[發(fā)明專(zhuān)利]一種雙腔激勵(lì)的增強(qiáng)型微波等離子體炬發(fā)生裝置

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710533952.3
• 申請(qǐng)日: 2017-07-03
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107087339A
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-08-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李容毅
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 李容毅
• 主分類(lèi)號(hào): H05H1/30
• 分類(lèi)號(hào): H05H1/30
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專(zhuān)利中心21200
• 代理人: 李曉亮

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微波等離子體技術(shù)領(lǐng)域，提供一種雙腔激勵(lì)的增強(qiáng)型微波等離子體炬發(fā)生裝置。

背景技術(shù)

在低溫等離子體領(lǐng)域中的熱等離子體技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在材料、化工、燃燒、軍工等領(lǐng)域。隨著微波技術(shù)的發(fā)展，微波器件的可靠性以及磁控管的能量轉(zhuǎn)換效率大為提高，同時(shí)微波部件的價(jià)格也大幅降低。利用微波頻段的電磁能來(lái)激勵(lì)和產(chǎn)生等離子體，可以獲得具有高密度激發(fā)態(tài)和活性粒子的等離子體。相比于電弧直流炬來(lái)說(shuō)，因?yàn)槲⒉ǖ入x子體炬不使用電極，不僅延長(zhǎng)了連續(xù)工作的壽命，同時(shí)也避免了電極腐蝕對(duì)等離子體的污染，而且，微波等離子體中的電子溫度也高于電弧直流炬中的電子溫度，這些特點(diǎn)在等離子體材料合成中顯得非常重要。與射頻激勵(lì)的電感耦合熱等離子體相比，微波等離子體中電離和激發(fā)產(chǎn)生的電子密度和活性粒子的密度都高于電感耦合熱等離子體，而且從電能的轉(zhuǎn)化效率來(lái)看，產(chǎn)生微波等離子體的能量效率也大大優(yōu)于電感耦合等離子體。近些年來(lái)，微波等離子體炬裝置在廢氣處理，輔助燃燒，納米材料合成，和耐高溫材料表面改性等方面的應(yīng)用中取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。為了產(chǎn)生大功率微波等離子體炬，通常采用的是波導(dǎo)能量傳輸和耦合方式，通常是在矩形波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)腡E基模和在其傳播方向的短路端面的反射波疊加形成駐波，在其波腹處的強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域產(chǎn)生等離子體放電，流動(dòng)氣流通過(guò)激發(fā)區(qū)并在其外部獲得余輝形成等離子體炬。在工業(yè)和軍工應(yīng)用中，迫切需要是一種大功率的能夠增加余輝的有效作用區(qū)的微波等離子體炬。然而，目前僅在原料氣體注入方式、等離子體炬點(diǎn)火、以及在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上開(kāi)展應(yīng)用等方面提出了一些技術(shù)發(fā)明，沒(méi)有就如何進(jìn)一步提高等離子體的能量耦合效率和功率容量的技術(shù)提出實(shí)質(zhì)性的技術(shù)方案和發(fā)明。

大功率下運(yùn)轉(zhuǎn)的微波等離子體，不僅會(huì)產(chǎn)生更多的熱量而對(duì)等離子體發(fā)生設(shè)備的冷卻降溫提出更高的要求，還因?yàn)樵诟吣芰棵芏鹊奈锢項(xiàng)l件下會(huì)誘發(fā)各種不穩(wěn)定性因素導(dǎo)致等離子體放電的淬滅以及放電形態(tài)難以控制等現(xiàn)象的發(fā)生，這極大地妨礙了等離子體耦合功率的進(jìn)一步提高。另外，微波等離子體余輝的空間延展距離和體積有限，使得其應(yīng)用受到很大的約束。我們的發(fā)明提出了在傳統(tǒng)的單一矩形腔室駐波激勵(lì)的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)裝配在放電管軸向上的圓柱形激勵(lì)腔以及一個(gè)與之相配的點(diǎn)火器，這樣在提高了微波等離子的耦合功率獲得了大體積的余輝作用區(qū)的同時(shí)還使得系統(tǒng)的操作更加方便，保證了等離子體炬能夠長(zhǎng)時(shí)間和穩(wěn)定的放電，并且為開(kāi)展微波等離子體炬的應(yīng)用提供了更加可靠和性能更好的設(shè)計(jì)發(fā)明。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種雙腔激勵(lì)的增強(qiáng)型微波等離子體炬發(fā)生裝置，可以通過(guò)操控面板實(shí)現(xiàn)在高氣壓下點(diǎn)火、激勵(lì)和維持等一系列連貫過(guò)程的單人操作，通過(guò)準(zhǔn)確的調(diào)控輸入功率獲得參數(shù)可調(diào)的大功率微波等離子體炬，同時(shí)有效控制微波等離子體炬放電形態(tài)及其穩(wěn)定性，從而滿足各種不同的實(shí)際應(yīng)用的要求。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種雙腔激勵(lì)的增強(qiáng)型微波等離子體炬發(fā)生裝置，包括微波磁控管、環(huán)行器、定向耦合器、微波等離子體耦合波導(dǎo)1、圓柱形波導(dǎo)2、點(diǎn)火器3和放電管4。微波磁控管、環(huán)行器、定向耦合器依次串聯(lián)后，定向耦合器與微波等離子體耦合波導(dǎo)1連接。

所述的微波等離子體耦合波導(dǎo)1包括熱阻波導(dǎo)11，波導(dǎo)橫截面漸縮的阻抗變換器12，壓縮矩形波導(dǎo)13，金屬短路活塞14，水冷套15；熱阻波導(dǎo)11上設(shè)有透波耐溫絕緣薄片111、112，開(kāi)孔113、114，導(dǎo)氣管115，氣泵116，壓縮矩形波導(dǎo)13上設(shè)有一對(duì)圓形開(kāi)口131、132。微波等離子體耦合波導(dǎo)1的側(cè)壁加裝水冷套15，水冷套15上設(shè)有進(jìn)出水口。

由磁控管產(chǎn)生的微波經(jīng)回旋隔離器、方向耦合器、三銷(xiāo)釘阻抗匹配器，在微波等離子體耦合波導(dǎo)1的壓縮矩形波導(dǎo)13內(nèi)建立電場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)的TE₁₀模。壓縮矩形波導(dǎo)13內(nèi)的短路端口為由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的活動(dòng)的金屬短路活塞14，在壓縮矩形波導(dǎo)13的上下兩個(gè)寬的波導(dǎo)壁面的對(duì)稱中心的相對(duì)位置開(kāi)有一對(duì)圓形開(kāi)口131和132，圓形開(kāi)口131和132的中心連線垂直于壓縮矩形波導(dǎo)13的寬波導(dǎo)壁，圓形開(kāi)口131和132中心位置與壓縮矩形波導(dǎo)13內(nèi)建立的TE₁₀模的駐波波腹的位置相對(duì)應(yīng)。

微波等離子體耦合波導(dǎo)1的側(cè)壁加裝水冷套15，微波等離子體耦合波導(dǎo)1中的熱阻波導(dǎo)11用于防止放電管4內(nèi)高溫等離子體的熱輻射及產(chǎn)生的熱對(duì)流沿著微波能量傳輸?shù)哪娣较騻鞑?duì)微波的有源器件和傳感器加熱造成不可逆的熱損傷，保證整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)的工作。