一种基于微波分离场重构技术的化学反应器的制作方法

本发明涉及微波分离场重构相关设备领域，尤其涉及一种基于微波分离场重构技术的化学反应器。

背景技术：

近年来，微波单模腔材料处理技术被提出。2001年，j.cheng等通过在微波单模腔中处理粉末材料的实验，验证了微波的电场分量和磁场分量对不同的材料有不同的温升曲线，并进一步研究了微波的电场分量和磁场分量对不同材料的不同作用机理。2013年，j.fukushima通过单模腔实验验证了微波的电场分量和磁场分量均能降低cuo还原反应的活化能，且微波的磁场中心比微波的电场中心更有效。

但目前关于微波分离场的研究主要通过单模腔中的电场中心和磁场中心进行，在这样的处理装置中，微波的电场中心和磁场中心在不同的位置。研究者通过将反应分别放置在微波腔体中的电场中心和磁场中心来研究电场分量和磁场分量对反应的不同贡献。但在研究清楚微波的电场分量和磁场分量对反应的贡献后，要实现更加高效的微波化学反应，以及特殊(混合，组合)材料的微波处理，则需要在反应物中实现特定比例的微波电场和磁场分量，甚至在反应过程中，在反应物内的微波电场分量和磁场分量的实时调控；而目前的微波化学反应器、微波材料处理装置等均不能实现这些功能，鉴于以上现有的基于微波分离场重构技术的化学反应器存在的缺点，有必要将其进行改进，来完善此项装置，为工作人员提供更大的便利。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于微波分离场重构技术的化学反应器，以解决上述背景技术中提出的现有的实现更加高效的微波化学反应，以及特殊(混合，组合)材料的微波处理，则需要在反应物中实现特定比例的微波电场和磁场分量，甚至在反应过程中，在反应物内的微波电场分量和磁场分量的实时调控；而目前的微波化学反应器、微波材料处理装置等均不能实现这些功能的问题。

为了实现以上目的，本发明采用的技术方案为：一种基于微波分离场重构技术的化学反应器，包括第二谐振腔、第二微波源、第一微波源、处理样品、试管、化学反应区和第一可调短路面，所述第二谐振腔的一侧安插有第一谐振腔，其中，

靠近第二谐振腔的所述第一谐振腔内部安装有第二耦合窗，所述第二微波源安装在第一谐振腔一端，靠近第一谐振腔的所述第二谐振腔内部安装有第一耦合窗，所述第一微波源放置在第二谐振腔一端；

所述处理样品放置在第二谐振腔内部，所述试管穿插在第二谐振腔与第一谐振腔之间，所述化学反应区安装在试管一端，靠近试管的所述第二谐振腔一侧安装有第二可调短路面，所述第一可调短路面安装在第二可调短路面一侧。

进一步的，所述第一耦合窗和第一可调短路面构成第一个波导单模腔谐振器，且第二耦合窗和第二可调短路面构成第二个波导单模腔谐振器。

进一步的，所述第一谐振腔的波导宽面方向和第二谐振腔的波导窄面方向平行，导致第一谐振腔和第二谐振腔内的微波模式不同。

进一步的，所述微波化学反应器中的两个谐振腔体也可以同时调节为试管处同时为电场中心或者磁场中心。

进一步的，所述包括第一微波源、第一环形器、第一水负载、第一三销钉调谐器、第二耦合窗、第一可调短路活塞、反应试管、第二微波源、第二环形器、第二水负载、第二三销钉调谐器、第三耦合窗和第二可调短路活塞，所述第一微波源的一侧设置有第一环形器，所述第一环形器的侧面安装第一水负载，远离第一微波源的所述第一环形器的一端安装有第一三销钉调谐器，远离第一环形器的所述第一三销钉调谐器的一侧设置有第二耦合窗，所述第二耦合窗的侧面安装有第一可调短路活塞，所述第二耦合窗上安装有反应试管所述第二微波源的一侧设置有第二环形器，所述第二环形器的侧面安装第二水负载，远离第二微波源的所述第二环形器的一端安装有第二三销钉调谐器，远离第二环形器的所述第二三销钉调谐器的二侧设置有第三耦合窗，所述第三耦合窗的侧面安装有第二可调短路活塞。

进一步的，所述第二耦合窗和第一可调短路活塞之间构成微波单模腔谐振器。

进一步的，所述第二环形器和第二水负载之间构成隔离器。

本发明的有益效果为：

本发明通过结合两个正交波导单模谐振腔的，将两个谐振腔的中心位置分别调节为电场中心和磁场中心，通过调节两个馈入微波源的功率，实现在反应试管内微波电场和磁场的重构。耦合窗和短路面构成第一个波导单模腔谐振器，耦合窗和短路面构成第二个波导单模腔谐振器。在交叉波导的中心开孔用于插入反应试管，并在开口处添加截止波导以防止微波泄露。本系统可以通过调节短路面的位置和耦合窗的距离，既可以实现两个谐振腔在试管内分别为电场中心和磁场中心，也可以在试管内同时实现电场中心和磁场中心，从而实现场强的叠加。

附图说明

图1为一种基于微波分离场重构技术的化学反应器的基于分离场重构的微波化学反应器结构示意图。

图2为一种基于微波分离场重构技术的化学反应器的交叉谐振腔的分离场重构系统结构示意图。

图3为一种基于微波分离场重构技术的化学反应器的xz截面结构示意图。

图4为一种基于微波分离场重构技术的化学反应器的xy截面结构示意图。

图5为一种基于微波分离场重构技术的化学反应器的端口1单独馈电时反应器内的电场分布结构示意图。

图6为本发明于分离场重构技术的微波化学反应结构示意图。

图中所示文字标注表示为：1、第二谐振腔，2、第一谐振腔，3、第二耦合窗，4、第二微波源，5、第一耦合窗，6、第一微波源，7、处理样品，8、试管，9、化学反应区，10、第二可调短路面，11、第一可调短路面，12、第一微波源，13、第一环形器，14、第一水负载，15、第一三销钉调谐器，16、第二耦合窗，17、第一可调短路活塞，18、反应试管，19、第二微波源，20、第二环形器，21、第二水负载，22、第二三销钉调谐器，23、第三耦合窗，24、第二可调短路活塞。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

如图1-图6所示，本发明的具体结构为：一种基于微波分离场重构技术的化学反应器，包括第二谐振腔1、第一谐振腔2、第二耦合窗3、第二微波源4、第一耦合窗5、第一微波源6、处理样品7、试管8、化学反应区9、第二可调短路面10和第一可调短路面11，所述第二谐振腔1的一侧安插有第一谐振腔2，其中，

靠近第二谐振腔1的所述第一谐振腔2内部安装有第二耦合窗3，所述第二微波源4安装在第一谐振腔2一端，靠近第一谐振腔2的所述第二谐振腔1内部安装有第一耦合窗5，所述第一微波源6放置在第二谐振腔1一端；

所述处理样品7放置在第二谐振腔1内部，所述试管8穿插在第二谐振腔1与第一谐振腔2之间，所述化学反应区9安装在试管8一端，靠近试管8的所述第二谐振腔1一侧安装有第二可调短路面10，所述第一可调短路面11安装在第二可调短路面10一侧。

优选的，所述第一耦合窗5和第一可调短路面11构成第一个波导单模腔谐振器，且第二耦合窗3和第二可调短路面10构成第二个波导单模腔谐振器。

优选的，所述第一谐振腔2的波导宽面方向和第二谐振腔1的波导窄面方向平行，导致第一谐振腔2和第二谐振腔1内的微波模式不同。

优选的，所述微波化学反应器中的两个谐振腔体也可以同时调节为试管处同时为电场中心或者磁场中心。

优选的，所述包括第一微波源、第一环形器、第一水负载、第一三销钉调谐器、第二耦合窗、第一可调短路活塞、反应试管、第二微波源、第二环形器、第二水负载、第二三销钉调谐器、第三耦合窗和第二可调短路活塞，所述第一微波源的一侧设置有第一环形器，所述第一环形器的侧面安装第一水负载，远离第一微波源的所述第一环形器的一端安装有第一三销钉调谐器，远离第一环形器的所述第一三销钉调谐器的一侧设置有第二耦合窗，所述第二耦合窗的侧面安装有第一可调短路活塞，所述第二耦合窗上安装有反应试管所述第二微波源的一侧设置有第二环形器，所述第二环形器的侧面安装第二水负载，远离第二微波源的所述第二环形器的一端安装有第二三销钉调谐器，远离第二环形器的所述第二三销钉调谐器的二侧设置有第三耦合窗，所述第三耦合窗的侧面安装有第二可调短路活塞。

优选的，所述第二耦合窗和第一可调短路活塞之间构成微波单模腔谐振器。

优选的，所述第二环形器和第二水负载之间构成隔离器

具体使用时，在本发明中，我们将第一第二谐振腔1的波导宽面方向和第二谐振腔1的波导窄面方向平行，导致第一第二谐振腔1和第二谐振腔1内的微波模式不同，从而使两个谐振腔能最大程度地保持其自身模式的场分布，且两个谐振腔间的耦合十分微小。展示了单独对第二谐振腔1馈入微波时，整个系统的s参数，可以看出，通过合理的设计窗口形式，可以实现谐振腔体的良好匹配；同时，系统的s12十分微小，表明系统从第二微波源4到第一微波源6的耦合非常小；反之亦然；

另外分别展示了两个谐振腔中一个工作在微波电场中心、另一个工作在微波磁场中心时的场部分。展示了当第二谐振腔1工作在磁场中心时，其单独馈电情况下腔体内的场分布，可以看出，在反应器的试管位置，微波的磁场强度最强，为磁场波腹点，此时端口2馈入的微波在反应试管内的电场最小，接近于0；展示了端口1单独馈电情况下腔体内的电场分布，可以看出，此时谐振腔内的场部分符合te103模的场部分，且反应试管处于腔体内的电场中心。此时，反应物中的电场强度最强，端口1馈入的微波的磁场分量最弱，几乎可以忽略。

由于本发明中的微波化学反应器的两输入端口间的耦合非常弱，且通常在反应器的微波输入端口与微波源之间添加有环形器(隔离器)。因此，本反应器的两输入端口间将不相互影响。当将反应器的两个谐振腔调节到试管位置处为电场中心和磁场中心时，通过改变馈入微波的功率，就可以实现在化学反应中任意比例的微波电场和磁场分量的调控，同时可以通过实时调节两个微波源，实现微波电场和磁场分量的实时调控，在反应的不同阶段馈入不同比例的微波电场和磁场。

当反应器的两个谐振腔分别调节为在反应试管内为电场中心和磁场中心时，由于本发明中第一谐振腔2的波导宽面方向和第二谐振腔1的波导窄面方向平行，此时，试管内的微波电场分量和磁场分量平行。而在传统的微波化学反应器中，微波的电场分量和磁场分量通常是垂直的。对于要实现微波电场分量和磁场分量垂直的情况，也可以将所示系统中的两个波导宽面方向调节为平行即可(即将一个波导谐振器沿长度方向旋转90°)。

另一方面，本发明的微波化学反应器中的两个谐振腔体也可以同时调节为试管处同时为电场中心或者磁场中心。在此模式下，试管内的微波电场(或磁场)处于功率合成状态。由于此时两输入端口的电(磁)场方向在试管内的方向垂直，因此，本系统不需要像传统相干功率合成一样，需要调相来实现高效率的功率合成。在本发明中，可以直接将系统内的两个谐振器同时调节为在试管处为电(磁)场中心，即可实现在试管处的高效微波功率合成。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。