[實用新型]一種雙腔激勵的增強型微波等離子體炬發生裝置

有效

• 申請號: 201720794251.0
• 申請日: 2017-07-03
• 公開（公告）號: CN207070436U
• 公開（公告）日: 2018-03-02
• 發明（設計）人: 李容毅
• 申請（專利權）人: 李容毅
• 主分類號: H05H1/30
• 分類號: H05H1/30
• 代理公司: 大連理工大學專利中心21200
• 代理人: 李曉亮

技術領域

本實用新型屬于微波等離子體技術領域，提供一種雙腔激勵的增強型微波等離子體炬發生裝置。

背景技術

在低溫等離子體領域中的熱等離子體技術經過幾十年的發展，已經廣泛的應用在材料、化工、燃燒、軍工等領域。隨著微波技術的發展，微波器件的可靠性以及磁控管的能量轉換效率大為提高，同時微波部件的價格也大幅降低。利用微波頻段的電磁能來激勵和產生等離子體，可以獲得具有高密度激發態和活性粒子的等離子體。相比于電弧直流炬來說，因為微波等離子體炬不使用電極，不僅延長了連續工作的壽命，同時也避免了電極腐蝕對等離子體的污染，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，這些特點在等離子體材料合成中顯得非常重要。與射頻激勵的電感耦合熱等離子體相比，微波等離子體中電離和激發產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，而且從電能的轉化效率來看，產生微波等離子體的能量效率也大大優于電感耦合等離子體。近些年來，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用中取得了實質性的進展。為了產生大功率微波等離子體炬，通常采用的是波導能量傳輸和耦合方式，通常是在矩形波導內傳輸的TE基模和在其傳播方向的短路端面的反射波疊加形成駐波，在其波腹處的強電場區域產生等離子體放電，流動氣流通過激發區并在其外部獲得余輝形成等離子體炬。在工業和軍工應用中，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、等離子體炬點火、以及在現有技術基礎上開展應用等方面提出了一些技術實用新型，沒有就如何進一步提高等離子體的能量耦合效率和功率容量的技術提出實質性的技術方案和實用新型。

大功率下運轉的微波等離子體，不僅會產生更多的熱量而對等離子體發生設備的冷卻降溫提出更高的要求，還因為在高能量密度的物理條件下會誘發各種不穩定性因素導致等離子體放電的淬滅以及放電形態難以控制等現象的發生，這極大地妨礙了等離子體耦合功率的進一步提高。另外，微波等離子體余輝的空間延展距離和體積有限，使得其應用受到很大的約束。我們的實用新型提出了在傳統的單一矩形腔室駐波激勵的基礎上，增加一個裝配在放電管軸向上的圓柱形激勵腔以及一個與之相配的點火器，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的同時還使得系統的操作更加方便，保證了等離子體炬能夠長時間和穩定的放電，并且為開展微波等離子體炬的應用提供了更加可靠和性能更好的設計實用新型。

實用新型內容

針對現有技術存在的問題，本實用新型提供了一種雙腔激勵的增強型微波等離子體炬發生裝置，可以通過操控面板實現在高氣壓下點火、激勵和維持等一系列連貫過程的單人操作，通過準確的調控輸入功率獲得參數可調的大功率微波等離子體炬，同時有效控制微波等離子體炬放電形態及其穩定性，從而滿足各種不同的實際應用的要求。

為了達到上述目的，本實用新型的技術方案為：

一種雙腔激勵的增強型微波等離子體炬發生裝置，包括微波磁控管、環行器、定向耦合器、微波等離子體耦合波導1、圓柱形波導2、點火器3和放電管4。微波磁控管、環行器、定向耦合器依次串聯后，定向耦合器與微波等離子體耦合波導1連接。

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

由磁控管產生的微波經回旋隔離器、方向耦合器、三銷釘阻抗匹配器，在微波等離子體耦合波導1的壓縮矩形波導13內建立電場強度增強的TE₁₀模。壓縮矩形波導13內的短路端口為由步進電機驅動的活動的金屬短路活塞14，在壓縮矩形波導13的上下兩個寬的波導壁面的對稱中心的相對位置開有一對圓形開孔131和132，圓形開孔131和132的中心連線垂直于壓縮矩形波導13的寬波導壁，圓形開孔131和132中心位置與壓縮矩形波導13內建立的TE₁₀模的駐波波腹的位置相對應。