[發明專利]一種微波等離子體的溫度控制方法及設備

在審

• 申請號: 201711076959.3
• 申請日: 2017-11-06
• 公開（公告）號: CN107708283A
• 公開（公告）日: 2018-02-16
• 發明（設計）人: 劉程;張貴新;黃詩洋;謝宏;鄧磊
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H05H1/46
• 分類號: H05H1/46
• 代理公司: 北京維正專利代理有限公司11508
• 代理人: 曹曉斐

技術領域

本發明涉及微波等離子體領域，具體涉及一種微波等離子體的溫度控制方法及設備。

背景技術

微波等離子體的能力集中，反溫度空間分布梯度較大，具有豐富的高能電子、帶電粒子和活性自由基。近年來微波等離子體在材料合成、表面處理以及垃圾焚燒等方面均有廣泛應用。微波等離子體的溫度是影響等離子體化學反應的重要參數，通常微波等離子體的溫度受微波功率影響較大。如申請公布號為CN104748122A、申請公布號為CN107185949A的中國專利所示。

采用微波等離子體作為加熱源時，針對不同的反應，所需的溫度范圍不同，通常需要調整微波功率對微波等離子體的溫度進行調整。但是通過微波功率對微波等離子體的溫度進行調整時，微波等離子體的波動范圍較大，不方便調節，影響微波等離子體輸出溫度的穩定性。

發明內容

本發明的目的是提供一種微波等離子體的溫度控制方法，其具有方便調節微波等離子體的溫度，且保持微波等離子體溫度穩定性的特點。

本發明的上述技術目的是通過以下技術方案得以實現的：一種微波等離子體的溫度控制方法，包括如下步驟：

調節微波源的微波功率，在微波激發區產生微波等離子體；

采用混合工作氣體，向微波激發區吹入混合工作氣體，使微波等離子體形成微波等離子體羽流。

采用微波等離子體進行溫度調節時，根據實際工況預先選擇合適的微波功率；選擇混合工作氣體，并調整流速形成微波等離子體羽流，使其伸出激發區，便于提供穩定的工作溫度區域。之后可依據實際應用工況的溫度，調節混合工作氣體的配比，進一步對溫度進行微調。以實現在微波功率一定時，通過調節混合工作氣體的配比，即可實現微波等離子體的輸出溫度在一定范圍內的微調。

按照如上方法調節溫度，微波功率確定后，不需要再對功率進行較大調整。僅需要通過調節工作氣體配比，即可對工作溫度進行微調。

進一步地，工作氣體為氮氣、氦氣、氬氣、空氣或者氧氣中至少兩種。

采用氮氣、氦氣、氬氣、空氣或者氧氣作為工作氣體時，產生的等離子體羽流長度和溫度均有不同。通過調整不同類型氣體的配合，可以對等離子體的溫度進行微調。

優選地，當功率為800W，氮氣和空氣作為混合氣體時，氮氣占混合工作氣體的體積百分比為X1，等離子羽流輸出溫度為Y1，X1與Y1之間的關系為Y1＝-21.9X1+6260，其中0＜X1＜100。

優選地，當功率為800W，氬氣和空氣作為混合氣體時，氬氣占混合工作氣體的體積百分比為X2，等離子羽流輸出溫度為Y2，X2與Y2之間的關系為Y2＝-36.25X2+6548，其中0＜X2＜100。

優選地，當功率為800W，氬氣和氮氣作為混合氣體時，氬氣占混合工作氣體的體積百分比為X3，等離子羽流輸出溫度為Y3，X3和Y3之間的關系為Y3＝-9.828X3+3909，其中0＜X3＜100。

進一步地，混合工作氣體的流速為1-15L/min。

采用以上技術方案，調節工作氣體的流速在該范圍內，微波等離子體的輸出溫度更加穩定。

進一步地，微波等離子體羽流的長度為8-10cm。

采用以上技術方案，調節工作氣體的流速，調節微波等離子體羽流的長度在該范圍內，可保證微波等離子體在一定溫度范圍內恒定。

優選地，微波等離子體羽流距離微波激發區5-8cm為等離子體羽流的工作段。

采用以上技術方案，微波等離子體距離激發區太近，溫度不穩定；若微波等離子體距離激發區太遠，溫度較低，且不穩定，不便作為穩定的熱源。微波功率、工作氣體流速和工作氣體的組成確定之后，以上等離子體羽流的工作段為溫度穩定的工作區，在相應功率下可保持穩定的工作溫度。

優選地，作為微波源的器件選自速調管、行波管、磁控管、返波管或者回旋管。

本發明的另一目的在于提供一種微波等離子體的溫度控制設備，其具有方便調節微波等離子體的工作溫度區。

本發明的上述目的通過以下技術方案得以實現：一種微波等離子體的溫度控制設備，用于實現上述的微波等離子體的溫度控制方法，包括微波等離子體發生器，微波等離子體發生器的微波激發區一側連接有混合氣路系統，另一側連接有貫穿微波等離子體發生器、并且與混合氣路系統相通的等離子體放電管，還包括與微波等離子體發生器相連的驅動件，驅使微波等離子體發生器沿微波等離子體羽流長度方向移動。