專利名稱：大氣壓微波等離子體發(fā)生裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微波等離子體技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種大氣壓微波等離子體發(fā)生裝置。
背景技術(shù)：
微波等離子體與介質(zhì)阻擋放電、直流電弧、射頻等離子體相比，具有能量利用率高，無 電極污染，電子密度高，等離子體分布均勻等優(yōu)點，是進(jìn)行化學(xué)合成與分解，材料表面改性， 有害氣體降解脫除的理想工藝。微波等離子體按工作氣壓可分為低壓小于0. lMPa和常壓 0. lMPa兩種。目前低壓微波等離子體己經(jīng)廣泛應(yīng)用于等離子體刻蝕和材料表面處理等領(lǐng)域。 由于氣體放電電壓與氣體壓力成正比，在大氣壓下相對低壓系統(tǒng)壓力比較高，因而使氣體電 離產(chǎn)生等離子比較困難。為了適應(yīng)多種生產(chǎn)條件下對于氣體處理和化學(xué)反應(yīng)的工藝條件，人 們開發(fā)了在常壓下發(fā)生微波等離子體的技術(shù)和方法。有以下幾種1電子回旋共振微波等離 子體2電容耦合微波等離子體3同軸基和波導(dǎo)基表面波微波等離子體。
電子回旋共振微波等離子體屬于對微波能量吸收方式屬于無碰撞吸收，當(dāng)電磁波頻傘 "和等離子體頻率、滿足"/"p《1時，可產(chǎn)生電子回旋共振(ECR)。在外加非均勻磁場B的 情況下，在ECR范疇內(nèi)通過微波功率吸收和沿電磁波的傳播方向上磁場的衰減(即"磁擱淺") 實現(xiàn)工作氣體預(yù)電離，其中外加磁場B滿足"4. 76X 103B(T)。對于通常實驗室應(yīng)用的2. 45GHz 微波而言，外加磁場在ECR區(qū)的強度應(yīng)為B^.0875T。磁場強度B符合電子回旋共振(ECR)的條 件，則在很小的微波功率下可激發(fā)起ECR等離子體(在ECR條件下，電子在磁場中回旋的角頻率 與微波的電場頻率相同，從而發(fā)生共振,微波能量被電子有效吸收，較小的微波功率即可激發(fā) 產(chǎn)生高密度的等離子體)。沿軸線方向發(fā)散的外磁場B使等離子體中的電子向下運動，產(chǎn)生負(fù) 電位帶動離子也向下運動，形成高密度等離子體流。系統(tǒng)外部需要施加磁場，設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
電容耦合等離子體以大于300MHz(—般為2450MHz)微波為輻射頻率，功率在數(shù)百瓦到數(shù)千 瓦的一種電容耦合等離子體。由磁控管產(chǎn)生微波，通過同軸波導(dǎo)管傳輸?shù)揭桓S電極上， 在電極尖端生成等離子體(焰炬)。它可在大氣壓下放電點燃，容易激發(fā)。其缺陷在于中心電 極被等離子體蝕燒引起電極損壞和反應(yīng)氣體污染。同軸基表面波微波等離子體是通過同軸加 載間隙電容，實現(xiàn)軸向高場強，射頻能量通過電容耦合的方式引入激發(fā)器，通過內(nèi)套和腔體 之間的電場激發(fā)出等離子體，外導(dǎo)體有效封閉電磁場能量，當(dāng)功率增大時，介質(zhì)管對等離子 體的抗蝕燒性是該方法存在的主要問題。波導(dǎo)基表面波微波等離子體的發(fā)生是通過盡可能縮 小矩型波導(dǎo)管的窄邊代替同軸加載電容，通過表面波引發(fā)和維持微波等離子體，二者相比， 原理基本相同，但波導(dǎo)基表面波微波等離子體具有更大的功率容量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于實現(xiàn)一種常壓微波等離子體發(fā)生裝置，可以在大氣壓下實現(xiàn)微波等離子 體的激發(fā)和穩(wěn)定維持，本裝置能夠保證微波能量轉(zhuǎn)換率高，微波能量不泄漏，操作和維護(hù)方 便，使用壽命長。
本發(fā)明的技術(shù)方案是，大氣壓微波等離子體發(fā)生裝置，由矩形波導(dǎo)管1，透波氣體密封
膜2，波導(dǎo)管轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)3，微波諧振腔4，截止端可調(diào)節(jié)位相匹配器5，反應(yīng)器6，點火器7， 外層冷卻套管8,旋轉(zhuǎn)氣流發(fā)生部件9組成。微波在矩型波導(dǎo)管1中傳輸，穿過透波氣體密 封膜2，經(jīng)過波導(dǎo)轉(zhuǎn)換3集中注入諧振腔4，截止端可調(diào)節(jié)位相匹配器5調(diào)節(jié)，使諧振腔4內(nèi) 產(chǎn)生駐波，使微波能量耦合于諧振腔3，反應(yīng)器6設(shè)置于諧振腔4內(nèi)部幾何中心，其外層裝 配空氣冷卻套管8，點火器7置于旋轉(zhuǎn)氣流發(fā)生部件9和反應(yīng)器6上方，點火器7的復(fù)合式 絕緣耐高溫電極置于石英管內(nèi)部中心軸線，電極尖端位置可上下自由調(diào)節(jié)。旋轉(zhuǎn)氣流發(fā)生部 件9可以使氣體以渦流形式旋轉(zhuǎn)向下進(jìn)入反應(yīng)器6。透波氣體密封膜2是與矩型波導(dǎo)管1橫 截面積大小相同的可透過微波的薄膜，嵌于矩型波導(dǎo)管1與波導(dǎo)管轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)3之間。波導(dǎo)轉(zhuǎn) 換機(jī)構(gòu)3經(jīng)過過渡變換可以使微波集中注入諧振腔4。截止端可調(diào)節(jié)位相匹配器5是可自由 調(diào)節(jié)的。反應(yīng)器6的材料是石英或陶瓷。點火器7與反應(yīng)器6相是通過旋轉(zhuǎn)氣流發(fā)生部件9 相連接，并且所有連接處都是是密封的，點火器7是復(fù)合式絕緣的，耐高溫的，不易損傷的， 電極端點高度可以自由調(diào)節(jié)。內(nèi)部氣體反應(yīng)器6與外層冷卻套管8之間為空氣冷卻結(jié)構(gòu)。旋 轉(zhuǎn)氣流發(fā)生部件9可以使被激發(fā)的氣體以旋轉(zhuǎn)的渦流形式進(jìn)入反應(yīng)器6。本發(fā)明是在較大功 率容量和穩(wěn)定維持的基礎(chǔ)上，通過波導(dǎo)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)3縮小矩型波導(dǎo)管窄邊，將能量集中，增加 了場強，并利用截止端可調(diào)節(jié)位相匹配器5的自由移動使諧振腔產(chǎn)生駐波，使微波能量耦合 于諧振腔4，利用點火器7電容耦合容易在常壓下激發(fā)的特點來引發(fā)微波等離子體，同時矩 形波導(dǎo)管1和載止端以及外層風(fēng)冷套管8有效的封閉電磁場，避免了微波的泄漏，從而將微 波等離子體的激發(fā)和維持良好的結(jié)合起來。旋轉(zhuǎn)氣流發(fā)生部件9將注入的反應(yīng)氣體以旋轉(zhuǎn)渦 流的形式注入反應(yīng)器6中，促使等離子體在石英管中心區(qū)域產(chǎn)生，避免了對石英管的灼蝕。 另外整個發(fā)生裝置需要密封的部位都有良好的密封結(jié)構(gòu)，保證了反應(yīng)氣體以一定的壓力和流 速，在各種氣體和流速下安全、穩(wěn)定運行。本發(fā)明可以用于各種難降解的有害氣體脫除，催 化化學(xué)合成或分解反應(yīng)，材料表面改性。
本發(fā)明的有益效果是，1、釆用矩型波導(dǎo)和波導(dǎo)轉(zhuǎn)換使微波能量集中，使其具有較大的功 率。功率容量可以達(dá)到2kW。 2、截止端可調(diào)節(jié)位相匹配器，使諧振腔內(nèi)產(chǎn)生駐波，保證微 波能量耦合于諧振腔，減少微波反射損耗，提高能量利用效率。3、通過可伸縮點火器的向下 移動，將金屬端點插入電場中可以簡單方便的實現(xiàn)微波等離子體激發(fā)，當(dāng)?shù)入x子引發(fā)瞬間， 點火器向上移動復(fù)位，避免了金屬端點長時間停留在等離子區(qū)域受到灼燒腐蝕。點火器中部 的耐高溫絕緣部件避免了點火過程中微波向外部的泄露。矩形波導(dǎo)管和風(fēng)冷金屬套管有效的 封閉了電磁場，整個實現(xiàn)了等離子體激發(fā)和大功率等離子體穩(wěn)定維持的良好結(jié)合。4、采用旋 轉(zhuǎn)氣流發(fā)生部件，使反應(yīng)氣體在石英材料的反應(yīng)管內(nèi)部以旋轉(zhuǎn)渦流形式運動，由于渦流中心 氣壓比四周低，所以等離子體主要集中在石英管的中心部位，避免了等離子體中心對石英管 壁的灼蝕。5、采用透波密封膜密封在諧振腔兩側(cè)，使冷卻氣體集中在石英管四周流動，加強 了冷卻效果，保證了裝置在大功率狀態(tài)下長時間穩(wěn)定運行。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
圖l為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1、矩形波導(dǎo)管，2、透波氣體密封膜，3、波導(dǎo)管轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，4、微波諧振腔，5、 截止端可調(diào)節(jié)位相匹配器，6、反應(yīng)器，7、點火器，8、外層冷卻套管，9、旋轉(zhuǎn)氣流發(fā)生部 件。
具體實施例方式
如圖1所示，發(fā)生裝置由矩形波導(dǎo)管l，透波氣體密封膜2，波導(dǎo)管轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)3，微波諧 振腔4，截止端可調(diào)節(jié)位相匹配器5，反應(yīng)器6，點火器7，外層冷卻套管8和旋轉(zhuǎn)氣流發(fā)生 部件9組成。矩形波導(dǎo)管1與微波發(fā)生器相連接，尺寸設(shè)計一般滿足如下要求X<a<2X， X/2<b<^，其中a為矩形波導(dǎo)管l的寬邊長度，b為矩型波導(dǎo)管1的窄邊長度，X為傳輸?shù)奈?波波長。微波經(jīng)矩形波導(dǎo)管1穿過透波氣體密封膜2進(jìn)入波導(dǎo)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)3，波導(dǎo)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)3 使矩形波導(dǎo)管1窄邊逐漸縮小，將微波能量集中注入諧振腔4，使電場加強，透波氣體密封 膜通常使用聚四氟乙烯薄膜，這種材料對微波吸收很小，透過率高，能量損失小，將波導(dǎo)轉(zhuǎn) 換機(jī)構(gòu)3兩端完全密封，防止通過內(nèi)部氣體反應(yīng)器6與外層冷卻套管8之間的冷卻氣體從左 右兩側(cè)泄漏，保證所有冷卻氣體始終在氣體反應(yīng)器6與外層冷卻套管8之間流動，加強冷卻 效果，保證在大功率狀態(tài)下安全、穩(wěn)定運行。通過可調(diào)節(jié)位相匹配器5，使諧振腔4產(chǎn)生駐 波，使微波能量耦合于諧振腔3，此時通過旋轉(zhuǎn)氣流發(fā)生部件9向氣體反應(yīng)管中注入氣體， 將點火器7金屬端點向下插入諧振腔4中，實現(xiàn)等離子體點火，點火完成后瞬間，點火器7 向上復(fù)位，金屬端脫離諧振腔。通過旋轉(zhuǎn)氣流發(fā)生部件9向等離子體區(qū)域注入不同反應(yīng)氣體， 產(chǎn)生不同用途的等離子源。在等離子區(qū)反應(yīng)后的氣體從反應(yīng)管6下部排出。
權(quán)利要求
1、常壓微波等離子體發(fā)生裝置，其特征在于，該裝置由矩形波導(dǎo)管(1)、透波氣體密封膜(2)、波導(dǎo)管轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)(3)、微波諧振腔(4)、截止端可調(diào)節(jié)位相匹配器(5)、反應(yīng)器(6)、點火器(7)、外層冷卻套管(8)和旋轉(zhuǎn)氣流發(fā)生部件(9)組成，微波在矩型波導(dǎo)管(1)中傳輸，穿過透波氣體密封膜(2)，經(jīng)過波導(dǎo)轉(zhuǎn)換(3)集中注入諧振腔(4)，通過截止端活塞(5)調(diào)節(jié)，使諧振腔(4)內(nèi)產(chǎn)生駐波，使微波能量耦合于諧振腔(4)，反應(yīng)器(6)設(shè)置于諧振腔(4)內(nèi)部幾何中心，其外層裝配空氣冷卻套管(8)，點火器(7)置于氣體反應(yīng)管(6)和旋轉(zhuǎn)氣流發(fā)生部件(9)的上方，點火器的復(fù)合式絕緣耐高溫電極置于石英管內(nèi)部中心軸線，電極尖端位置可上下自由調(diào)節(jié)。
2、 按權(quán)利要求l所述的常壓微波等離子體發(fā)生裝置，其特征在于，所述的透波氣體密封 膜(2)是與矩型波導(dǎo)管(1)橫截面積大小相同的可透過微波的薄膜，嵌于矩型波導(dǎo)管(1) 與波導(dǎo)管轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)(3)之間。
3、 按權(quán)利要求1所述的常壓微波等離子體發(fā)生裝置，其特征在于，所述的截止端可調(diào)節(jié) 位相匹配器(5)是可自由調(diào)節(jié)的。
4、 按權(quán)利要求1所述的常壓微波等離子體發(fā)生裝置，其特征在于，所述的反應(yīng)器(6) 是石英材料，或陶瓷材料。
5、 按權(quán)利要求1所述的一種常壓微波等離子體發(fā)生裝置，其特征在于，所述的點火器(7) 與反應(yīng)器(6)通過旋轉(zhuǎn)氣流發(fā)生部件(9)相連接，并且所有連接處都是密封的，點火器(7) 是復(fù)合式絕緣的，端點高度可以自由調(diào)節(jié)。
6、 按權(quán)利要求l所述的一種常壓微波等離子體發(fā)生裝置，其特征在于，所述的氣體反應(yīng) 器(6)與外層冷卻套管(8)之間為空氣冷卻結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及常壓微波等離子體發(fā)生裝置，該裝置由矩形波導(dǎo)管、透波氣體密封膜、波導(dǎo)管轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、微波諧振腔、截止端可調(diào)節(jié)位相匹配器、反應(yīng)器、點火器、外層冷卻套管和旋轉(zhuǎn)氣流發(fā)生部件組成，微波在矩型波導(dǎo)管中傳輸，反應(yīng)器設(shè)置于諧振腔內(nèi)部幾何中心，其外層裝配空氣冷卻套管，點火器置于氣體反應(yīng)管和旋轉(zhuǎn)氣流發(fā)生部件的上方，點火器的復(fù)合式絕緣耐高溫電極置于石英管內(nèi)部中心軸線，電極尖端位置可上下自由調(diào)節(jié)。本發(fā)明的有益效果是，采用矩型波導(dǎo)和波導(dǎo)轉(zhuǎn)換使微波能量集中，使其具有較大的功率。功率容量可以達(dá)到2kW。截止端可調(diào)節(jié)位相匹配器，使諧振腔內(nèi)產(chǎn)生駐波，保證微波能量耦合于諧振腔，減少微波反射損耗，提高能量利用效率。
文檔編號H05H1/46GK101346032SQ20081001120
公開日2009年1月14日 申請日期2008年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月24日
發(fā)明者劉永軍, 冰 孫, 朱小梅, 解宏端 申請人:大連海事大學(xué)