专利名称：一种大气压微波等离子体炬装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于等离子体发生设备领域，更具体地，涉及一种大气压微波等离子体炬装置。
背景技术：
等离子体是物质存在的第四态，由气体电离之后形成的包括电子、离子、原子、分子或自由基等粒子的集合体，由于它具有电中性和高导电性，能够使得通常条件下难以进行或速度很慢的反应变得快速，因此适用于材料的制备加工等方面，尤其适用于难消解污染物的处理。等离子体的产生方法通常包括电极间放电、电感耦合、微波放电、热激发等。对于微波放电方式而言，其工作原理是将电磁场能量传输并压缩到喷嘴处激发产生，因此喷嘴处的电场强度对激发等离子体炬起着至关重要的作用。目前常规的微波等离子体炬装置主要包括微波功率单元、微波传输单元和喷嘴等构件。其中微波功率单元由一定主频的微波连续功率源及磁控管构成，磁控管将直流电场中取得的直流能量转换成微波能量并输出到微波传输单元；微波传输单元通常采用波导的形式，用于传输微波，并可通过短路活塞来调节微波的电场强度分布；喷嘴需要插入在电场最强处，从而尽量减小微波源的反射功率，并有效激发等离子体炬。微波等离子体炬在低气压譬如几百帕至I千多帕下往往容易激发，而在较高气压譬如I个大气压时，则需要很高的微波场强才能产生放电，为了在大气压下产生微波等离子体，就需要使用较大的功率(1000W以上，例如4000W)的微波，而且往往要在激发装置的适当位置安装点火器或引燃极，才能产生初始放电，再过渡到整个火炬的形成。对于这种能够在大气压下产生微波等离子体的装置也即大气压微波等离子体炬装置，由于它不需要配置和维护昂贵的真空设备，而且能够应用于连续化加工使得大规模生产成为可能，因此广泛应用于焊接、喷涂和材料合成等领域。然而，现有技术中的大气压微波等离子体炬装置的不足之处主要在于:1、目前的大气压微波等离子体炬装置用于激发和维持的结构复杂，放电效率不高，相应增加了成本；2、所采用的微波源往往功率较大，相应造成耗能问题；3、对于某些特定的等离子体应用场合例如生物样品处理，往往需要在处理后不丧失生物活性，因此需要能够在大气压下获得相对而言密度大、温度低、活性高的等离子体。相应地，在相关领域中存在着对大气压微波等离子体炬装置作出进一步改进的技术需求。
实用新型内容针对现有技术的以上缺陷和/或技术需求，本实用新型的目的在于提供一种大气压微波等离子体炬装置，其通过对其关键构件的结构及形状的设计，能够在低功率、普通大气压的条件下产生密度大、活性高、温度低的等离子体，并且整体装置结构紧凑，运行稳定，并具备放电效率高、便于精确控制点火等优点。按照本实用新型，提供了一种大气压微波等离子体炬装置，该装置包括微波功率单元、波导和喷嘴，其特征在于:所述微波功率单元用于将直流电场中取得的直流能量转换成微波能量，并输出至波导；所述波导呈两端宽、中间窄的对称结构，其一端与微波功率单元相连用于引导传输入射的微波，另外一端设置有短路活塞，并通过该短路活塞的滑动来控制电场强度的分布；所述喷嘴沿着竖直方向插入在波导的中央位置，其一端通过软管与装有介质气体的气瓶相连，另外一端用于介质气体在放电后产生等离子体炬。作为进一步优选地，所述喷嘴包括竖直贯穿波导中央位置的中空石英玻璃管、设置在该中空石英玻璃管外侧且位于波导上侧的金属套筒，以及同轴设置在该中空石英玻璃管内部的内导体。作为进一步优选地，所述微波功率单元包括微波连续源和磁控管，其中微波功率源的频率为2.45GHz，功率在1000W以下。作为进一步优选地，所述微波功率源的功率为20W 900W。作为进一步优选地，所述介质气体为氩气、氮气或氧气。作为进一步优选地，所述同轴设置在中空石英玻璃管内部的内导体为铜丝。总体而言，按照本实用新型的大气压微波等离子体炬装置与现有技术相比，主要具备以下的技术优点:1、通过对作为关键构件的波导和喷嘴的结构及形状的设计，所形成的微波等离子体炬装置能够以简单紧凑的构造在大气压下实现等离子体炬的激发和维持，特别是可以采用较低功率的微波源即可运行；2、该装置发热量低，便于节能，不需要真空设备，并能产生密度大、活性高、温度低，可以与人体直接接触的等离子体炬，因此适于进行气相化学反应、废气回收、元素分析等领域，尤其在处理生物样品时也不会使其丧失生物活性；3、所产生的等离子体呈丝状放电，放电效率高，并且能够精确地控制点火；而传统火花塞点火是基于电弧放电产生热平衡等离子体来点燃油气混合物的，电弧放电只有一条放电通道，不可能均匀快速点燃燃料，容易产生有害废气和热损失。相比而言，微波丝状放电更节能环保、更有效率，可以达到大体积均匀点火、快速燃烧和减少废气危害物的目的。
图1是按照本实用新型优选实施例的大气压微波等离子体炬的结构示意图；图2是图1中所示大气压微波等离子体炬的改进波导的结构示意图；图3是图1中所示大气压微波等离子体炬的改进喷嘴的结构示意图。在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中:1-微波功率单元2-波导3-喷嘴4-微波输入口 5-短路活塞6_中空石英玻璃管7-金属套筒8-内导体
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，
以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。图1是按照本实用新型优选实施例的大气压微波等离子体炬的结构示意图。如图1中所示，按照本实用新型优选实施例的大气压微波等离子体炬主要包括微波功率单元1、波导2，以及设置在波导2特定位置的喷嘴3。微波功率单元I包括微波连续源和磁控管，其中微波功率源的频率为2.45GHz，功率在1000W以下，磁控管用于将直流电场中所取得的直流能量最大限度地转换成微波能量，并通过微波输入口 4输出至波导2。波导2的一端(图中所示为左端)与微波功率单元I相连用于引导传输入射的微波，另外一端(图中所示为右端)设置有短路活塞5，并通过该短路活塞5的滑动来控制电场强度的分布尤其是喷嘴3处的电场强度。在波导2的中央位置也即通过调整后电场强度最大的位置，上下开孔并安装有喷嘴3。该喷嘴3的一端通过软管与装有介质气体的气瓶相连，另外一端用于气体介质在放电后于大气压状态下产生等离子体炬。图2是图1中所示大气压微波等离子体炬的波导的结构示意图。如图2中所示，作为本实用新型的改进之一，本实用新型中的波导2呈两端宽、中间窄的对称结构。例如，处于图2中左端的部分呈减缩的锥形管结构，右端部分正好相反，中间部分则直径相等。通过对波导结构上的以上设置，便于将入射的微波集中进入到喷嘴开口处，进而能够建立更高强度的电场分布。图3是图1中所示大气压微波等离子体炬的喷嘴的示意图。如图1和图3中所示，喷嘴3的设置位置处于波导2的中央位置处，该位置也即所建立的电场分布中电场强度最大的地点所在。通过将喷嘴3设定在该电场强度最大处，能够使得在大气压状态下更容易地放电激发和维持等离子体，由此在一定程度上可以降低微波源的工作功率。此外，另外的技术改进在于，具体参见图3，喷嘴3包括通过波导2的上下开孔得以竖直贯穿波导2的中空石英玻璃管6、设置在石英玻璃管6外侧并位于波导上侧的金属套筒7，以及同轴设置在石英玻璃管6内部的内导体8。由于微波会在金属套筒7与内导体8之间来回反射并形成共振，这样可以避免不必要的减耗，并使得微波能够最大程度地耦合并建立更高强度的电场，进而易于在大气压状态下激发放电。通过以上对波导和喷嘴的结构及形状上的设计改进，能够在无需任何点火器或引燃极的情况下，即可激发和维持大气压下的等离子体炬；此外，微波的损耗低，这样可以大大降低所需的微波功率，提高转换效率。较多的试验测试证明，所产生的等离子体呈丝状放电，放电效率高，并且能够精确地控制点火。此外，该等离子发生装置能够在大气压下产生密度大、活性高、温度低，可以与人体直接接触的等离子体炬，其能量利用率高，尤其在处理生物样品时也不会使其丧失生物活性。本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种大气压微波等离子体炬装置，该装置包括微波功率单元(I)、波导(2)和喷嘴(3)，其特征在于: 所述微波功率单元(I)用于将直流电场中取得的直流能量转换成微波能量，并输出至波导(2)； 所述波导(2)呈两端宽、中间窄的对称结构，其一端与微波功率单元(I)相连用于引导传输入射的微波，另外一端设置有短路活塞(5)，并通过该短路活塞的滑动来控制电场强度的分布； 所述喷嘴(3)沿着竖直方向插入在波导(2)的中央位置，其一端通过软管与装有介质气体的气瓶相连，另外一端用于介质气体在放电后产生等离子体炬。
2.如权利要求1所述的大气压微波等离子体炬装置，其特征在于，所述喷嘴(3)包括竖直贯穿波导(2)中央位置的中空石英玻璃管(6)、设置在该中空石英玻璃管外侧(6)且位于波导(2)上侧的金属套筒(7)，以及同轴设置在该中空石英玻璃管(6)内部的内导体(8)。
3.如权利要求1或2所述的大气压微波等离子体炬装置，其特征在于，所述微波功率单元(I)包括微波连续源和磁控管，其中微波功率源的频率为2.45GHz，功率在IOOOW以下。
4.如权利要求3所述的大气压微波等离子体炬装置，其特征在于，所述微波功率源的功率为20W 900W。
5.如权利要求3所述的大气压微波等离子体炬装置，其特征在于，所述介质气体为氩气、氮气或氧气。
6.如权利要求3所述的大气压微波等离子体炬装置，其特征在于，所述同轴设置在中空石英玻璃管(6)内部的内导体(8)为铜丝。
专利摘要本实用新型公开了一种大气压微波等离子体炬装置，该装置包括微波功率单元、波导和喷嘴，其中所述微波功率单元用于将直流电场中取得的直流能量转换成微波能量，并输出至波导；所述波导呈两端宽、中间窄的对称结构，其一端与微波功率单元相连用于引导传输入射的微波，另外一端设置有短路活塞；所述喷嘴沿着竖直方向插入在波导的中央位置，其一端通过软管与装有介质气体的气瓶相连，另外一端用于介质气体在放电后产生等离子体炬。通过本实用新型，能够在低功率、普通大气压的条件下产生密度大、活性高、温度低的等离子体，并且整体装置结构紧凑，运行稳定，并具备放电效率高、便于精确控制点火等优点。
文档编号H05H1/30GK202979451SQ20122066918
公开日2013年6月5日 申请日期2012年12月6日 优先权日2012年12月6日
发明者刘明海, 周启燕, 陈兆权, 程莉莉, 腾云, 郑振 申请人:华中科技大学