一种常温常压下利用微波激发气体产生等离子体的方法与流程

本发明属于微波等离子技术领域，尤其涉及一种常温常压下利用微波激发气体产生等离子体的方法。

背景技术：

等离子体被称作自然界除固态、液态和气态之外的第四种物质存在形态。等离子体就是电离气体，它是电子、离子、原子、分子、自由基等粒子的集合体。自从十八世纪中期被发现以来，对它的认识和利用在不断深化，尤其是低温等离子体技术广泛应用于现在的诸多专业领域，而且变得越来越重要。

针对低温等离子激发方法，目前先进的应用激发方法有电子束放电、电晕放电、介质阻挡放电、辉光放电等。

1、电子束照射是一种典型的使用电离辐射原理的ntp生成方法。电子加速器发射的高能电子束引起放射区分子的放射分解反应，最终导致ntp的形成。电子加速器是电子束照射装置的关键处理部件。电子加速器主要有直接电力线变压器加速器、大功率紧凑型变压器电子加速器、高重复脉冲加速器、藕合倍增器加速器，单腔共振加速器等。但因电子束技术存在着很多问题，因而没有大规模应用。

2、电晕放电是在电子束放电的基础上发展而来，且该法不通过加速器即可产生高密度的等离子体，成功避免了电子枪损耗和x射线屏蔽等问题。电晕放电常采用非对称电极，可在常压条件下形成电晕。

3、辉光放电是一种稳定的自持放电，且放电能级要高于电晕放电，同时产生的辉光扩展到两电极之问的整个放电空间，发光明亮，是低温等离子体化学领域广泛采用的一种放电形式。

4、介质阻挡放电是将绝缘介质插入放电空间的一种气体放电形式，又称无声放电。这种放电分布均匀、弥散和稳定，介质放电原理的使用条件很宽裕，不需要真空的环境，只要在大气压条件下或高于大气压的条件下，就能够产生稳定、高密度的等离子体，因而受到国内外研究者的广泛关注。

以上这些激发方式虽然在各自领域有些许应用，但应用始终因他们自身的缺陷而受到限制。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

针对现有存在的技术问题，本发明提供一种常温常压下利用微波激发气体产生等离子体的方法，具有方式简单，能源消耗低、等离子体稳定、存在时间长等优点。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种常温常压下利用微波激发气体产生等离子体的方法，在微波的作用下，通过介质波导材料激发出的高能带电粒子轰击气体分子，使得气体分子产生等离子体；

气体在微波电弧化炉中被激发为等离子体；

其中，微波电弧化炉包括炉体和对称设置在炉体两侧的磁控管；

炉体中设有一根前后贯通的石英管气路，石英管前后两端分别设有出气口和进气口；

气体分子通过进气口进入石英管气路被激发为等离子体，并于出气口排出；

将介质波导材料放置于石英管路中，并置于炉体内谐振腔的中心位置；

磁控管发出的微波作用在谐振腔中心的介质波导材料上，用以产生高能带电粒子。

优选地，所述介质波导材料为非金属材料。

优选地，所述介质波导体材料为石墨毡。

优选地，所述介质波导体材料为聚四氟乙烯圆柱棒、石英玻璃棒和zsm-5分子筛中的任一种。

优选地，所述介质波导体材料为活性炭颗粒。

优选地，所述介质波导体材料为石墨毡+钨极。

优选地，微波的功率为0-20kw；

气体流量为1-20l/min。

优选地，微波的功率为1-10kw；

气体流量为1-10l/min。

优选地，气体为氮气、氧气、空气和氩气中的任一种。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：本发明提供一种常温常压下利用微波激发气体产生等离子体的方法，具有以下有益效果：

本发明提供的微波等离子体激发方式更能增加气体分子的激发、电离和离解过程，激发的亚稳态活性粒子多，反应性强。

本发明提供的微波装置漏场易于屏蔽，微波等离子体电子密度较高。不同形式的微波放电，能在低气压范围内实现稳定放电，而且在较低气压放电时产生的活性粒子不易复合、活性基寿命长，而且可通过合理设计在指定区域放电。

本发明提供的微波离子反应区内压力和微波功率能在很宽范围内进行调整，工艺调控性好，操作简单。

本发明提供的微波等离子激发方式是通过气体流量、微波放电功率、介质波导三者共同控制，降低了能源消耗。

本发明的微波诱导介质波导激发气体产生等离子体的方法中微波诱导放电是无电极放电，没有电极污染、而且微波激发等离子的程度可以通过对不同介质波导而改变，方式简单，能源消耗低、通过微波激发产生的等离子体稳定、存在时间长、且据有流动性，因而可在多个领域应用。

附图说明

图1为本发明提供的一种常温常压下利用微波激发气体产生等离子体的方法中实施例中微波激发氩气产生等离子示意图；

图2为本发明提供的一种常温常压下利用微波激发气体产生等离子体的方法中实施例中微波激发氮气产生等离子示意图；

图3为本发明提供的一种常温常压下利用微波激发气体产生等离子体的方法中实施例中微波激发氧气产生等离子示意图；

图4为本发明提供的一种常温常压下利用微波激发气体产生等离子体的方法中实施例中微波激发空气产生等离子示意图；

图5为本发明提供的一种常温常压下利用微波激发气体产生等离子体的方法中实施例中微波激发氩气产生等离子示意图；

图6为本发明提供的一种常温常压下利用微波激发气体产生等离子体的方法中实施例中微波激发氮气产生等离子示意图；

图7为本发明提供的一种常温常压下利用微波激发气体产生等离子体的方法中实施例中微波激发氧气产生等离子示意图；

图8为本发明提供的一种常温常压下利用微波激发气体产生等离子体的方法中实施例中微波激发氩气产生等离子示意图；

图9为本发明提供的一种常温常压下利用微波激发气体产生等离子体的方法中实施例中微波激发氮气产生等离子示意图；

图10为本发明提供的一种常温常压下利用微波激发气体产生等离子体的方法中实施例中微波激发氧气产生等离子示意图；

图11为本发明提供的一种常温常压下利用微波激发气体产生等离子体的方法中实施例中微波激发空气产生等离子示意图；

图12为本发明提供的一种常温常压下利用微波激发气体产生等离子体的方法中实施例中微波激发氩气产生等离子示意图；

图13为本发明提供的一种常温常压下利用微波激发气体产生等离子体的方法中实施例中微波激发氮气产生等离子示意图；

图14为本发明提供的一种常温常压下利用微波激发气体产生等离子体的方法中实施例中微波激发氧气产生等离子示意图；

图15为本发明提供的一种常温常压下利用微波激发气体产生等离子体的方法中实施例中微波激发空气产生等离子示意图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，通过以下具体实施方式，对本发明作详细描述。

本实施例公开了一种常温常压下利用微波激发气体产生等离子体的方法，具体地，在微波的作用下，通过介质波导材料激发出的高能带电粒子轰击气体分子，使得气体分子产生等离子体。

气体在微波电弧化炉中被激发为等离子体；

其中，微波电弧化炉包括炉体和对称设置在炉体两侧的磁控管；

炉体中设有一根前后贯通的石英管气路，石英管前后两端分别设有出气口和进气口；

气体分子通过进气口进入石英管气路被激发为等离子体，并于出气口排出；

将介质波导材料放置于石英管路中，并置于炉体内谐振腔的中心位置；

磁控管发出的微波作用在谐振腔中心的介质波导材料上，用以产生高能带电粒子。

具体地，本实施例中所述的介质波导材料为非金属材料。

比如，这里的介质波导体材料为石墨毡。

或者，介质波导体材料为聚四氟乙烯圆柱棒、石英玻璃棒和zsm-5分子筛中的任一种。

当然，本实施例中所述的介质波导体材料为活性炭颗粒。

所述介质波导体材料为石墨毡+钨极。

最后，应说明的是：实施例中的微波的功率为0-20kw；气体流量为1-20l/min。

当然，最好的微波功率为1-10kw；气体流量为2-10l/min。

应说明的是：这里的气体为氮气、氧气、空气和氩气中的任一种。

应说明的是：本实施例中磁控管发出的微波通过矩形波导器馈入谐振腔，在谐振腔中放入特定材料的介质波导体材料。由于微波的作用，介质波导材料在该条件下会激发出大量的高能带电粒子，这些带电粒子会继续轰击不同气体分子，进而产生大量活性高、稳定度强、据有流动性的等离子体。

这里的激发装置为微波电弧化炉，包括炉体含有两侧对称的微波源，炉中有一根前后贯通的密封非金属管气路，非金属管前后两端分别设有出气口，进气口。将所述介质波导材料放置于所述实验装置的封闭非金属管路中，并置于谐振腔的中心位置。所述实验装置工作时，磁控管发出的微波作用在谐振腔中心的介质波导材料上，在短时间内形成稳定的等离子体流，以达到良好的等离子激发的效果。

本文中的介质波导体材料可以简称为介质波导。

【实施例1】

本实施例考察利用微波诱导介质波导激发氩气产生等离子体，氩气流量为1l/min，微波功率为2kw。

由图1可以看出，在氩气气氛下，微波诱导活性炭激发出紫色闪电状的等离子体流，此等离子平稳、密度大、存在时间长。

【实施例2】

本实施例考察利用微波诱导介质波导激发氮气产生等离子体流，氮气流量为1l/min，微波功率为2kw。

由图2可以看出，在氮气气氛下，微波诱导活性炭激发出紫色火炬状等离子体流。此等离子稳定、密度大、存在时间长。

【实施例3】

本实施例考察利用微波诱导介质波导激发氧气产生等离子体，氧气流量为100ml/min，微波功率为2kw。

由图3可以看出，在氧气气氛下，微波诱导活性炭激发出黄色火炬状等离子体流，此等离子稳定、密度大、存在时间长。

【实施例4】

本实施例考察利用微波诱导介质波导激发空气产生等离子体，空气流量为1l/min，微波功率为2kw。

由图4可以看出，在空气气氛下，微波诱导活性炭激发出白色明亮等离子体流，此等离子稳定、密度大、存在时间长。

【实施例5】

本实施例考察利用微波诱导介质波导—聚四氟乙烯圆柱棒激发氩气产生等离子体，氩气流量为1l/min，微波功率为2kw。

由图5可以看出，在氩气气氛下，微波诱导常温、常压下可在微波的诱导下激发氩气产紫色闪电弧状离子体，此等离子安静、平稳、密度大、能量高、存在时间长。

【实施例6】

本实施例考察利用微波诱导介质波导—石英玻璃棒激发氩气产生等离子体，氩气流量为1l/min，微波功率为2kw。

由图6可以看出，在氮气气氛下，微波诱导石英玻璃棒激发出紫色闪电弧状等离子体，在石英玻璃棒前端伴有明显火炬状等离子体流。此等离子安静、平稳、密度大、能量大、存在时间长。

【实施例7】

本实施例考察利用微波诱导介质波导—zsm-5分子筛激发氩气产生等离子体，氩气流量为1l/min，微波功率为1kw。

由图7可以看出，在氩气气氛下，微波诱导zsm-5分子筛激发出产生白色闪电弧状等离子体，此等离子安静、平稳、密度大、存在时间长，能量大。

【实施例8】

本实施例考察利用微波诱导介质波导激发氩气产生等离子体，氩气流量为1l/min，微波功率为2kw。

由图8可以看出，在氩气气氛下，微波诱导石墨毡激发出蓝色火炬型等离子体流，此等离子安静、平稳、密度大、存在时间长，且可随气流的方向传播。

【实施例9】

本实施例考察利用微波诱导介质波导激发氮气产生等离子体流，氮气流量为1l/min，微波功率为2kw。

由图9可以看出，在氮气气氛下，微波诱导石墨毡激发出紫色明亮火炬型等离子体流，此等离子安静、平稳、密度大、存在时间长，且可随气流的方向传播。

【实施例10】

本实施例考察利用微波诱导介质波导激发氧气产生等离子体，氧气流量为100ml/min，微波功率为2kw。

由图10可以看出，在氧气气氛下，微波诱导石墨毡激发出橙色明亮火炬型等离子体流，此等离子安静、平稳、密度大、存在时间长，且可随气流的方向传播。

【实施例11】

本实施例考察利用微波诱导介质波导激发空气产生等离子体，空气流量为1l/min，微波功率为2kw。

由图11可以看出，在空气气氛下，微波诱导石墨毡激发出暗橙白色火炬型等离子体流，此等离子安静、平稳、密度大、存在时间长，且可随气流的方向传播。

【实施例12】

本实施例考察利用微波诱导介质波导激发氩气产生等离子体，氩气流量为1l/min，微波功率为2kw。

由图12可以看出，在氩气气氛下，微波诱导钨极辅助石墨毡激发出闪电状且带有黄色光晕的等离子体，此等离子安静、平稳、密度大、存在时间长，且钨极中心放电最强。

【实施例13】

本实施例考察利用微波诱导介质波导激发氮气产生等离子体流，氮气流量为1l/min，微波功率为2kw。

由图13可以看出，在氮气气氛下，微波诱导钨极辅助石墨毡激发出橙黄色光晕状等离子体，此等离子安静、平稳、密度大、存在时间长，且钨极中心放电最强。

【实施例14】

本实施例考察利用微波诱导介质波导激发氧气产生等离子体，氧气流量为100ml/min，微波功率为2kw。

由图14可以看出，在氧气气氛下，微波诱导钨极辅助石墨毡激发出橙红色光晕状等离子体，此等离子安静、平稳、密度大、存在时间长，且钨极中心放电最强。

【实施例15】

本实施例考察利用微波诱导介质波导激发空气产生等离子体，空气流量为1l/min，微波功率为2kw。

由图15可以看出，在空气气氛下，微波诱导钨极辅助石墨毡激发出产生血红色光晕状等离子体此等离子安静、平稳、密度大、存在时间长，且钨极中心放电最强。

以上所述发明仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域内的技术人员来说，本发明可以有各式变化。但凡在本发明精神和原则之内，所做的任何更改、等同替换、改进等，均应在本发明的保护范围之内。