[發明專利]一種大氣等離子體圓柱形微波激勵腔

無效

• 申請號: 200810046268.3
• 申請日: 2008-10-13
• 公開（公告）號: CN101378616A
• 公開（公告）日: 2009-03-04
• 發明（設計）人: 童玲;陳彥;張兆鏜;田雨
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H05H1/30
• 分類號: H05H1/30;H01J37/32
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于微波等離子體激發技術領域，特別涉及大氣壓強或高于大氣壓強下，無點火器或引燃極的激勵腔的設計與使用。

背景技術

微波等離子體是一種無極放電的高電子密度和溫度的準平衡的低溫等離子體，它與直流，射頻等離子體相比，具有很多優點和特殊性，因此近十余年來，獲得了極其廣泛的應用，尤其在微電子技術，新材料制備與合成，航天技術，化學化工，廢物處理、金屬提練、包裝材料及制藥業，薄膜沉積、等離子體聚合、微電路制造到焊接、工具硬化、超微粉的合成、等離子體噴涂、等離子體冶金、等離子體化工。而作為微波等離子體火炬的應用也在不斷擴展，如環境保護，生化戰爭中的物質分析，表面處理與噴塗，消毒，焊接與切割，各種鍋爐內燃燒體的點火等技術領域。

在微波工業應用領域中，目前國內外多采用915MHz和2450MHz兩個頻段的微波，而尤其是后者使用得更為普遍，因為功率等級齊全，價格低廉，尺寸較小。對于微波放電來說，在低氣壓下例如幾百帕至1千多帕是最易激發的，其微波場強在2450MHz時約為200v/cm，而在高氣壓如1個大氣壓時，要產生放電的微波場強就超過了3×10⁴v/cm，兩者相差兩個數量級之多。因此，為了在大氣壓強(≥10⁵帕)下能產生微波等離子體火炬(APT)，就需要較大的微波功率。故通常采用一端短路，而另一端開路的四分之一同軸諧振腔，或一段壓縮波導形成的駐波場，藉以提高放電位置上的微波電場，這些激發裝置往往需要在適當位置安裝點火器或引燃極，才能在一定的微波功率下，產生初始放電，再過渡到整個火炬的形成，這就使整個裝置結構復雜化，并增加了成本。

發明內容

如何設計微波波導激勵腔，就能夠在不花費太大的微波功率，且無任何點火器或引燃極的情況下，激勵大氣壓強(≥10⁵帕)的空氣產生等離子體火炬，是本發明所要解決的技術問題。

本發明的基本思路是通過設計一高品質因數(高Q_o值)的放電室作為等離子體的激勵腔，由于諧振腔內諧振時電場的倍增效應，就能在無需任何點火器或引燃極的情況下，激發大氣壓強(≥10⁵帕)下空氣等離子火炬(APT)的產生與形成。高Q_o腔內微波損耗低，諧振時的微波場強要比行波或駐波狀態下的電場強得多，這樣就大大節省了所需的微波功率，從而提高了轉換效率。

本發明的技術方案如下：

一種大氣等離子體圓柱形微波激勵腔，如圖1、2所示，包括工作于TM₀₁₀模式的圓柱形諧振腔，輸入波導與波導法蘭盤。圓柱形諧振腔由圓筒1、腔體頂蓋2和腔體底蓋3構成。所述圓筒1側壁上開有微波耦合窗口9。輸入波導11一端與波導法蘭盤12相連，另一端與開了微波耦合窗口9的圓筒側壁固定相連。腔體頂蓋2和腔體底蓋3中心處均開有圓孔，腔體頂蓋2中心圓孔上方具有腔體頂部金屬圓筒4，腔體底蓋3中心圓孔下方具有腔體底部同軸線外導體5。腔體底部同軸線外導體5底部為中心開孔的短路板，側壁底部具有切向進氣孔7；腔體底部同軸線外導體5內部通過其中心開孔放置有同軸中空內導體6。

所述圓筒1側壁還可開孔安置一調諧螺栓8，當微波源振蕩頻率有所偏移時，可通過調整調諧螺栓8的進入腔體的深度來獲得正確的諧振。

所述頂部金屬圓筒4和底部同軸線外導體5中可放置一石英玻璃管13。

所述圓筒1側壁還可開3至5個觀測孔10，以便觀測大氣等離子體火炬的產生情況，同時觀測空10也可用于測試大氣等離子體火炬溫度。

本發明所述大氣等離子體圓柱形微波激勵腔工作時，微波源通過輸入波導11從圓筒1側壁的微波耦合窗口9饋入。整個圓柱形微波激勵腔工作于TM₀₁₀模式，該模式的最大特點是：腔內微波電場沿軸向是不變的恒定值，沿徑向是按第一類貝塞爾零階函數J_o(kr)分布的，在圓柱中心(r＝0)具有最大的場強，沿半徑變化緩慢，而且具有較高的固有品質因數(Q_o值)，無需任何點火器或引燃極即能在該處產生初始電離并放電，從而過渡到石英管內等離子體火炬的產生與形成。