一种基于TM双模式环形耦合与环增强的狭长高强场区微波反应器

本发明涉及微波装置，尤其涉及一种多模式谐振腔与环形能量耦合的高场强微波反应器。

背景技术：

1、谐振腔式微波等离子体反应装置是依据电磁波在谐振腔内产生谐振，造成电场叠加，进而形成高电场强度区域，最终在此区域激发气体形成等离子体的特性而设计的。当谐振腔中的场强值达到一定值时，少量自由电子会被电场加速而获得动能，变成高能电子。当这些被加速的高能电子与各种粒子频繁激烈碰撞后，会形成大量电子、离子、自由基等不稳定的活性基团。这些离解的电子、正负离子在电场中再次被加速，又会形成同样的活性基团，如此下去，气体就会形成等离子体。当等离子体的激发与泯灭速度一样时，达到动态平衡，形成稳定的等离子体。

2、等离子体的产生与维持很大程度上取决于电场强度和电场分布。目前，大部分微波等离子体反应器内部的高电场强度区域范围小，分布不均匀，而且电场强度极值很少能够达到mv/m级，这远远小于常压等离子体的激发电场强度。这些微波等离子体设备大多是通过提高输入功率或者降低反应气压来实现等离子体激发的。但高功率微波源的成本高，对传输系统要求高，且宜造成损耗，能量利用率低。高真空度下，等离子体密度低、反应温度低、反应速率慢，而对于大规模生产来说，往往需要快速高效地进行化学合成反应。这些都对微波等离子体反应器提出了更高的要求。最理想的微波反应器是谐振腔中电场强度可以达到很高的值，并且高场强区域的分布范围尽可能大、尽可能均匀。

3、采用基于tm双模式环形耦合与环增强的狭长高强场区微波反应器，可以获得最大电场强度达mv/m级狭长分布的高电场强度区域，其可以在低功率、常压或正压状态下迅速激发出具有一定长度与宽度的等离子体柱，更加有利于合成反应的进行。且在整个反应腔内电场强度较高、高场强区域大，能更充分地激发等离子体，提高能量利用率，大大促进微波等离子反应系统的生产速度。

技术实现思路

1、本发明提供了一种基于tm双模式环形耦合与环增强的狭长高强场区微波反应器，用以解决现有技术中等离子体激发条件苛刻、维持不稳定、区域小、分布不均匀，能量利用率低等问题。

2、发明提供的一种基于tm双模式环形耦合与环增强的狭长高强场区微波反应器，包括：能量耦合环、圆柱反应腔、圆柱形能量耦合腔、环形微波反射膜片、多尖端锥形点火器、同轴反射腔、物料收集筒；所述两个能量耦合环分别位于圆柱反应腔底部与同轴反射腔顶部；所述环形微波反射膜片位于圆柱反应腔顶部；所述圆柱反应腔位于圆柱形能量耦合腔上部，且圆柱形反应腔插入能量耦合腔内一定距离l1；所述同轴反射腔位于圆柱形能量耦合腔下部，且插入能量耦合腔内一定距离l2；所述多尖端锥形点火器位于同轴反射腔内导体顶部。

3、进一步，根据本发明提供的一种基于tm双模式环形耦合与环增强的狭长高强场区微波反应器，圆柱反应腔底部与同轴反射腔顶部形成一个环状缝隙，且环状缝隙的高度为4～30mm。

4、进一步，根据本发明提供的一种基于tm双模式环形耦合与环增强的狭长高强场区微波反应器，tm020模式的圆柱形能量耦合腔的内径为150～300mm，高度h1为50～200mm。

5、进一步，根据本发明提供的一种基于tm双模式环形耦合与环增强的狭长高强场区微波反应器，tm011模式的圆柱反应腔的内径d为50～200mm，高度h为200～500mm，壁厚b为1～30mm，且圆柱形反应腔插入能量耦合腔内的距离l1为5mm～0.5*h1mm。

6、进一步，根据本发明提供的一种基于tm双模式环形耦合与环增强的狭长高强场区微波反应器，底部同轴反射腔的内径与圆柱反射腔内径相同，高度为10～100mm，且上截面插入圆柱形能量耦合腔中心距离l2与权利要求项4中圆柱反应腔插入圆柱形能量耦合腔中心距离l1相同。

7、进一步，根据本发明提供的一种基于tm双模式环形耦合与环增强的狭长高强场区微波反应器，圆柱反应腔底部与同轴反射腔顶部各连接一个能量耦合环，耦合环的高h为1～34mm，耦合环的宽度为1～30mm，且耦合环宽度b与圆柱反应腔的高度h之间满足：h＝-0.11b2+0.55b+334.4。其中朝向反应腔外侧时的宽度值b取负，朝向反应腔内侧时的宽度值b取正。

8、进一步，根据本发明提供的一种基于tm双模式环形耦合与环增强的狭长高强场区微波反应器，圆柱反应腔与同轴反射腔和圆柱形能量耦合腔活动连接，所述谐振腔可沿中心轴线上下移动，用以在等离子体反应过程中调整耦合缝隙的宽度，进而达到阻抗匹配。

9、进一步，根据本发明提供的一种基于tm双模式环形耦合与环增强的狭长高强场区微波反应器，圆柱反应腔顶部安装有环形微波反射膜片，且膜片外径d1，膜片下部内径d2，膜片上部内径d3，膜片高h与所述圆柱形反应腔内径d满足：d＝d1>d2>d3>30mm。

10、进一步，根据本发明提供的一种基于tm双模式环形耦合与环增强的狭长高强场区微波反应器，中空点火台为中空结构，下底面直径与同轴内导体内径相同为d，上底面直径为0.1d，高为(0.1～0.4)*h。并且环台上底面外围分布有3～15个等腰三角形状点火尖。且等腰三角形高与点火台高之比为1:20～1:1。且中空点火台的底部固定在同轴反射腔内导体上，多尖端锥形点火器可以随内导体上下移动，且点火台顶端与同轴反射腔上端面上下位置的调节范围为±20mm。

11、进一步，根据本发明提供的一种基于tm双模式环形耦合与环增强的狭长高强场区微波反应器，圆柱形能量耦合腔可外接多个波导进行能量馈入。

12、进一步，根据本发明提供的一种基于tm双模式环形耦合与环增强的狭长高强场区微波反应器，所述圆柱反应腔、圆柱形能量耦合腔、环形微波反射片、同轴反射腔、点火锥、物料收集筒由导电材料制成。

13、本发明提供的一种基于tm双模式环形耦合与环增强的狭长高强场区微波反应器，在tm020模式谐振腔的高场强位置，插入一个直径较小的tm011模式的圆柱腔，且引入反射环与能量耦合环，将更对的能量聚束在小反应腔中，在其中形成极高的电场强度。此时，大腔的主要作用变为能量耦合，而高场强区与等离子体反应区也将从大腔移动到小腔，这样就可以将等离子体反应的过程中所需的原料气体及合成的粉末产物局限在小反应腔中。控制能量耦合处缝隙的宽度及耦合腔内的气压，使耦合腔中的气流保持相对稳定。此时，粉末及反应气体并不会进入到大腔中，从而避免了能量耦合腔的污染，使大腔可以长时间地保持洁净，便于更好的进行等离子体反应与后续的设备维护。设计的圆柱反应腔的高度为324mm，又在反应腔上部添加有高度为260mm的物料收集腔，圆柱反应腔1中的产生的等离子体火焰可以一直延伸进入物料收集腔中，进一步提高了等离子体火柱的长度，更有利于等离子体反应的进行。

技术特征：

1.一种基于tm双模式环形耦合与环增强的狭长高强场区微波反应器，其特征在于，包括：能量耦合环、圆柱反应腔、圆柱形能量耦合腔、环形微波反射膜片、中空点火台、同轴反射腔、物料收集筒；

2.根据权利要求1所述的基于tm双模式环形耦合与环增强的狭长高强场区微波反应器，其特征在于，tm020模式的圆柱形能量耦合腔的内径为150～300mm，高度h1为50～200mm。

3.根据权利要求1所述的基于tm双模式环形耦合与环增强的狭长高强场区微波反应器，其特征在于，tm011模式的圆柱反应腔的内径d为50～200mm，高度h为200～500mm，壁厚b为1～30mm，且圆柱形反应腔插入能量耦合腔内的距离l1为5mm～0.5h1。

4.根据权利要求3所述的基于tm双模式环形耦合与环增强的狭长高强场区微波反应器，其特征在于，底部同轴反射腔的内径与圆柱反射腔内径相同为d，高度h为10～100mm，内导体直径d为0.1d～0.5d；且反射腔上截面插入圆柱形能量耦合腔中心距离l2与圆柱反应腔插入圆柱形能量耦合腔中心距离l1相同。

5.根据权利要求1所述的基于tm双模式环形耦合与环增强的狭长高强场区微波反应器，其特征在于，圆柱反应腔底部与同轴反射腔顶部各连接一个能量耦合环，耦合环的高h为1～34mm，耦合环的宽度b为1～30mm，且耦合环宽度b与圆柱反应腔的高度h之间满足：

6.根据权利要求1所述的基于tm双模式环形耦合与环增强的狭长高强场区微波反应器，其特征在于，圆柱反应腔顶部安装有环形微波反射膜片，且膜片外径d1，膜片下部内径d2，膜片上部内径d3，膜片高h与所述圆柱形反应腔内径d满足：d＝d1>d2>d3>30mm。

7.根据权利要求1所述的基于tm双模式环形耦合与环增强的狭长高强场区微波反应器，其特征在于，中空点火台为中空结构，下底面直径与同轴内导体内径相同为d，上底面直径为0.1d，高为(0.1～0.4)*h；并且环台上底面外围分布有3～15个等腰三角形状点火尖；且等腰三角形高与点火台高之比为1:20～1:1；且中空点火台的底部固定在同轴反射腔内导体上，多尖端锥形点火器可以随内导体上下移动，且点火台顶端与同轴反射腔上端面上下位置的调节范围为±20mm。

8.根据权利要求1所述的基于tm双模式环形耦合与环增强的狭长高强场区微波反应器，其特征在于，圆柱形能量耦合腔外接1～6个波导进行能量馈入。

9.根据权利要求1所述的基于tm双模式环形耦合与环增强的狭长高强场区微波反应器，其特征在于，所述圆柱反应腔采用紫铜、黄铜、铝或不锈钢；圆柱形能量耦合腔、环形微波反射片、同轴反射腔、物料收集筒由导电材料制成；中空点火台由耐高温材料制成，耐高温材料为石墨、钨或钼。

技术总结
本发明提供了一种基于TM双模式环形耦合与环增强的狭长高强场区微波反应器，包括能量耦合环、圆柱反应腔、圆柱形能量耦合腔、环形微波反射膜片、中空点火台、同轴反射腔、物料收集筒。本发明通过能量耦合环与缝隙将TM020模式谐振腔中的微波能耦合到圆柱反应腔内，并通过反射膜片将部分向外辐射的能量反射回反应腔内，使反应腔中聚集大量能量。并控制反应腔的内径与高度，使其产生TM011模式谐振。在反应腔中心位置产生极高的电场强度，并在此区域完成等离子体点火。该反应器，实现了能量耦合与等离子体反应相分离，避免了能量耦合部分被污染；延长了微波等离子体火柱的长度，扩大了等离子体范围，有利于等离子体反应的充分进行。

技术研发人员：王群,陈柏桥,李永卿,于云飞
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/10