專利名稱：微波等離子體反應(yīng)腔的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微波等離子體激發(fā)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及高氣壓下(>104Pa)微波等離子體 反應(yīng)腔體的設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
等離子體在新材料、微電子等工業(yè)和生物研究等領(lǐng)域有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值，特別是利用 微波激發(fā)等離子體的方式，相對其它的等離子體激發(fā)方式而言，等離子體的存在空間較大， 帶電粒子密度較高，在高氣壓環(huán)境下(>104Pa)相對均勻，有很大的應(yīng)用拓展空間。目前，普通的微波等離子體反應(yīng)腔一般采用單一或混合的微波模式使等離子體團(tuán)產(chǎn)生 于不同腔體的內(nèi)部，由于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的不同，產(chǎn)生的等離子體的形態(tài)也不同，但其性質(zhì)基本 類似。在較低氣壓條件下(<104Pa)，由于微波等離子體激發(fā)較易，即便反應(yīng)腔轉(zhuǎn)換效率較 低，耗能情況也不明顯，因此普通的微波反應(yīng)腔可以得到有效應(yīng)用。但在高氣壓條件下 (>104Pa)，氣體激發(fā)所需電場強(qiáng)度較高，普通的反應(yīng)腔由于微波電場形成效率低，需要消 耗很高的能量才能形成等離子體，經(jīng)濟(jì)性差。而相對耗能較低的微波等離子體炬方法，獲 得的高氣壓下的等離子體往往為火焰狀，體積較小，應(yīng)用范圍有限。因此，研制一種高效 率、低耗能、能在高氣壓下獲得較多體積等離子體的微波反應(yīng)腔，無疑具有重要的學(xué)術(shù)和 應(yīng)用意義。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為克服現(xiàn)有微波等離子體反應(yīng)腔的不足，設(shè)計(jì)出一種微波等離子體反 應(yīng)腔，可在高氣壓下不同頻率的微波輸入下，獲得空氣等離子體；該腔體耗能低、微波轉(zhuǎn) 換效率高。本發(fā)明的技術(shù)方案如下包括空心圓柱形主腔體、空心圓柱形過渡腔、漸變波導(dǎo)、 石英玻璃片和拉桿；該主腔體前端與該過渡腔相連通，該過渡腔前端與該漸變波導(dǎo)相連， 在漸變波導(dǎo)與過渡腔之間，放置石英玻璃片，該拉桿從主腔體后端插入主腔體內(nèi)，用于調(diào) 節(jié)主腔體的長度。本發(fā)明的特點(diǎn)及有益效果-本發(fā)明反應(yīng)腔體適用于各種頻率的微波功率源，采用本發(fā)明反應(yīng)腔的微波傳輸?shù)哪Ｊ?變化為功率源輸出微波經(jīng)矩形波導(dǎo)以TEK)模式傳輸，經(jīng)過方圓轉(zhuǎn)換波導(dǎo)和漸變波導(dǎo)后，以圓波TEu模式進(jìn)入過渡腔。由于石英玻璃片的耦合作用，在過渡腔內(nèi)TEn模式微波波 長縮小，有助于在進(jìn)入主腔體后造成電場疊加。微波進(jìn)入主腔體后，在腔內(nèi)形成近似于TE,3
模式的混合模。該種混合模的電場疊加效應(yīng)極其顯著，經(jīng)過測算，腔體內(nèi)可形成極高的電 場強(qiáng)度，且高場強(qiáng)區(qū)域范圍較大，易激發(fā)形成等離子體團(tuán)。在較低的功率輸入下，腔內(nèi)可形成較高的微波電場，促使氣體激發(fā)形成等離子體。該 反應(yīng)腔耗能較低，在大氣壓下即可將空氣順利激發(fā)，形成等離子體團(tuán)，有較好的應(yīng)用前景。


圖1為本發(fā)明的反應(yīng)腔實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本項(xiàng)發(fā)明作進(jìn)一步說明。本發(fā)明的實(shí)施例結(jié)構(gòu)如圖l所示，包括空心圓柱形主腔體l、空心圓柱形過渡腔8、漸變波導(dǎo)6、石英玻璃片7和拉桿4;該主腔體兩端用上法蘭9和下法蘭10密封固定，且 其前端通過上法蘭9與該過渡腔8連通，該過渡腔8前端與該漸變波導(dǎo)6相連，在漸變波 導(dǎo)6與過渡腔8之間，放置石英玻璃片7，該拉桿4從主腔體后端插入主腔體內(nèi)，用于改 變主腔體內(nèi)的容積。在主腔體l的壁上開有四個對稱的觀察孔2。另外，在上下法蘭處各 設(shè)置了兩個進(jìn)(出)氣孔。本實(shí)施例的各部分的具體參數(shù)詳細(xì)說明如下本實(shí)施例是根據(jù)2.45GHz的頻率設(shè)計(jì)的尺寸，反應(yīng)腔一般選用對微波吸收很少的銅制造。所述主腔體的內(nèi)徑在150mm士5X的范圍內(nèi)，壁厚6mm以上，腔體長度(指圓盤天線 與上法蘭的距離)的變化與實(shí)際輸入的微波頻率有關(guān)，可以通過主腔內(nèi)等直徑的圓盤天線 調(diào)節(jié)，對于2.45GHz的微波輸入，長度一般不小于248mm。該圓柱形過渡腔的內(nèi)徑在160mm士5X的范圍內(nèi)，長度約為85 90mm。 所述圓臺漸變波導(dǎo)的內(nèi)徑逐漸由160mm士5X遞減為120mm±5%。該圓臺的長度一般 不小于100mm。所述石英玻璃片的直徑一般為170mm左右，其作用主要為耦合微波以及密封主腔體。 考慮到對一個大氣壓的承受能力，該玻璃片厚度在8mm以上。在漸變波導(dǎo)的前端，為適用于2.45GHz微波傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)方圓轉(zhuǎn)換波導(dǎo)，在該波導(dǎo)前端， 為標(biāo)準(zhǔn)WR430矩形波導(dǎo)以及相應(yīng)的監(jiān)測和保護(hù)調(diào)節(jié)等微波器件(這些部件為常規(guī)部件， 不屬于本發(fā)明的組成部分)。本實(shí)施例的工作原理為漸變波導(dǎo)6前端與標(biāo)準(zhǔn)方圓轉(zhuǎn)換波導(dǎo)相連，2.45GHz的微波 經(jīng)過傳輸首先進(jìn)入漸變波導(dǎo)6。再通過石英玻璃片7和過渡腔8的共同作用，進(jìn)入主腔體 1。主腔體的上法蘭9與過渡腔焊死。整個腔體用橡皮圈密封。腔體下法蘭10安置有拉桿 4和密封蓋5，支撐可用于調(diào)節(jié)的圓盤天線3。工作氣體的進(jìn)出可通過上下法蘭的氣嘴完成。 在主腔體上，安置有四個對稱的觀察孔，用于觀察腔內(nèi)等離子體的現(xiàn)象，觀察孔用玻璃片
密封。如微波功率源傳輸?shù)奈⒉l率在2.45GHz，則需調(diào)節(jié)腔體長度在250mm左右，若頻 率有一定偏差，但小于50MHz,腔體長度的范圍一般在230 270mm間，具體長度需根據(jù) 頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。腔體長度調(diào)節(jié)合適后，加入相對普通反應(yīng)腔較小的微波功率，即可激發(fā)等 離子體。
應(yīng)用本實(shí)施例的反應(yīng)腔，在微波輸入3kW、 一個大氣壓的環(huán)境中，得到了空氣等離子 體團(tuán)，其直徑大小約在6cm左右，該團(tuán)可以穩(wěn)定維持，形成的具體位置如圖l所示，與電 腦仿真計(jì)算得到的電場強(qiáng)度最大值區(qū)域?qū)?yīng)。
本發(fā)明的各部分的具體尺寸，是隨微波傳輸?shù)念l率不同而不同。具體尺寸可通過電磁 學(xué)理論估算并借助專業(yè)軟件仿真優(yōu)化，屬于常規(guī)技術(shù)，本實(shí)施例給出的具體尺寸僅作為舉 例說明而已，因此，凡依據(jù)本發(fā)明的所述結(jié)構(gòu)的各種具體尺寸的反應(yīng)腔均屬于本發(fā)明所要 求保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1、 一種微波等離子體反應(yīng)腔，其特征在于，該反應(yīng)腔包括空心圓柱形主腔體、空 心圓柱形過渡腔、漸變波導(dǎo)、石英玻璃片和拉桿；該主腔體前端與該過渡腔相連通，該過 '渡腔前端與該漸變波導(dǎo)相連，在漸變波導(dǎo)與過渡腔之間，放置石英玻璃片，該拉桿從主腔 體后端插入主腔體內(nèi)，用于調(diào)節(jié)主腔體的長度。
2、 如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)腔，其特征在于，還包括；用于密封固定該主腔體兩端 的上、下法蘭；在該上下法蘭處各設(shè)置了兩個進(jìn)氣孔和兩個出氣孔。
3、 如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)腔，其特征在于，還包括；在主腔體的壁上開有觀察孔。
全文摘要
本發(fā)明涉及微波等離子體反應(yīng)腔，屬于微波等離子體激發(fā)技術(shù)領(lǐng)域，包括空心圓柱形主腔體、空心圓柱形過渡腔、漸變波導(dǎo)、石英玻璃片和拉桿；該主腔體前端與該過渡腔相連通，該過渡腔前端與該漸變波導(dǎo)相連，在漸變波導(dǎo)與過渡腔之間，放置石英玻璃片，該拉桿從主腔體后端插入主腔體內(nèi)，用于調(diào)節(jié)主腔體的長度。本發(fā)明可在高氣壓下不同頻率的微波輸入下，獲得空氣等離子體；該腔體耗能低、微波轉(zhuǎn)換效率高。
文檔編號H05H1/46GK101123844SQ20071012165
公開日2008年2月13日 申請日期2007年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月12日
發(fā)明者劍 馮, 亮 劉, 張貴新 申請人:清華大學(xué)