Modellierung eines Mikrowellenkonzentrators zur Zündung eines freistehenden Niederdruckplasmas

Im Zentrum dieser Arbeit steht die Anwendung eines Niederdruckplasmas zur Sterilisation von Hohlkörpern aus Kunststoff. Die thermolabilen Substrate setzen geringe Prozesstemperaturen voraus, die sich mit Niedertemperaturplasmen erreichen lassen. Die hohe Dichte geladener Teilchen in Mikrowellenplasmen geht mit einer hohen Strahlungsintensität einher, die für die Sterilisationswirkung entscheidend ist. Die gleichzeitige Behandlung mehrerer Substrate wird durch ein linear ausgedehntes Plasma erreicht. Ausgangspunkt für die Plasmaquellengeometrie, den sogenannten Mikrowellenkonzentrator, ist ein elliptischer Zylinder. Die in der ersten Fokuslinie abgestrahlte Mikrowellenleistung wird in geeigneter Weise im Bereich der zweiten Fokuslinie konzentriert. Die entwickelte innovative Mikrowellenplasmaquellengeometrie ermöglicht das Zünden und den Betrieb eines freistehenden linear ausgedehneten Niedertemperaturplasmas. Die homogene Behandlung der ausgedehnten Substrate wird durch das Brennen des Plasmas innerhalb der Hohlkörper sicher gestellt. Die gewünschte Sterilisationswirkung wurde an einzelnen Beispielen nachgewiesen. Hauptschwerpunkt dieser Arbeit ist die simulative Auslegung dieser Plasmaquellengeometrie. Die große Herausforderung bestand in der Entwicklung des Hybrid- Simulationsverfahrens, das das Mikrowellenfeld, den entstehenden Plasmazustand und die Wechselwirkung dieser beiden Verteilungen innerhalb der dreidimensionalen Plasmaquellengeometrie transient beschreibt. Die Verfügbarkeit dieses Simulationsverfahrens ermöglicht eine beschleunigte Entwicklung der Plasmaquellengeometrie.