şekilde sabitlendi.

40

Şekil 3.20. Çift kanallı K tipi termokupl metre ve probu

Şekil 3.22.’de gösterilen çift girişli termokupl kullanılarak plazma gazının sıcaklığı

ölçüldü. Termokupl olarak -200 ile +1300 santigrat derece aralığında ölçüm

yapabilen K tipi termokupl kullanıldı. Termokupl ile ölçülen plazma gazı sıcaklıkları

bize atmosferik basınçta mikrodalga plazmasının uygulama alanları hakkında bilgiler

verdi.

3.2. Yöntem

Plazmanın oluşturulması için öncelikle kuvars tüp iletken plakalı dikdörtgen dalga

kılavuzunda elektrik alanın maksimum olduğu noktaya yerleştirildi. Kuvars tüpün

sabit konumunda plazmanın oluşması için duran dalganın oluşması gereklidir. Duran

dalga profilini oluşturmak için mikrodalga kılavuzu sistemlerinin en son ucuna

eklenen pirinç dalga kılavuzunun bir ucu iletken plakayla kapatıldı. Mikrodalgaların

iletken plakaya çarparak geri yansıması empedans uyumlama ünitesi yardımı ile

minimuma indirildi. Böylece kuvars tüpün içinden akan gaza enerji yüksek oranda

aktarıldı. Plazmayı oluşturan etki elektrik alandan kaynaklanmaktadır. Manyetik

alanın plazmanın oluşumuna hiçbir katkısı yoktur. Mikrodalgalar bilindiği gibi

elektromanyetik dalgalar olduğundan bu dalgalar elektrik ve manyetik alan

bileşenlerinden oluşmaktadır. Elektrik alan yer düzlemine dik hareket ettiği için

kuvars tüp yer düzlemine dik olacak şekilde Şekil 3.23.’deki gibi dalga kılavuzunun

41

içine yerleştirildi. Mikrodalga üreteci olarak 2,45GHz frekansında ve 850W gücünde

sürekli modlu mikrodalgalar üreten magnetron kullanıldı. Magnetronun beslenmesi

için laboratuvar ortamında özel devre dizayn edildi.

Şekil 3.21. Kuvars tüpün yerleştirildiği dikdörtgen dalga kılavuzunun üstten görünüşü

Magnetronu beslemek için kullanılan güç kaynağında yarım dalga doğrultuculu

gerilim katlayıcı kullanıldı. Devrede kondansatör, diyot ve transformatör vardır.

Devrenin şematik hali Şekil 3.24.’de gösterildi.

Şekil 3.22. Yarım dalga doğrultuculu gerilim katlayıcı devresi

42

Magnetronun karakteristiğinden dolayı deneyde sabit güç ve sabit frekansta

mikrodalgalar kullanıldı. Bu yüzden devrede bu doğrultuda dizayn edildi. Deney

setinde kullanılan dalga kılavuzları 2,45GHz frekansında çalışacak şekilde dizayn

edildi. Bu yüzden uluslararası standartlarda yer alan dalga kılavuzu ölçüleri

kullanıldı. Uluslararası standartlarda kullanılan dikdörtgen tipli dalga kılavuzlarının

tipleri, ölçüleri ve çalışma frekansı aralıkları Çizelge 1.’de verildi. Bu frekansta

çalışacak dalga kılavuzunun tipi WR-284’tür. Ve kılavuzun ölçüleri uzun kenar

72mm, kısa kenar 34mm olacak şekilde seçildi. Dikdörtgen dalga kılavuzlarında

baskın dalga modu TE10 olduğundan dolayı kılavuz ölçülerinin hesaplanmasında bu

parametreler dikkatte alındı. Ayrıca deney setinde kullanılan bütün mikrodalga

ekipmanları WR-284 ölçüleriyle uyumlu olacak şekilde seçildi. Aynı zamanda

mikrodalga ekipmanlarını birbirlerine tutturmak kullanılan flanşlarda uyumlu seçildi.

Kılavuz malzemesi olarak pirinç alaşımı kullanıldı. Dalga kılavuzu yapılırken

kılavuz duvarlarının parlak ve çiziksiz olmasına dikkat edildi. Çünkü en ufak yüzey

anormalliğinde dalga kılavuzunun yüzeyleri direnç gibi davranmaktadır. Bu durum

enerji transferinde kayıplar oluşmasına ve dalga kılavuzunun ısınmasına sebep

olmaktadır.

Çizelge 3.1. Uluslararası standartlarda kullanılan dikdörtgen dalga kılavuzları ve ölçüleri

(Radio Electronics, 2011)

43

Şekil 3.23. Dikdörtgen tipli dalga kılavuzunun önden görünüşü

WR-284 tipli dikdörtgen dalga kılavuzunda uzun kenar ve kısa kenar Şekil 3.25.’de

gösterildi. Kuvars tüpün yerleştirildiği dalga kılavuzunun uzunluğu kılavuz dalga

boyu bağıntısı kullanılarak hesaplandı. Bildiğimiz parametreler frekans, kılavuzun

uzun kenarının ve kısa kenarının ölçüsüdür. Frekanstan mikrodalganın havadaki

dalga boyunu hesapladık. Havadaki dalga boyu λ ile gösterilmektedir.

Daha sonra kesim dalga boyu hesaplandı. Kesim dalga boyu hesaplanırken TE10

ifadesindeki alt indisler kullanıldı. Bu indislerden birincisi x-doğrultusundaki hız

değişimlerinin sayısını ikincisi ise y-doğrultusundaki hız değişimlerinin sayısını

vermektedir. TE10 iadesinin açılımı enine elektrik alan modu olarak belirtilir. Yani

elektromanyetik dalganın elektrik alan bileşenleri dalganın hareket doğrultusuna dik

olarak hareket ettiği için bu isimle tanımlandırılır. Şekil 3.27.’de dikdörtgen dalga

kılavuzunda TE10 modunun görüntüsü gösterildi. Kesim dalga boyu dalga

kılavuzunun çalıştırabileceği maksimum dalga boyudur. Eğer gönderilen dalgaların

dalga boyu kesim dalga boyundan büyük ise bu dalgalar kılavuz içerisinde hareket

edemez. Kesim dalga boyu λc ile gösterilmektedir. Daha sonra elde edilen bu

değerler kullanılarak mikrodalganın kılavuz içindeki dalga boyu hesaplandı. Kılavuz

dalga boyu λg ile gösterilmektedir. Kılavuz ortamı havadan farklı olarak sınırlı bir

ortam olduğu için kılavuz içindeki dalga boyu havadaki dalga boyundan farklı

olacaktır. Kılavuz dalga boyunu hesaplayan bağıntı aşağıda verildi.

c

λ=f

(3.1)

44

(3.2)

(3.3)

Denklem (3.1)’den 2,45GHz için havadaki dalga boyunu hesaplarsak;

10

7

3x10λ= =12,2cm

245x10 olarak bulunur.

Denklem (3.2)’den kesim dalga boyunu TE10 için hesaplarsak;

c

2 2

2λ = =14,4cm

1 0( ) +( )

7,2 3,4

olarak bulunur.

Bulduğumuz bu iki değeri denklem (3.3)’de yerine yazarsak;

g

2

12,2λ = =23cm

12,21-( )

14,4

olarak bulunur.

Bulduğumuz 23cm değeri kuvars tüpü yerleştirdiğimiz dikdörtgen dalga kılavuzunun

uzunluğunu vermektedir.

45

Şekil 3.24. WR-284 tipi dikdörtgen dalga kılavuzunda TE10 modundaki elektrik alanın

bilgisayar ortamında yapılan modellemesi

Yukarıdaki şekilde görüldüğü gibi λg = 23 cm uzunluğunda ve 72mm x 34mm iç

ölçülerindeki dikdörtgen dalga kılavuzunda enine elektrik alan (TE10) modunun

bilgisayar ortamında modelleme yapılarak gösterilmesi sağlandı. Şekildeki kırmızı

renkli bölgeler çeyrek dalga boylarına denk gelmektedir. Kırmızı renkli bu bölgeler

elektrik alanın maksimum olduğu bölgelerdir.

Şekil 3.25. Dikdörtgen dalga kılavuzunda TE10 modunun şematik görüntüsü

Kuvars tüp doğru pozisyona yerleştirildikten sonra plazma oluşturmak için kullanılan

gaz açıldı. Akışkan metreler yardımı ile gazın akış miktarı istenilen değerde

ayarlandı. Daha sonra mikrodalga kaynağı açılarak mikrodalgaların kılavuz

46

içerisinde dolaşması sağlandı. İlk durumda empedans uyumu olmadığı için yansıma

%100 olmuştur. Bu yüzden plazma oluşmadı. Plazmanın oluşması için empedans

uyumunun çok iyi olması gerekmektedir. Empedans uyumlama ünitesindeki ayar

çubukları ile yansımalar minimuma indirildi. Empedans uyumundan önceki ve

sonraki yansıma yüzdeleri Şekil 3.28.’de gösterildi. Böylece elektrik alanın

maksimum olduğu noktada gaz elektrik alanın enerjisi aktarıldığından dolayı

kullanılan gazda elektrik deşarjı başladı. Bu durumda plazma oluştu. Bu işlem argon

ve helyum gazı için ayrı ayrı farklı gaz akışı miktarlarında gerçekleştirildi.

Şekil 3.26. Yansımanın maksimum ve minimum olduğu değerlerin ekran görüntüsü

Her bir gaz için plazmanın oluşumu sırasında öncelikle optik spektrometre

yardımıyla optik salınımlar ölçüldü. Bu işlem yapılırken spektrometrenin fiber optik

kablosu uygun bir noktaya yerleştirildi. Çünkü fiber optik kablonun titreşmemesi ve

plazmaya olan uzaklığı çok önemlidir. Aksi halde bazı serbest radikalleri

görmeyecektir. Bu durum bizim yanılmamıza sebep olacaktır. Optik salınımlar

ölçüldükten sonra termokupl aracılığıyla plazma gazının sıcaklığı ölçüldü.

Bu ölçüm yapılırken sabit gaz akışı miktarı kullanıldı. Değer olarak dakikada 10 litre

gaz akışı sağlandı. Kuvars tüp olarak dış çapı 12,7 mm iç çapı 10mm olan kuvars tüp

kullanıldı. Gaz sıcaklığının ölçümü plazmanın iki farklı noktasından Şekil 3.29.’daki

gibi alındı. Birincisi plazmanın ucundan, ikincisi ise plazmanın tüpün ucundan

çıktığı noktadan yapıldı. Daha sonra ICCD kamera ile belirli süreler aralığında

fotoğraflamalar yapıldı.

47

Şekil 3.27. Termokupl yardımıyla plazma gazının sıcaklığının iki farklı noktadan ölçülmesi

ICCD kamera ile ölçüm yapıldıktan sonra dijital fotoğraf makinesiyle farklı gaz akışı

miktarlarında argon ve helyum plazmalarının resimleri çekildi. Bu işlemler

yapılırken deşarj tüpü olarak farklı çaplardaki kuvars tüpler kullanıldı. Deneysel

ölçümlerden sonra helyum ve argon plazmasının elektron yoğunlukları ve elektron

sıcaklıkları ölçüldü. Elektron sıcaklığını ölçmek için denklem (3.4)’deki Maxwell-

Boltzmann dağılım fonksiyonu kullanıldı. Bunun için helyum ve argon

plazmalarından alınan optik salınım değerleri ve şiddetleri kullanıldı. Denklem

(3.4)’deki Ik emisyon çizgisinin şiddetini, λk emisyon çizgisinin dalga boyunu, gk

istatiksel genişlemeyi, Ak taban durumuna geçiş olasılığını, kB Boltzmann sabitini, Te

elektron sıcaklığını, Ek uyarılma enerjisini, C ise atomlar için kullanılan bir sabitti

temsil etmektedir. Denklemdeki diğer veriler atomlar için özel sabitler olduğundan

Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST)’nün web sitesinden referans alındı.

k k k

k k B e

I .λ Eln( )=- +C

g .A k .T (3.4)

e

1,439T = -

eğim (3.5)

Daha sonra elektron sıcaklığını hesaplamak için kullanılan optik salınım değerleri

yardımı ile elektron sıcaklığının uyarma enerjisine bağlı grafiği çizildi. Denklem

(3.4)’ ün eğimi bizim elektron sıcaklığımızı vermektedir. Denklem (3.5) denklem

(3.4)’deki Te‘nin çekilmiş halidir. Bu denklemde eğim değeri paydaya yazılırsa

elektron sıcaklığı hesaplanmış olacaktır. Argon plazmasının elektron yoğunluğunu

hesaplamak için Denklem (3.6)’da verilen sade genişlik (StarkBroadening) bağıntısı

48

kullanıldı (Konjevic at al., 2002). Elektron yoğunluklarını ölçmek için argon ve

helyum plazmaları için ayrı ayrı en şiddetli dalga boylarında yarım yükseklikteki tam

genişlik(FWHM) değeri kullanıldı. Denklem (3.6)‘daki gerekli terimler yazılarak

elektron yoğunluğuna geçiş yapıldı.

17 -3FWHMe

ΔλN = x10 cm

2w (3.6)

ΔλFWHM= λFWHM(Deneysel) -λFWHM(Cihaz) (3.7)

Denklem (3.7)’deki teorik FWHM değeri argon lambası kullanılarak hesaplandı.

738,45 nm dalga boyunda olan argon çizgisi için teorik genişlik 0,97064 nm,

deneysel genişlik 1,574 nm olarak bulundu. Elektron etki parametresi NIST veri

tabanından 738,45 nm için 0,0071 nm olarak alındı. Bulunan ifadeler Denklem (3.6)

ve (3.7)’de yerine yazılarak argon plazması için elektron yoğunluğu hesaplandı.

FWHM değerleri hesaplanırken OriginPro grafik analiz programından faydalanıldı.

Helyum plazmasının elektron yoğunluğunu hesaplamak için Denklem (3.8)

kullanıldı. Bu denklem helyum 667,68 nm spektral çizgisi için kullanıldı (Konjevic

and Roberts, 1976).

ln(wFWHM) = -34,9(+-1,5)+1,040(+-0,014)ln(Ne) – 0,35(+-0,04)ln(Te) (3.8)

Denklem (3.8)’deki WFWHM kullanılan helyum spektral çizgisinin yarım

maksimumdaki tam genişliğini, Te elektron sıcaklığını temsil etmektedir. Helyum

667,68 spektral çizgisi için WFWHM değeri OriginPro programı yardımı ile 1,014 nm

olarak bulundu. Elektron sıcaklığı olarak helyum için bulunan değer kullanıldı.

Gerekli ifadeler yerlerine yazılarak Ne değeri 6,4x1016

cm-3

olarak bulundu.

49

Şekil 3.28. Atmosferik basınçtaki argon plazmasında filamenter deşarjın oluşumu

Şekil 3.29. Atmosferik basınçtaki helyum plazmasında parlak deşarjın oluşumu

Şekil 3.30. ve Şekil 3.31.’de argon ve helyum kullanılarak oluşturulan plazmaların

resimleri görülmektedir. Oluşturulan plazmalarda parlak deşarj ve filamenter deşarjın

oluşumları görülmektedir.

50

4. ARAġTIRMA BULGULARI

4.1. Atmosferik Basınç Mikrodalga Plazmasının Deneysel Bulguları

Çizelge 4.1. Farklı akış ve farklı çaplardaki deşarj tüpleri kullanılarak oluşturulan helyum

plazmalarının uzunlukları

Gaz Cinsi

Akış

Miktarı

Mikrodalga

Gücü

Mikrodalga

Frekansı

Deşarj

Tüpünün

Çapı (mm)

Plazma Jetinin

Uzunluğu (cm)

Helyum 7 lt/dk 850 W 2,45 GHz (12,7-7) 1-7

Helyum 14 lt/dk 850 W 2,45 GHz (12,7-7) 1,7-2,4

Helyum 21 lt/dk 850 W 2,45 GHz (12,7-7) 1,9-2,5

Helyum 29 lt/dk 850 W 2,45 GHz (12,7-7) 2,4-2,6

Helyum 36 lt/dk 850 W 2,45 GHz (12,7-7) 2,7-3

Çizelge 4.2. Farklı akış ve farklı çaplardaki deşarj tüpleri kullanılarak oluşturulan argon

plazmalarının uzunlukları

Gaz Cinsi

Akış

Miktarı

Mikrodalga

Gücü

Mikrodalga

Frekansı

Deşarj

Tüpünün Çapı

(mm)

Plazma Jetinin

Uzunluğu (cm)

Argon 7 lt/dk 850 W 2,45 GHz (12,7-7) 1-3

Argon 14 lt/dk 850 W 2,45 GHz (12,7-7) 2-6

Argon 21 lt/dk 850 W 2,45 GHz (12,7-7) 2,2-4,2

Argon 29 lt/dk 850 W 2,45 GHz (12,7-7) 2,5-3

Argon 36 lt/dk 850 W 2,45 GHz (12,7-7) 3-3,2

Atmosferik basınçta mikrodalga kullanılarak elde edilen helyum ve argon

plazmalarının farklı gaz akışı miktarlarında elde edilen plazma uzunlukları Çizelge

4.1. ve Çizelge 4.2.’de gösterilmiştir. Deşarj tüpü olarak farklı çaplardaki şeffaf

kuvars tüpler kullanıldı. Oluşturulan helyum ve argon plazmalarının görsel hali Şekil

4.1. ve şekil 4.2.’de verildi.

51

Şekil 4.1. Dış çapı 12,7 mm ve 7 mm olan kuvars tüpler kullanılarak farklı gaz akışı

miktarlarında elde edilen argon plazmasının resimleri

Şekil 4.2. Dış çapı 12,7 mm ve 7 mm olan kuvars tüp kullanılarak farklı gaz akışı

miktarlarında elde edilen helyum plazmasının resimleri

52

Şekil 4.3. 10 lt/dk helyum gazı kullanılarak elde edilen plazmanın oluşumunu ve zaman

içerisindeki gelişimini gösteren ICCD kamera resimleri

Şekil 4.3.’de 12,7 mm dış çapında kuvars tüp ve 10 lt/dk helyum gazı akışı

kullanılarak elde plazmanın zamana ve konuma bağlı olarak oluşumu ve gelişimi

gösterilmektedir. Fotoğraflama ICCD kamera tarafından gerçekleştirildi. Bu

fotoğraflama tekniğinin diğer dijital kamera resimlemesinden farklı olarak

plazmamızın mikrodalga sinyaline bağlı olarak nerelerde ve hangi sürelerde mevcut

olduğu hakkında bilgi vermektedir. Bu yüzden senkronizasyonu sağlamak amacıyla

kamerayı tetikleyen sinyal ile mikrodalgayı oluşturmak için gönderilen sinyal aynı

kullanıldı. Ortak sinyal olarak 50Hz’lik sinüs sinyali kullanılmıştır. Şekil 29’da

ICCD kameranın fotoğraflama esnasındaki osiloskop görüntüsü verildi. Osiloskop

görüntüsündeki sarı renkli sinyal mikrodalgayı oluşturmak ve ICCD kamarayı

tetiklemek için gönderilen sinyaldir. Pembe renkli sinyal geciktirme jeneratörünün

gate genişliğini ayarlamak için ICCD kameraya gönderdiği sinyaldir. Yeşil renkli

sinyal istenilen süre aralıklarında fotoğraflamayı gerçekleştiren sinyaldir. Şekil

4.4.’de gösterilen sinüs sinyalinde fotoğraflamanın senkronizasyon sinyalinin çeyrek

noktasında başladığı görülmektedir. Fotoğraflama 1ms sürdürüldü.

53

Şekil 4. 4. ICCD kameranın fotoğraf çekimi esnasındaki osiloskop görüntüsü

Şekil 4.5. Helyum plazması için alınan optik salınım spektrumu

54

Şekil 4.5.’de gösterilen optik salınım spektrumlarının dalga boyu değerleri ve

geçişleri aşağıda verildi.

He I (1s2s - 1s6p) 282 nm’de

He I (1s2s - 1s7p) 335 nm’de

He I (1s2s - 1s3p) 388 nm’de

He I (1s2p - 1s4d) 447 nm’de

He I (1s2s - 1s3p) 501 nm’de

He I (1s2p - 1s3d) 587 nm’de

H I (2P° - 2D) 656 nm’de

He I (1s2p - 1s3d) 667 nm’de

He I (1s2p - 1s3s) 706 nm’de

He I (1s2p - 1s3s) 728 nm’de

O I (2s22p3(4S°)3s - 2s22p3(4S°)3p) 777 nm’de

O I (2s22p3(4S°)3s - 2s22p3(4S°)3p) 844 nm’de

OH (A2Σ+ ) → OH (X2Π) 308 nm’de

Helyum plazması için verilen spektral çizgiler arasında hidrojen atomunun balmer

serisinden olan Hα 656 nm çizgisi gözlenmiştir. Bunun sebebi havadaki nemden

kaynaklanmaktadır.

55

Şekil 4.6. Argon plazması için alınan optik salınım spektrumu

Şekil 4.6.’da gösterilen optik salınım spektrumlarının dalga boyu değerleri ve

geçişleri aşağıda belirtildi.

Ar I (3s23p5(2P°3/2)4s - 3s23p5(2P°1/2)4p) 696 nm’de

Ar I (3s23p5(2P°3/2)4s - 3s23p5(2P°1/2)4p ) 706 nm’de







O I (2s22p3(4S°)3s - 2s22p3(4S°)3p) 777 nm’de


56










Çizelge 4.3. Helyum plazmasının elektron sıcaklığını hesaplamak için kullanılan NIST

verileri

Atom

Ek (cm-1

)

I

λ (nm)

gk

Ak (s-1

)

.( )

.k k

I

g A

.ln( )

.k k

I

g A

He I 195192,7772 791 282,15 1 1930000 1,16E-01 -2,157293749

He I 196079,0875 854 335,45 3 1450000 6,59E-02 -2,720282295

He I 191444,5006 863 447,03 3 682750 1,88E-01 -1,66945593

He I 186104,9666 15483 587,94 5 4310 4,22E+02 6,045991733

Çizelge 4.3.’deki ln ifadesinin sonuçlarıyla Ek ifadesinin verilerinin eğimi alınarak

grafik çizilirse Şekil 4.7.’deki Boltzmann grafiği elde edilir. Şekildeki noktalar

elektron sıcaklığı hesaplamak için kullanılan helyum atomlarının spektral dalga

boylarıdır.

57

Şekil 4. 7. Helyum plazması için Boltzmann dağılımı grafiği

Şekil 4.7.’deki grafiğin eğimi denklem (2.5)’de yerine yazılarak elektron sıcaklığı

hesaplandı.

Çizelge 4. 4.Argon plazmasının elektron sıcaklığını hesaplamak için kullanılan NIST verileri

Atom

Ek (cm-1

)

I

λ (nm)

gk

Ak (s-1

)

.( )

.k k

I

g A

.ln( )

.k k

I

g A

Ar I 107289,7001 3375 706,44 5 3,80E+06 1,25E-01 -2,075560661

Ar I 107131,7086 424 714,52 3 6,25E+05 1,62E-01 -1,822774774

Ar I 107289,7001 5896 738,45 5 8,47E+06 1,03E-01 -2,27489615

Ar I 108722,6194 5310 750,25 1 4,45E+07 8,95E-02 -2,413246149

Ar I 105617,27 7002 801,49 5 9,28E+06 1,21E-01 -2,11238642

Ar I 107496,4166 5338 826,58 3 1,53E+07 9,61E-02 -2,342072639

Çizelge 4.4.’deki ln ifadesinin sonuçlarıyla Ek ifadesinin verilerinin eğimi alınarak

Şekil 4.8.’deki Boltzmann grafiği elde edildi. Şekildeki noktalar elektron sıcaklığını

hesaplamak için kullanılan argon çizgileridir.

58

Şekil 4.8. Argon plazması için Boltzmann dağılımı grafiği

Şekil 4.8.’deki grafiğin eğimi denklem (2.5)’de yerine yazılarak argon plazması için

elektron sıcaklığı hesaplandı.

Çizelge 4.5. Helyum ve Argon plazmalarının gaz sıcaklıkları, elektron sıcaklıkları ve

elektron yoğunluklarının gösterilmesi

Gaz

Cinsi

Akış

Miktarı

Mikrodalga

Gücü

Mikrodalga

Frekansı

Deşarj

Tüpünün

Çapı

(mm)

Gaz

Sıcaklığı

Tg (0C)

(Uç-Üst)

Elektron

Sıcaklığı

Te

(0K)

Elektron

Yoğunluğu

ne

(cm-3

)

Helyum 10 lt/dk 850 W 2,45 GHz 12,7 720-935 7401 6,4x1016

Argon 10 lt/dk 850 W 2,45 GHz 12,7 180-195 5360 4,2x1018

59

5. TARTIġMA VE SONUÇ

Atmosferik basınçta plazma oluşturmak için güç kaynağı olarak 2,45GHz

frekansında ve 850W gücünde sürekli modlu mikrodalgalar kullanıldı. Deşarj tüpü

olarak yalıtkanlığı yüksek olan şeffaf kuvars tüpler kullanıldı. Tüplerin şeffaf

seçilmesinin nedeni plazmanın optik karakteristiğini doğru bir şekilde yapmak

içindir. Kuvars tüp kullanılmasının nedeni plazma oluşurken gaz sıcaklığının bazı

durumlarda 1000 C0‘ nin üzerine çıkmasından dolayı kuvars tüpün ısıya dayanaklı

olmasıdır. Plazmayı oluşturmak için gerekli gazlar olarak helyum ve argon soy

gazları kullanıldı. Plazma gazının soğuk ya da sıcak olması hakkında bilgiye sahip

olmak için plazma gazının sıcaklığı ölçüldü. Helyum ve argon plazmasının optik

salınım spektrumları ölçüldü. Plazmaların optik salınımları plazmaların

karakteristiğinin yapılmasında büyük bir rol oynadı. Çünkü optik salınım

spektrumlarından plazmanın elektron yoğunluğunun, elektron sıcaklığının

hesaplanmasına kolay bir geçiş yapıldı. Çıkan sonuçlar sayesinde elektron sıcaklığı,

elektron yoğunluğu ve gaz sıcaklığı kıyaslanarak atmosferik basınçta mikrodalga

plazmasının hangi plazma sınıflandırılmasına katıldığı belirtildi.

Çizelge 5.1. Helyum ve argon plazmasının elektron sıcaklığı, elektron yoğunluğu ve gaz

sıcaklığının karşılaştırılması

Çizelge 5.1.’e bakılarak her iki gaz içinde elektron sıcaklığının gaz sıcaklığından

yüksek olduğu görülmektedir. Elektron sıcaklığının gaz sıcaklığından yüksek olduğu

durumda (Te > Tg) plazma termodinamik dengede olmayan plazma olarak

isimlendirilir (Plasma-Universe, 2011).

Gaz

Cinsi

Akış

Miktarı

Deşarj Tüpünün

Çapı (mm)

Gaz Sıcaklığı

Tg (0K)

(Uç-Üst)

Elektron

Sıcaklığı Te

(0K)

Elektron

Yoğunluğu ne

(cm-3

)

Helyum 10 lt/dk Kuvars 12,7 993-1208 7401 6,4x1016

Argon 10 lt/dk Kuvars 12,7 453-468 5360 4,2x1018

60

Fakat elektron sıcaklığı ölçümleri yapılırken elde edilen grafikler Boltzmann

yasasına uyduğu için elde edilen plazmalar aynı zamanda yerel termodinamik

dengede olan plazmalar olarak isimlendirilir.

Deneysel bulguların teorik bilgilerle uyuştuğu görüldü. Termodinamik dengede

olmayan plazmalarda Te = Ti > Tg şartı vardır. Çizelge 5.1.’de görüldüğü gibi

helyumun elektron sıcaklığı, argonun elektron sıcaklığından büyüktür. Bunun sebebi

helyumun iyonlaşma enerjisinin argonun iyonlaşma enerjisinden büyük olmasıdır.

Bu durum helyumun argondan daha kararlı bir deşarja sahip olduğunu

göstermektedir. Yani helyumda parlak deşarj oluşumu iyonlaşma enerjisinden

kaynaklanmaktadır. Gaz akışı miktarı arttıkça plazma uzunluğunun her iki gaz içinde

arttığı görüldü. Aynı zamanda Şekil 5.1. ve Şekil 5.2.’de verildiği gibi ince tüpten

elde edilen helyum ve argon plazmasının uzunluğunun geniş tüpte oluşturulan

plazmalardan daha uzun olduğu görüldü. Bu durum gazın akış hızının artmasından

kaynaklanmaktadır. Enerjiye sahip elektronlar sayesinde plazmanın oluşumu deşarj

tüpünün dışarısında da devam etmektedir. Termokupl aracılığıyla alınan sıcaklık

değerlerine bakılarak oluşturulan plazmaların hangi işlemlerde kullanılacağı

hakkında fikir sahibi olundu.

Şekil 5.1. Argon plazmasının farklı gaz akışı miktarlarındaki uzunluklarının karşılaştırılması

61

Şekil 5.2. Helyum plazmasının farklı gaz akışı miktarlarındaki uzunluklarının

karşılaştırılması

Sonuç olarak her iki plazma içinde elektron sıcaklığı gaz sıcaklığından yüksek

olduğu için termal dengede olmayan plazma sınıfına girmektedir. Termal dengede

olmayan plazmalar soğuk plazma olarak isimlendirilirler. Bu sebepten dolayı

atmosferik basınçta oluşturulan mikrodalga plazmasının soğuk plazma olduğu

söylenebilir. Aynı zamanda elektron sıcaklığı için kullanılan spektral çizgilerin

dağılımı Boltzmann dağılımına uyduğu için oluşturulan argon ve helyum

plazmalarının yerel termodinamik dengede oldukları da söylenebilir. Atmosferik

basınçtaki helyum plazması sterilizasyon işlemi için kullanılabilir. Oluşturulan

plazmaların yoğun olmalarından ötürü argon plazmasının hem sıcak olmayışı hem de

yoğun bir plazma olmasından dolayı ısıya duyarlı malzemelerin yüzey

aktivasyonlarında başarılı sonuçlar verebileceği söylenebilir. Ayrıca elmas filmlerin

kimyasal buhar biriktirme yönteminde, plazma spreyi sistemlerinde kullanılabilir.

Helyum plazmasının sıcak olmasından dolayı seramiklerin güçlü bir biçimde

birbirlerine kaynak edilmesinde, çelik kaynaklarının yapılmasında kullanılabilir.

Isıya karşı dirençli olan yüzeylerin temizlenmesinde başarılı sonuçlar verebileceği

söylenebilir.

62

6. KAYNAKLAR

Allaboutcircuits, 2011. http://www.allaboutcircuits.com/vol_2/chpt_14/8.html.

Erişim tarihi: 10.10.2011.

Al-Shamma’a, A.I., Wylie, S.R., Lucas, J., Stuart, R.A., 2001. Microwave plasma jet

for material processing at 2,45GHz. Journal of Materials Processing

Techonolgy, 121, 143-147.

Ammons, S., 2011. Microwave Technology. The English Press.

Chabert, P., Braithwaite, N., 2011. Physıcs Of Radio-Frequency Plasmas. Cambridge

University Press, ISBN 978-0-521-76300-4, 385p, USA.

Cheol, Y.H., Uhm, H.S., Cho, S.C., 2008. Argon Microwave Discharges Sustained at

Atmospheric Pressure Suppression of Plasma Filaments with Molecular

Gases. Journal of the Korean Physical Society, 53, (6), 3220-3223.

Chen, F.F., 1984. Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion, Volume 1:

Plasma Physics. Plenum Press, ISBN 0-306-41332-9, 421p. USA.

Conrads, H., Schmidt, M., 2000. Plasma generation and plasma sources. Plasma

Sources Sci. Technol, 9, 441–454.

Felizardo, E., Tatarova, E., Dias, F.M., Ferreira, C.M., Gordiets, B., 2009.

Microwave Air-Water Plasma Torch – Experiment and Theory. 36th EPS

Conference on Plasma Phys. Sofia, 33, 1-4.

Geo, 2011. http://www.geo.mtu.edu/rs/back/spectrum/. Erişim tarihi: 20.12.2011.

Gower, S.A., 1998. Development of an atmospheric pressure microwave induced

plasma beam. University of Wollongong, 249p, AU.

Griem, H., 1997. Principles of Plasma Spectroscopy, Cambridge University Press.

Grill, A. 1993. Cold plasma in Materials Fabrication. IEEE Press, Piscataway, NJ.

Hakuto, 2011. http://www.hokuto.co.jp/00eng/e5500_sm/e5500_sm_guide.html.

Erişim tarihi: 10.10.2011.

Hahn, T.D., Wiese, W.L., 1990. Atomic transition probability ratios between some

ArI 4s-4p and 4s-5p transitions. Phys. Rev. A, Gen. Phys., 42, (9), 5747–

5749.

Inagaki, N. 1996. Plasma Surface Modification and Plasma Polymerization.

Technomic Pub. Inc. Lancaster, PA.

Jeong H., Kim, Yong C., Hong, Hyoung S., Kim and Han S. Uhm., 2003. Simple

Microwave Plasma Source at Atmospheric Pressure. Journal of the Korean

Physical Society, 42, 876-897.

Konuma, M., 1992. Film Deposition by Plasma Techniques. Berlin: Springer.

Kieft, I. E., v d Laan, E. P., Stoffels, E., 2004. Electrical and Optical Characterization

of The Plasma Needle. New Journal of Physics, 6, 149.

Kutlu, A.E., Mono, M., Bini, R., 2003. Plazma ile kesme metoduna genel bir bakış.

Mühendis ve Makine, 46(541), 21-29.

http://www.geo.mtu.edu/rs/back/spectrum/

63

Konjevic, N., Lesage, A., Fuhr, J.R., Wiese, W.L., 2002. Experimental stark widths

and shifts for spectral lines of neutral and ionized atoms. J. Phys. Chem. Ref.

Data, 31, (3), 819–927.

Konjevic, N., Roberts, J.R., 1976. Experimental Stark Widths and Shifts for Spectral

Lines of Neutral Atoms. J. Phys. Chem. Ref. Data 5, (2), 619-647.

Leštinská, L., Machala, Z., Zahoran, M., Martišovitš, V., 2008. Waste Carbon

Treatment By Atmospheric Pressure Microwave Plasma. HAKONE XI

Oleron Island, 215-216.

Luo, Q., D'Angelo, N., Merlino, R., 1998. Shock formation in a negative ion plasma.

Department of Physics and Astronomy. Phys. Plasmas 5, 2868-2870.

Marec, J., Leprince, P., 1993. Microwave Discharges, Fundamentals and

Applications. NATO ASI Series, Series B: Physics, 302.

Morpheustechnology, 2011. http://www.morpheustechnology.com/ebooks/Wireless/

GIF%20Files/waveguide_modes.gif. Erişim Tarihi: 16.11.2011.

Math, 2011. http://images.math.cnrs.fr/Les-surprenantes-proprietes-des.html. Erişim

tarihi: 22.12.2011.

NIST, 2011. http://www.nist.gov/pml/data/asd.cfm. Erişim tarihi: 25.12.2011.

OceanOptics, http://www.oceanoptics.com/technical/hr4000.pdf. Erişim Tarihi:

30.11.2011.

Quinstar, 2011. http://quinstar.com/antenna/circular-to-rectangular-waveguide-

transitions qwc-series/. Erişim tarihi: 28.12.2011.

Omar, B., 2011. Spectral Line Broadening in Dense Plasmas. Journal of Atomic,

Molecular, and Optical Physics, 1-8.

Öksüz, L., 2001. Plazma Gerçeği, Bilim ve Teknik Dergisi. 399, 75s,.

Özkan, T., 1987. Mikrodalga. Milli Eğitim Bakanlığı Yayınları, 130s, İstanbul.

Plasma-Universe, 2012. http://www.plasmauniverse.com/Plasma_classification_%28

types_of_plasma%29. Erişim tarihi: 20.02.2012.

Patel, B.M., Heithmar, E., Winefordner, J.D., 1987. Tubular Electrode Torch for

Capacitatively Coupled Helium Microwave Plasma as a Spectrochemical

Excitation Source. Analitic Chemistry, 59, 2374-2377.

Radartutorial, 1997. http://www.radartutorial.eu/08.transmitters/tx08.tr.html. Erişim

tarihi: 12.12.2011.

Raizer, Y.P., 1987. Gas Discharge Physics. Springer-Verlag, ISBN 0-387-19462-2,

449p, USA.

Radio Electronics, 2011.http://www.radioelectronics.com/info/antennas/waveguide/

rf-waveguide-dimensions-sizes.php. Erişim tarihi: 12.10.2011.

Roth, J.R., 1995. Industrial Plasma Engineering, Volume 1: Principles. Institute of

Physics Publishing, ISBN 0-7503-0317-4, 538p. UK.

Sbig, 2011. http://www.sbig.de/universitaet/glossar-htm/fwhm.htm. Erişim tarihi:

29.12.2011.

http://www.morpheustechnology.com/ebooks/

http://www.plasmauniverse.com/Plasma_classification_%28

http://www.radartutorial.eu/08.transmitters/tx08.tr.html

http://www.radioelectronics.com/info/antennas/waveguide/%20rf-waveguide

http://www.radioelectronics.com/info/antennas/waveguide/%20rf-waveguide

http://www.sbig.de/universitaet/glossar-htm/fwhm.htm

64

Wu, S., 1982. Polymer Interface and Adhesion CRC Press, ISBN 0824715330, 299.

Wintenberg, K., Gilbert, C., South, S., Wintenberg, A., 2006. Q-415 Treatment of

bulbs with atmospheric plasma. Poster presentation at the 106th general

meeting of the American Society for microbiology in Orlondo, Florida.

Zhang, Q., Zhang, G., Wang, S., Wang, L., Huo, N., 2010. Characteristics of

Microwave Plasma Torch at Atmospheric Pressure. IEEE Transactıons On

Plasma Science, 38, (11), 3197-3200.

Zander, A.T., Hieftje, G.M., 1981. Microwave Supported Discharges. Appl.

Spectrosc., 35, 357-371.

65

ÖZGEÇMĠġ

Adı Soyadı : Ferhat BOZDUMAN

Doğum Yeri ve Yılı : Yeşilyurt – 1987

Medeni Hali : Bekar

Yabancı Dili : İngilizce ve Almanca

Eğitim Durumu

Lise : Saime Salih Konca Lisesi, 2001 – 2004

Lisans : Süleyman Demirel Üniversitesi, Fen-Edebiyat

Fakültesi, Fizik Bölümü, 2005 – 2009

ÇalıĢtığı Kurumlar

Kervansaray Lara Hoteli, 2008 – 2009

PLUS Plazma Uygulama Sanayi, 2010 – Devam Ediyor

Yayınlar

1. Bozduman, F., Teke, E., Gulec, A., Oksuz, L., 2012. 2.45 GHz Atmospheric

Pressure Waveguide Based Plasma Designs, ICOPS, Edinburgh.

2. Bozduman, F., Gulec, A., Aktan, T., Oksuz, L., 2011. Atmospheric Pressure

Microwave Plasma Torch, ICOPS, Chicago.

3. Ozaltin, K., Bozduman, F., Aktan, T., Oksuz L., 2011. Plasma Water Treatment

By Electrical Discharge Methods, ICOPS, Chicago.

4. Teke, E., Varol, H., Bozduman, F., Gulec, A., Oksuz, L., Manolache, S.,

Camurlu, E., Kurbanoglu, C. 2012. PTFE and C3F6 Deposition on the AISI 1050

Stainless Steel for Lubrication by RF Plasma, ICOPS, Edinburgh.

Date post:	14-Nov-2023
Category:	Documents
Upload:	isparta
View:	0 times
Download:	0 times

Atmospheric pressure microwave plasma torch

Documents