CN201230400Y - 一种大气压微波等离子体发生装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种常压微波等离子体发生装置，该装置由矩形波导管、透波气体密封膜、波导管转换机构、微波谐振腔、截止端可调节位相匹配器、反应器、点火器、外层冷却套管和旋转气流发生部件组成，微波在矩型波导管中传输，反应器设置于谐振腔内部几何中心，其外层装配空气冷却套管，点火器置于气体反应管和旋转气流发生部件的上方，点火器的复合式绝缘耐高温电极置于石英管内部中心轴线。本实用新型的有益效果是，采用矩型波导和波导转换使微波能量集中，使其具有较大的功率。功率容量可以达到2kW。截止端可调节位相匹配器，使谐振腔内产生驻波，保证微波能量耦合于谐振腔，减少微波反射损耗，提高能量利用效率。
Description
技术领域
本实用新型涉及微波等离子体技术，特别是提供了一种可以在大气压下激发并稳定维持的微波等离子体。
背景技术
微波等离子体与介质阻挡放电、直流电弧、射频等离子体相比，具有能量利用率高，无电极污染，电子密度高，等离子体分布均匀等优点，是进行化学合成与分解，材料表面改性，有害气体降解脱除的理想工艺。微波等离子体按工作气压可分为低压小于0.1MPa和常压0.1MPa两种。目前低压微波等离子体已经广泛应用于等离子体刻蚀和材料表面处理等领域。由于气体放电电压与气体压力成正比，在大气压下相对低压系统压力比较高，因而使气体电离产生等离子比较困难。为了适应多种生产条件下对于气体处理和化学反应的工艺条件，人们开发了在常压下发生微波等离子体的技术和方法。有以下几种：1电子回旋共振微波等离子体2电容耦合微波等离子体3同轴基和波导基表面波微波等离子体。电子回旋共振微波等离子体属于对微波能量吸收方式属于无碰撞吸收，当电磁波频率ω和等离子体频率ωpe满足ω/ωpe≤1时，可产生电子回旋共振(ECR)。在外加非均匀磁场B的情况下，在ECR范畴内通过微波功率吸收和沿电磁波的传播方向上磁场的衰减(即“磁搁浅”)实现工作气体预电离，其中外加磁场B满足ω＝1.76×103B(T)。对于通常实验室应用的2.45GHz微波而言，外加磁场在ECR区的强度应为B＝0.0875T。磁场强度B符合电子回旋共振(ECR)的条件，则在很小的微波功率下可激发起ECR等离子体(在ECR条件下，电子在磁场中回旋的角频率与微波的电场频率相同，从而发生共振，微波能量被电子有效吸收，较小的微波功率即可激发产生高密度的等离子体)。沿轴线方向发散的外磁场B使等离子体中的电子向下运动，产生负电位带动离子也向下运动，形成高密度等离子体流。系统外部需要施加磁场，设备结构复杂。
电容耦合等离子体以大于300MHz(一般为2450MHz)微波为辐射频率，功率在数百瓦到数千瓦的一种电容耦合等离子体。由磁控管产生微波，通过同轴波导管传输到一根同轴电极上，在电极尖端生成等离子体(焰炬)。它可在大气压下放电点燃，容易激发。其缺陷在于中心电极被等离子体蚀烧引起电极损坏和反应气体污染。
同轴基表面波微波等离子体是通过同轴加载间隙电容，实现轴向高场强，射频能量通过电容耦合的方式引入激发器，通过内套和腔体之间的电场激发出等离子体，外导体有效封闭电磁场能量，当功率增大时，介质管对等离子体的抗蚀烧性是该方法存在的主要问题。波导基表面波微波等离子体的发生是通过尽可能缩小矩型波导管的窄边代替同轴加载电容，通过表面波引发和维持微波等离子体，二者相比，原理基本相同，但波导基表面波微波等离子体具有更大的功率容量。
发明内容
本实用新型的目的在于实现一种常压微波等离子体发生装置，可以在大气压下实现微波等离子体的激发和稳定维持，本装置能够保证微波能量转换率高，微波能量不泄漏，操作和维护方便，使用寿命长。
本实用新型的技术方案是，一种大气压微波等离子体发生装置，由矩形波导管1，透波气体密封膜2，波导管转换机构3，微波谐振腔4，截止端可调节位相匹配器5，反应器6，点火器7，外层冷却套管8，旋转气流发生部件9组成。微波在矩型波导管1中传输，穿过透波气体密封膜2，经过波导转换3集中注入谐振腔4，截止端可调节位相匹配器5调节，使谐振腔4内产生驻波，使微波能量耦合于谐振腔3，反应器6设置于谐振腔4内部几何中心，其外层装配空气冷却套管8，点火器7置于旋转气流发生部件9和反应器6上方，点火器7的复合式绝缘耐高温电极置于石英管内部中心轴线，电极尖端位置可上下自由调节。旋转气流发生部件9可以使气体以涡流形式旋转向下进入反应器6。透波气体密封膜2是与矩型波导管1横截面积大小相同的可透过微波的薄膜，嵌于矩型波导管1与波导管转换机构3之间。波导转换机构3经过过渡变换可以使微波集中注入谐振腔4。截止端可调节位相匹配器5是可自由调节的。反应器6的材料是石英或陶瓷。点火器7与反应器6相是通过旋转气流发生部件9相连接，并且所有连接处都是是密封的，点火器7是复合式绝缘的，耐高温的，不易损伤的，电极端点高度可以自由调节。内部气体反应器6与外层冷却套管8之间为空气冷却结构。旋转气流发生部件9可以使被激发的气体以旋转的涡流形式进入反应器6。本发明是在较大功率容量和稳定维持的基础上，通过波导转换机构3缩小矩型波导管窄边，将能量集中，增加了场强，并利用截止端可调节位相匹配器5的自由移动使谐振腔产生驻波，使微波能量耦合于谐振腔4，利用点火器7电容耦合容易在常压下激发的特点来引发微波等离子体，同时矩形波导管1和载止端以及外层风冷套管8有效的封闭电磁场，避免了微波的泄漏，从而将微波等离子体的激发和维持良好的结合起来。旋转气流发生部件9将注入的反应气体以旋转涡流的形式注入反应器6中，促使等离子体在石英管中心区域产生，避免了对石英管的灼蚀。另外整个发生装置需要密封的部位都有良好的密封结构，保证了反应气体以一定的压力和流速，在各种气体和流速下安全、稳定运行。本实用新型可以用于各种难降解的有害气体脱除，催化化学合成或分解反应，材料表面改性。
本实用新型的有益效果是，1、采用矩型波导和波导转换使微波能量集中，使其具有较大的功率。功率容量可以达到2kW。2、截止端可调节位相匹配器，使谐振腔内产生驻波，保证微波能量耦合于谐振腔，减少微波反射损耗，提高能量利用效率。3、通过可伸缩点火器的向下移动，将金属端点插入电场中可以简单方便的实现微波等离子体激发，当等离子引发瞬间，点火器向上移动复位，避免了金属端点长时间停留在等离子区域受到灼烧腐蚀。点火器中部的耐高温绝缘部件避免了点火过程中微波向外部的泄露。矩形波导管和风冷金属套管有效的封闭了电磁场，整个实现了等离子体激发和大功率等离子体稳定维持的良好结合。4、采用旋转气流发生部件，使反应气体在石英材料的反应管内部以旋转涡流形式运动，由于涡流中心气压比四周低，所以等离子体主要集中在石英管的中心部位，避免了等离子体中心对石英管壁的灼蚀。5、采用透波密封膜密封在谐振腔两侧，使冷却气体集中在石英管四周流动，加强了冷却效果，保证了装置在大功率状态下长时间稳定运行。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
图1为本实用新型的结构示意图。
图中：1、矩形波导管，2、透波气体密封膜，3、波导管转换机构，4、微波谐振腔，5、截止端可调节位相匹配器，6、反应器，7、点火器，8、外层冷却套管，9、旋转气流发生部件。
具体实施方式
如图1所示，发生装置由矩形波导管1，透波气体密封膜2，波导管转换机构3，微波谐振腔4，截止端可调节位相匹配器5，反应器6，点火器7，外层冷却套管8和旋转气流发生部件9组成。矩形波导管1与微波发生器相连接，尺寸设计一般满足如下要求：λ<a<2λ，λ/2<b<λ，其中a为矩形波导管1的宽边长度，b为矩型波导管1的窄边长度，λ为传输的微波波长。微波经矩形波导管1穿过透波气体密封膜2进入波导转换机构3，波导转换机构3使矩形波导管1窄边逐渐缩小，将微波能量集中注入谐振腔4，使电场加强，透波气体密封膜通常使用聚四氟乙烯薄膜，这种材料对微波吸收很小，透过率高，能量损失小，将波导转换机构3两端完全密封，防止通过内部气体反应器6与外层冷却套管8之间的冷却气体从左右两侧泄漏，保证所有冷却气体始终在气体反应器6与外层冷却套管8之间流动，加强冷却效果，保证在大功率状态下安全、稳定运行。通过可调节位相匹配器5，使谐振腔4产生驻波，使微波能量耦合于谐振腔3，此时通过旋转气流发生部件9向气体反应管中注入气体，将点火器7金属端点向下插入谐振腔4中，实现等离子体点火，点火完成后瞬间，点火器7向上复位，金属端脱离谐振腔。通过旋转气流发生部件9向等离子体区域注入不同反应气体，产生不同用途的等离子源。在等离子区反应后的气体从反应管6下部排出。
Claims (5)
1、一种常压微波等离子体发生装置，其特征在于，该装置由矩形波导管(1)、透波气体密封膜(2)、波导管转换机构(3)、微波谐振腔(4)、截止端可调节位相匹配器(5)、反应器(6)、点火器(7)、外层冷却套管(8)、旋转气流发生部件(9)组成，微波在矩型波导管(1)中传输，穿过透波气体密封膜(2)，经过波导转换(3)集中注入谐振腔(4)，通过截止端活塞(5)调节，使谐振腔(4)内产生驻波，使微波能量耦合于谐振腔(4)，反应器(6)设置于谐振腔(4)内部几何中心，其外层装配空气冷却套管(8)，点火器(7)置于气体反应管(6)和旋转气流发生部件(9)的上方，点火器的复合式绝缘耐高温电极置于石英管内部中心轴线。
2、按权利要求1所述的一种常压微波等离子体发生装置，其特征在于，所述的透波气体密封膜(2)是与矩型波导管(1)横截面积大小相同的可透过微波的薄膜，嵌于矩型波导管(1)与波导管转换机构(3)之间。
3、按权利要求1所述的一种常压微波等离子体发生装置，其特征在于，所述的截止端可调节位相匹配器(5)是可自由调节的。
4、按权利要求1所述的一种常压微波等离子体发生装置，其特征在于，所述的点火器(7)与反应器(6)通过旋转气流发生部件(9)相连接，并且所有连接处都是密封的，点火器(7)是复合式绝缘的，端点高度可以自由调节。
5、按权利要求1所述的一种常压微波等离子体发生装置，其特征在于，所述的气体反应器(6)与外层冷却套管(8)之间为空气冷却结构。
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