CN101123844B

CN101123844B - 微波等离子体反应腔

Info

Publication number: CN101123844B
Application number: CN2007101216569A
Authority: CN
Inventors: 刘亮; 张贵新; 冯剑
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2007-09-12
Filing date: 2007-09-12
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2027-09-12
Also published as: CN101123844A

Abstract

本发明涉及微波等离子体反应腔，属于微波等离子体激发技术领域，包括：空心圆柱形主腔体、空心圆柱形过渡腔、渐变波导、石英玻璃片和拉杆；该主腔体前端与该过渡腔相连通，该过渡腔前端与该渐变波导相连，在渐变波导与过渡腔之间，放置石英玻璃片，该拉杆从主腔体后端插入主腔体内，用于调节主腔体的长度。本发明可在高气压下不同频率的微波输入下，获得空气等离子体；该腔体耗能低、微波转换效率高。

Description

微波等离子体反应腔

技术领域

本发明属于微波等离子体激发技术领域，特别涉及高气压下(>10⁴Pa)微波等离子体反应腔体的设计。

背景技术

等离子体在新材料、微电子等工业和生物研究等领域有很强的实用价值，特别是利用微波激发等离子体的方式，相对其它的等离子体激发方式而言，等离子体的存在空间较大，带电粒子密度较高，在高气压环境下(>10⁴Pa)相对均匀，有很大的应用拓展空间。

目前，普通的微波等离子体反应腔一般采用单一或混合的微波模式使等离子体团产生于不同腔体的内部，由于设计结构的不同，产生的等离子体的形态也不同，但其性质基本类似。在较低气压条件下(<10⁴Pa)，由于微波等离子体激发较易，即便反应腔转换效率较低，耗能情况也不明显，因此普通的微波反应腔可以得到有效应用。但在高气压条件下(>10⁴Pa)，气体激发所需电场强度较高，普通的反应腔由于微波电场形成效率低，需要消耗很高的能量才能形成等离子体，经济性差。而相对耗能较低的微波等离子体炬方法，获得的高气压下的等离子体往往为火焰状，体积较小，应用范围有限。因此，研制一种高效率、低耗能、能在高气压下获得较多体积等离子体的微波反应腔，无疑具有重要的学术和应用意义。

发明内容

本发明的目的是为克服现有微波等离子体反应腔的不足，设计出一种微波等离子体反应腔，可在高气压下不同频率的微波输入下，获得空气等离子体；该腔体耗能低、微波转换效率高。

本发明的技术方案如下：包括：空心圆柱形主腔体、空心圆柱形过渡腔、渐变波导、石英玻璃片和拉杆；该主腔体前端与该过渡腔相连通，该过渡腔前端与该渐变波导相连，在渐变波导与过渡腔之间，放置石英玻璃片，该拉杆从主腔体后端插入主腔体内，用于调节主腔体的长度。

本发明的特点及有益效果：

本发明反应腔体适用于各种频率的微波功率源，采用本发明反应腔的微波传输的模式变化为：功率源输出微波经矩形波导以TE₁₀模式传输，经过方圆转换波导和渐变波导后，以圆波TE₁₁模式进入过渡腔。由于石英玻璃片的耦合作用，在过渡腔内TE₁₁模式微波波长缩小，有助于在进入主腔体后造成电场叠加。微波进入主腔体后，在腔内形成近似于TE₁₃模式的混合模。该种混合模的电场叠加效应极其显著，经过测算，腔体内可形成极高的电场强度，且高场强区域范围较大，易激发形成等离子体团。

在较低的功率输入下，腔内可形成较高的微波电场，促使气体激发形成等离子体。该反应腔耗能较低，在大气压下即可将空气顺利激发，形成等离子体团，有较好的应用前景。

附图说明

图1为本发明的反应腔实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本项发明作进一步说明。

本发明的实施例结构如图1所示，包括：空心圆柱形主腔体1、空心圆柱形过渡腔8、渐变波导6、石英玻璃片7和拉杆4；该主腔体两端用上法兰9和下法兰10密封固定，且其前端通过上法兰9与该过渡腔8连通，该过渡腔8前端与该渐变波导6相连，在渐变波导6与过渡腔8之间，放置石英玻璃片7，该拉杆4从主腔体后端插入主腔体内，用于改变主腔体内的容积。在主腔体1的壁上开有四个对称的观察孔2。另外，在上下法兰处各设置了两个进(出)气孔。

本实施例的各部分的具体参数详细说明如下：

本实施例是根据2.45GHz的频率设计的尺寸，反应腔一般选用对微波吸收很少的铜制造。

所述主腔体的内径在150mm±5％的范围内，壁厚6mm以上，腔体长度(指圆盘天线与上法兰的距离)的变化与实际输入的微波频率有关，可以通过主腔内等直径的圆盘天线调节，对于2.45GHz的微波输入，长度一般不小于248mm。

该圆柱形过渡腔的内径在160mm±5％的范围内，长度约为85～90mm。

所述圆台渐变波导的内径逐渐由160mm±5％递减为120mm±5％。该圆台的长度一般不小于100mm。

所述石英玻璃片的直径一般为170mm左右，其作用主要为耦合微波以及密封主腔体。考虑到对一个大气压的承受能力，该玻璃片厚度在8mm以上。

在渐变波导的前端，为适用于2.45GHz微波传输的标准方圆转换波导，在该波导前端，为标准WR430矩形波导以及相应的监测和保护调节等微波器件(这些部件为常规部件，不属于本发明的组成部分)。

本实施例的工作原理为：渐变波导6前端与标准方圆转换波导相连，2.45GHz的微波经过传输首先进入渐变波导6。再通过石英玻璃片7和过渡腔8的共同作用，进入主腔体1。主腔体的上法兰9与过渡腔焊死。整个腔体用橡皮圈密封。腔体下法兰10安置有拉杆4和密封盖5，支撑可用于调节的圆盘天线3。工作气体的进出可通过上下法兰的气嘴完成。在主腔体上，安置有四个对称的观察孔，用于观察腔内等离子体的现象，观察孔用玻璃片密封。如微波功率源传输的微波频率在2.45GHz，则需调节腔体长度在250mm左右，若频率有一定偏差，但小于50MHz，腔体长度的范围一般在230～270mm间，具体长度需根据频率进行调节。腔体长度调节合适后，加入相对普通反应腔较小的微波功率，即可激发等离子体。

应用本实施例的反应腔，在微波输入3kW、一个大气压的环境中，得到了空气等离子体团，其直径大小约在6cm左右，该团可以稳定维持，形成的具体位置如图1所示，与电脑仿真计算得到的电场强度最大值区域对应。

本发明的各部分的具体尺寸，是随微波传输的频率不同而不同。具体尺寸可通过电磁学理论估算并借助专业软件仿真优化，属于常规技术，本实施例给出的具体尺寸仅作为举例说明而已，因此，凡依据本发明的所述结构的各种具体尺寸的反应腔均属于本发明所要求保护的范围。

Claims

1.一种微波等离子体反应腔，其特征在于，该反应腔包括：空心圆柱形主腔体、空心圆柱形过渡腔、圆台渐变波导、石英玻璃片和拉杆；该空心圆柱形主腔体内径在150mm±5％的范围内，壁厚6mm以上，腔体长度不小于248mm；该空心圆柱形过渡腔内径在160mm±5％的范围内，长度为85～90mm；该圆台渐变波导内径逐渐由160mm±5％递减为120mm±5％；该圆台的长度不小于100mm；该石英玻璃片的直径为170mm左右，厚度在8mm以上；该主腔体前端与该空心圆柱形过渡腔相连通，该空心圆柱形过渡腔前端与该圆台渐变波导相连，在圆台渐变波导与空心圆柱形过渡腔之间，放置石英玻璃片，该拉杆从主腔体后端插入主腔体内，用于调节主腔体的长度。

2.如权利要求1所述的反应腔，其特征在于，还包括：用于密封固定该主腔体两端的上、下法兰；在该上法兰处设置了两个进气孔和在该下法兰处设置了两个出气孔。

3.如权利要求1所述的反应腔，其特征在于，还包括：在主腔体的壁上开有观察孔。