Entwicklung einer skalierbaren Mikrowellen Plasmaquelle

Im Rahmen dieser Arbeit ist eine neuartige, innovative und vielseitig einsetzbare Mikrowellenplasmaquelle entstanden. Die wesentlichen Leistungsmerkmale dieser Plasmaquelle sind deren beliebige Längenskalierbarkeit, sowie der weite Arbeitsdruckbereich vom Feinvakuum bis Atmosphärendruck. Auf der Basis von Voruntersuchungen, sowie umfangreichen Simulationsrechnungen zur Ausbreitung der Mikrowellenfelder, wurde eine Kavität mit einem Querschnitt von 100 mm Breite und 120 mm Höhe entwickelt, welche um ein Vielfaches der Hohlleiterwellenlänge R = 122 mm skalieren lässt. In dieser Arbeit wurde ein Demonstrator mit einer Länge von 720 mm aufgebaut. Die Eigenmodeanalyse ergab, dass die geforderte Feldverteilung bis zu einer Frequenz von 2,48368 GHz erhalten bleibt. Die Einkopplung der Mikrowellenleistung erfolgt über mehrere Hohlleiter, welche gegenüber und nebeneinander an der Kavität angeordnet sind. Umfangreiche Untersuchungen hinsichtlich der verlustfreien Leistungseinkopplung haben ergeben, dass eine phasensynchrone Mikrowelleneinkopplung zwingend erforderlich ist, da sich ansonsten der Wirkungsgrad der Plasmaquelle stark reduziert. Um dem Anspruch der phasensynchronen Einkopplung sowie der notwendigen verlustfreien Mikrowellen–Leistungsverteilung gerecht zu werden, wurden 2–fach und 4–fach Mikrowellenleistungsverteiler entwickelt. Weiterhin wurde erstmalig das Konzept des „injected–Phase–locking“ zur Ansteuerung der Plasmakavität, mittels mehreren gepulsten Mikrowellengeneratoren, erfolgreich evaluiert. Zudem konnte das synchronisierte Pulsen bis zu 20 kHz Pulsfrequenz mit einem minimalen Tastverhältnis von 60 % nachgewiesen werden. Die Stabilisierung von PAN–Fasern mittels Plasma wurde erprobt. Untersuchungen mittels Raman, Dichtemessung sowie Durchmesser wurden durchgeführt. Die Karbonisierung von stabilisierten PAN–Fasern (PANOX, SGL) wurde erfolgreich nachgewiesen. In einem Plasmagasgemisch aus Ar = 0,5 slm und N2 = 0,03 slm, einer Fasergeschwindigkeit von 80 mm/min, einem Prozessdruck 120 – 170 mbar, sowie 2x 3 kW synchronisierter Mikrowellenleistung konnten Fasertemperaturen von bis zu 1100 °C und somit maximale Zugfestigkeiten von 4200 MPa erreicht werden.