一种双腔激励的增强型微波等离子体炬发生装置的制作方法

本实用新型属于微波等离子体技术领域，提供一种双腔激励的增强型微波等离子体炬发生装置。

背景技术：

在低温等离子体领域中的热等离子体技术经过几十年的发展，已经广泛的应用在材料、化工、燃烧、军工等领域。随着微波技术的发展，微波器件的可靠性以及磁控管的能量转换效率大为提高，同时微波部件的价格也大幅降低。利用微波频段的电磁能来激励和产生等离子体，可以获得具有高密度激发态和活性粒子的等离子体。相比于电弧直流炬来说，因为微波等离子体炬不使用电极，不仅延长了连续工作的寿命，同时也避免了电极腐蚀对等离子体的污染，而且，微波等离子体中的电子温度也高于电弧直流炬中的电子温度，这些特点在等离子体材料合成中显得非常重要。与射频激励的电感耦合热等离子体相比，微波等离子体中电离和激发产生的电子密度和活性粒子的密度都高于电感耦合热等离子体，而且从电能的转化效率来看，产生微波等离子体的能量效率也大大优于电感耦合等离子体。近些年来，微波等离子体炬装置在废气处理，辅助燃烧，纳米材料合成，和耐高温材料表面改性等方面的应用中取得了实质性的进展。为了产生大功率微波等离子体炬，通常采用的是波导能量传输和耦合方式，通常是在矩形波导内传输的TE基模和在其传播方向的短路端面的反射波叠加形成驻波，在其波腹处的强电场区域产生等离子体放电，流动气流通过激发区并在其外部获得余辉形成等离子体炬。在工业和军工应用中，迫切需要是一种大功率的能够增加余辉的有效作用区的微波等离子体炬。然而，目前仅在原料气体注入方式、等离子体炬点火、以及在现有技术基础上开展应用等方面提出了一些技术实用新型，没有就如何进一步提高等离子体的能量耦合效率和功率容量的技术提出实质性的技术方案和实用新型。

大功率下运转的微波等离子体，不仅会产生更多的热量而对等离子体发生设备的冷却降温提出更高的要求，还因为在高能量密度的物理条件下会诱发各种不稳定性因素导致等离子体放电的淬灭以及放电形态难以控制等现象的发生，这极大地妨碍了等离子体耦合功率的进一步提高。另外，微波等离子体余辉的空间延展距离和体积有限，使得其应用受到很大的约束。我们的实用新型提出了在传统的单一矩形腔室驻波激励的基础上，增加一个装配在放电管轴向上的圆柱形激励腔以及一个与之相配的点火器，这样在提高了微波等离子的耦合功率获得了大体积的余辉作用区的同时还使得系统的操作更加方便，保证了等离子体炬能够长时间和稳定的放电，并且为开展微波等离子体炬的应用提供了更加可靠和性能更好的设计实用新型。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种双腔激励的增强型微波等离子体炬发生装置，可以通过操控面板实现在高气压下点火、激励和维持等一系列连贯过程的单人操作，通过准确的调控输入功率获得参数可调的大功率微波等离子体炬，同时有效控制微波等离子体炬放电形态及其稳定性，从而满足各种不同的实际应用的要求。

为了达到上述目的，本实用新型的技术方案为：

一种双腔激励的增强型微波等离子体炬发生装置，包括微波磁控管、环行器、定向耦合器、微波等离子体耦合波导1、圆柱形波导2、点火器3和放电管4。微波磁控管、环行器、定向耦合器依次串联后，定向耦合器与微波等离子体耦合波导1连接。

所述的微波等离子体耦合波导1包括热阻波导11，波导横截面渐缩的阻抗变换器12，压缩矩形波导13，金属短路活塞14，水冷套15；热阻波导11上设有透波耐温绝缘薄片111、 112，开孔113、114，导气管115，气泵116，压缩矩形波导13上设有一对圆形开孔131、132。微波等离子体耦合波导1的侧壁加装水冷套15，水冷套15上设有进出水口。

由磁控管产生的微波经回旋隔离器、方向耦合器、三销钉阻抗匹配器，在微波等离子体耦合波导1的压缩矩形波导13内建立电场强度增强的TE₁₀模。压缩矩形波导13内的短路端口为由步进电机驱动的活动的金属短路活塞14，在压缩矩形波导13的上下两个宽的波导壁面的对称中心的相对位置开有一对圆形开孔131和132，圆形开孔131和132的中心连线垂直于压缩矩形波导13的宽波导壁，圆形开孔131和132中心位置与压缩矩形波导13内建立的TE₁₀模的驻波波腹的位置相对应。

微波等离子体耦合波导1的侧壁加装水冷套15，微波等离子体耦合波导1中的热阻波导 11用于防止放电管4内高温等离子体的热辐射及产生的热对流沿着微波能量传输的逆方向传播对微波的有源器件和传感器加热造成不可逆的热损伤，保证整个系统稳定、可靠、长时间连续的工作。

热阻波导11为矩形，在矩形波导的两个端面处设有透波耐温绝缘薄片111和112，用于阻隔在微波等离子体耦合波导1和微波发生系统间热对流的产生，对微波发生系统的有源部件以及传感器起到热保护作用。另外，在热阻波导11的两个窄壁面上各开有一个开孔113和 114或是平行于窄边的长条缝，由于电力线在窄壁面上是平行于波导横截面的窄边，在这个面上开孔可以最小程度的防止电磁波的泄露，以及减小开孔113和114对微波在波导内传输的影响。另外，为了更好的通过气体流动使得热阻波导11的波导管内积聚的热气体的排除，在两个窄壁上开孔的位置相对错开，分别靠近热阻波导11的两个端面，在热阻波导11外壁上安装有气泵116，在气泵116和热阻波导11窄壁上的开孔113之间连接导气管115，气泵 115向热阻波导11内打压气体，热阻波导11内的气体在压力差下通过另一个开孔114向外界排出，形成的气体流动达到对流冷却的效果。所述的透波耐温绝缘薄为石英片。

所述的圆柱形波导2由水冷圆柱形波导21和入气圆柱形波导22串联对接而成，具体包括水冷圆柱形波导21，入气圆柱形波导22，能够开合的金属挡板23，入水口211，出水口 212，四个入气管道221、222、223、224。

圆柱形波导2安装在压缩矩形波导13的圆形开孔132处，与微波等离子体耦合波导1 相配合形成一个双腔激励的复合结构。

水冷圆柱形波导21的侧壁安装水冷套，水冷套与外部的水冷循环机相连，冷却水从水冷套的入水口211进入后从出水口212排出，水冷套通过管道与外部的水冷循环机相连形成循环冷却系统。水冷圆柱形波导21的一个端面和微波等离子体耦合波导1的压缩矩形波导 13宽壁上的圆形开孔132对接。

入气圆柱形波导22的侧壁开有四个入气管道221、222、223、224，它们相对于入气圆柱形波导22内壁的圆周切向等间距对称排布；入气圆柱形波导22的一个端面安装一个可以开合的金属挡板23，入气圆柱形波导22的另一端面与水冷圆柱形波导21的端面串联对接，圆柱形波导2形成一个独立的封闭腔室。通过圆形开孔132圆柱形波导2封闭腔室内的电磁波和压缩矩形波导13腔室内的电磁波耦合在一起，增强放电管4内的电场强度，配合由四个入气管道221、222、223、224的切向气体引入方式形成的涡旋气流场的分布，使放电管4内的约化场强分布得到优化的同时局部约化场强得到增强，而约化场强分布是决定等离子体放电特性的重要因素。

所述的放电管4一端依次穿过微波等离子体耦合波导1的压缩矩形波导13宽壁上相对的一对圆形开孔131、132以及水冷圆柱形波导21，直通到入气圆柱形波导22的入气管道221、 222、223、224附近，等离子体炬的放电空间约束在放电管4内，即圆柱形波导2构成的腔体侧壁和放电空间是由衬在侧壁的放电管4和入气圆柱形波导22的底端四个入气管道221、 222、223、224产生的高速涡旋气流层有效隔绝；放电管4的另一端为等离子体炬喷出的开放端，在放电管4中放电产生的等离子体在入射气体的推动下，在压缩矩形波导13的外部形成等离子体炬；在气流的带动下产生等离子体炬由此喷出。圆柱形波导2构成的腔体不仅对压缩矩形波导13内的电场有增强作用，从而对激发和维持等离子体炬以及提高耦合功率有贡献，还通过四个入气管道221、222、223、224切向气流的引入使得通过压缩矩形波导13的放电管4内产生涡旋气体流动，从而对稳定等离子体炬的放电和隔绝热等离子体对放电管4 管壁的热损伤有很大的作用。为了保证入气圆柱波导22内注入的切向气流能被无扰动的传输到压缩矩形波导13的放电腔中，所述入气圆柱形波导22内表面具有一个阶梯将其分为内径不同的两个部分，侧壁开有四个入气管道221、222、223、224部分的内径较小且尺寸和放电管4的内径一样，阶梯的高度和放电管4的管壁厚度相同，这样使得在入气管道221、222、 223、224附近产生的涡旋气流能不受干扰的在放电管4内传输尽可能远的距离。

微波等离子体在高气压下实现放电需要一个点火的激发过程，通常的点火方式把单电极深入到放电腔体内靠空载下增加微波电源的输出，在电极的尖端局部产生强电场来电离气体，从而提供种子电子激发等离子体的放电，为了提高点火成功率需要增加微波电源在空载下的功率输出，这样微波发生系统的有源器件容易发生过载现象，同时微波系统内的局部也会发生随机的打火，这样会严重影响放等离子体放电点火成功率。

在本实用新型中，所述的点火器3包括圆筒31，可移动的绝缘活塞32，两根耐高温的金属丝电极33，以及交流高压电源34。两根耐高温金属丝电极33的一端以适当的间距穿过绝缘活塞32并固定在上面，两根金属丝电极33的点火端之间的距离小于两根金属丝电极33 固定在绝缘活塞32上的间距；两根金属丝电极33的另一端通过高压绝缘的导线35分别接在交流高压电源34的两个电极接线柱上；绝缘活塞32位于圆筒31内部，且能够在圆筒31内移动。

点火器3通过可以开合的金属挡板23与圆柱形波导2对接在一起，两根金属丝电极33 在绝缘活塞32上伸出的长度要求绝缘活塞32在圆筒31内推入时，在金属挡板23打开的条件下，金属丝电极33的尖端能够沿着放电管4伸入到微波等离子体耦合波导1的压缩矩形波导13的中心区域，当绝缘活塞32退回归位时能够使金属丝电极33的尖端完全退到点火器1 的圆筒31内并关闭金属挡板23。在交流高压电源34的驱动下，金属丝电极33的点火尖端之间形成电子密度足够大的放电通道，在微波电源的低功率输出下即可激发微波等离子体放电，完成点火后金属丝电极33在绝缘活塞32的带动下完全退回到圆筒31中，并与放电管4 内的放电空间隔绝，保证不会因为后期的功率增加等离子体过热而烧蚀金属丝电极33；另外，金属丝电极33的退出也不会对压缩矩形波导13和圆柱形波导2构成的复合结构放电腔室的谐振条件产生影响。点火器3的设计大大降低了对微波的空载输入功率的要求，同时也显著提高了点火激发等离子体放电的可靠性和金属丝电极的使用寿命。

所述的微波电源工作频率为2.45GH或是915MHz的工业标准频率；交流高压电源34 的工作频率范围1～50千赫兹；工作气体是各种气体。

所述的放电管4的材质是耐高温的石英管、陶瓷管，放电管4还可以是变径的结构，放电管4在压缩矩形波导13内部分的外径小于等于压缩矩形波导13上圆形开孔131、132的直径，处在圆柱形波导2内的放电管4的外径和入气圆柱形波导22内的最大外径一致；金属丝电极33的材质采用耐高温的钨丝。

本实用新型的效果和益处是在垂直于压缩矩形波导13的放电管4方向上增加了一个圆柱形波导腔室2，沿着该腔室内传播的电磁波在其端面23反射后在放电管4内形成叠加的场强，使得在传统的单个压缩矩形波导13腔室的放电管4内激励的TE模的驻波得到进一步的增强，从而获得更好的能量耦合效果，同时绝缘的放电管4和其下端附近的入气管道221、 222、223、224高流速切向气体在其端面形成的气阻层把等离子体和圆柱形波导2金属壁面以及短路金属挡板23有效隔绝，消除了等离子体放电在大功率下运转时容易发生的淬灭现象。另外，在微波等离子体耦合波导1中加装的热阻波导11有效隔绝了等离子体放电中的热释放对整个系统的影响。这些措施的益处是能够增加等离子体炬的最大功率而且能获得具有较大体积作用区的等离子体炬余辉，并使之可以长时间持续、稳定、可靠的运转。同时，点火器3单元的设计实用新型使得整个系统可以由单人操作方便的完成点火、激发、维持的一系列过程，在微波源的空载输出较低的条件下点火成功率接近100％。

附图说明

图1是产生一种双腔激励的增强型微波等离子体炬发生装置的横截面剖视图。

图2是产生一种双腔激励的增强型微波等离子体炬发生装置的俯视简图。

图3是入气圆柱形波导的切向气流引入方式的剖面图，剖视方向对应图2中A-A箭头所指方向。

图中：1微波等离子体耦合波导，2圆柱形波导，3点火器，4放电管；

11热阻波导，12波导横截面渐缩的阻抗变换器，13压缩矩形波导，14金属短路活塞， 15和16水冷套；111、112透波耐温绝缘薄片，113、114开孔，115导气管，116气泵，131、 132圆形开孔，152出水口，151入水口，161入水口，162出水口；

21水冷圆柱形波导，22入气圆柱形波导，23金属挡板，211入水口，212出水口，221、 222、223、224入气管道；

31圆筒，32可移动的绝缘活塞，33两根耐高温金属丝电极，34交流高压电源，35高压绝缘导线。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本实用新型的具体实施方式。

一种双腔激励的增强型微波等离子体炬发生装置，包括微波磁控管、环行器、定向耦合器、微波等离子体耦合波导1、圆柱形波导2、点火器3和放电管4，微波磁控管、环行器、定向耦合器依次串联后，定向耦合器与微波等离子体耦合波导1连接，其特征在于：

微波等离子体耦合波导1包括热阻波导11，波导横截面渐缩的阻抗变换器12，压缩矩形波导13，金属短路活塞14，水冷套15和16；金属短路活塞14位于压缩矩形波导13的短路端口；热阻波导11上设有透波耐温绝缘薄片111、112，压缩矩形波导13的上下两个宽的波导壁面的对称中心的相对位置开有一对圆形开孔131、132，圆形开孔131、132的中心连线垂直于压缩矩形波导13的宽波导壁；微波等离子体耦合波导1的侧壁加装水冷套15，水冷套15上设有进出水口151和152，在压缩矩形波导13上安装的水冷套16上设有进出水口161 和162。圆柱形波导2位于压缩矩形波导13的圆形开孔132处，由水冷圆柱形波导21和入气圆柱形波导22串联对接而成，水冷圆柱形波导21的侧壁安装水冷套，水冷套与外部的水冷循环机相连，冷却水从入水口211进入后从出水口212排出；水冷圆柱形波导(21)的一个端面和微波等离子体耦合波导1的压缩矩形波导13宽壁上的圆形开孔132对接；入气圆柱形波导22的侧壁开有四个入气管道221、222、223、224，它们相对于入气圆柱形波导22内壁的圆周切向等间距对称排布；入气圆柱形波导22的一个端面安装有一个能够开合的金属挡板 23，入气圆柱形波导22的另一端面与水冷圆柱形波导21的端面串联对接。放电管4的一端依次穿过微波等离子体耦合波导1的压缩矩形波导13宽壁上相对的圆形开孔131、132以及水冷圆柱形波导21，直通到入气圆柱形波导22的入气管道221、222、223、224附近，等离子体炬的放电空间约束在放电管4内；放电管4的另一端为开放端，在放电管4中放电产生的等离子体在入射气体的推动下，在压缩矩形波导13的外部喷射形成等离子体炬。点火器3 包括圆筒31、可移动的绝缘活塞32、两根耐高温的金属丝电极33以及交流高压电源34；点火器3通过能够开合的金属挡板23与圆柱形波导2对接在一起；两根金属丝电极33一端穿过绝缘活塞32并固定在上面，两根金属丝电极33的点火端之间的距离小于它固定在绝缘活塞32上的间距，两根金属丝电极33的另一端通过高压绝缘的导线35分别接在交流高压电源 34的两个电极上；绝缘活塞32能够在圆筒31内移动，两根金属丝电极33在绝缘活塞32上伸出的长度要求绝缘活塞32在圆筒31内推入时，金属丝电极33的点火尖端能够在金属挡板 23打开的条件下，沿着放电管4伸入微波等离子体耦合波导1的压缩矩形波导13的中心区域，当绝缘活塞32退回归位时能够使金属丝电极33的尖端完全退到点火器1的圆筒31内并关闭金属挡板23。

本实用新型的具体工作流程为：

首先，通入工作气体，在放电管4内形成气体流动，打开圆柱形波导2的短路挡板23，移动点火器3中的绝缘活塞32使得其上固定的金属丝电极33打火尖端能够伸入到压缩的矩形波导13的中间区域，接通金属丝电极33的高压交流电源34使之在其尖端放电；开启微波电源，调整微波功率使其输出功率设置在500-600瓦的水平，调节压缩矩形波导13的金属短路活塞14的位置，直至在放电管4内的气体被激发形成稳定的等离子体放电；然后，关闭高压交流电源34，反方向移动绝缘活塞32，使金属丝电极33完全退回到点火器3的圆筒31内，关闭圆柱形波导2的短路金属挡板23；增加微波输入功率，并调整气体流量和气体的混合比例，打开热阻波导11的气泵116的电源开关，使之开始工作。在增加微波功率的过程中，通过观察反射功率的变化再次调整压缩矩形波导13的金属短路活塞14的位置，使得反射功率最小来确定合适的位置，实现最佳阻抗匹配。