CN101378615A

CN101378615A - 一种微波等离子体火炬波导激励腔

Info

Publication number: CN101378615A
Application number: CNA2008100462679A
Authority: CN
Inventors: 童玲; 陈彦; 张兆镗; 高博
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2008-10-13
Filing date: 2008-10-13
Publication date: 2009-03-04

Abstract

一种微波等离子体火炬波导激励腔，属于微波等离子火炬激励技术领域，涉及高压强下，无内置点火器的大气微波等离子火炬(APT)激励腔。该激励腔由三段波导及一带孔金属膜片和一短路板组成。本发明通过压缩波导窄边高度和构成TE₁₀₃型谐振腔的双重提高放电区的微波场强措施，从而不仅省去了点火器或引燃极，而且也大大提高了微波功率的利用率即微波放电的转换效率。本发明在不采用任何点火器或引燃极的情况下，采用较小的微波功率，就能借助此激励腔能激发起大气压强下的微波等离子火炬(APT)，装置结构简单，转换效率高，火炬电子温度及电子密度高，工作稳定。本发明可应用于诸多微波工业应用技术领域，尤其是作为各种锅炉内燃烧体的点火器之用。

Description

一种微波等离子体火炬波导激励腔

技术领域

本发明属于微波等离子火炬激励技术与装置领域，特别涉及高压強下，无内置点火器的大气微波等离子火炬(APT)激励腔的设计与使用。

背景技术

微波等离子体是一种无极放电的高电子密度和温度的准平衡的低温等离子体，它与直流，射频等离子体相比，具有很多优点和特殊性，因此近十余年来，获得了极其广泛的应用，尤其在微电子技术，新材料制备与合成，航天技术，化学化工，废物处理、金属提练、包装材料及制药业，薄膜沉积、等离子体聚合、微电路制造到焊接、工具硬化、超微粉的合成、等离子体喷涂、等离子体冶金、等离子体化工。而作为微波等离子体火炬的应用也在不断扩展，如环境保护，生化战争中的物质分析，表面处理与喷塗，消毒，焊接与切割，各种锅炉内燃烧体的点火等技术领域。

在微波工业应用领域中，目前国内外多采用915MHz和2450MHz两个频段的微波，而尤其是后者使用得更为普遍，因为功率等级齐全，价格低廉，尺寸较小。对于微波放电来说，在低气压下例如几百帕至1千多帕是最易激发的，其微波场強在2450MHz时约为200v/cm，而在高气压如1个大气压时，要产生放电的微波场強就超过了3×10⁴v/cm，两者相差两个数量级之多。因此，为了在大气压強(≥10⁵帕)下能产生微波等离子体火炬(APT)，就需要较大的微波功率。故通常采用一端短路，而另一端开路的四分之一同轴谐振腔，或一段压缩波导形成的驻波场，藉以提高放电位置上的微波电场，这些激发装置往往需要在适当位置安装点火器或引燃极，才能在一定的微波功率下，产生初始放电，再过渡到整个火炬的形成，这就使整个装置结构复杂化，并增加了成本。

发明内容

如何设计微波波导激励腔，就能够在不花费太大的微波功率，且无任何点火器或引燃极的情况下，激励大气压强(≥10⁵帕)的空气产生等离子体火炬，是本发明所要解决的技术问题。

本发明的基本思路是通过设计一高品质因数(高Q_o值)的放电室作为等离子体的激励腔，由于谐振腔内谐振时电场的倍增效应，就能在无需任何点火器或引燃极的情况下，激发大气压强(≥10⁵帕)下空气等离子火炬(APT)的产生与形成。高Q_o腔内微波损耗低，谐振时的微波场強要比行波或驻波状态下的电场強得多，这样就大大节省了所需的微波功率，从而提高了转换效率。

本发明的技术方案如下：

一种微波等离子体火炬波导激励腔，包括三段固定连接的矩形波导，每段矩形波导的长度均为二分之一波导波长，第一段矩形波导2的宽边长为a，窄边长为b；第二段矩形波导3为渐变矩形波导，与第一段矩形波导相连的始端的宽边长为a、窄边长为b，与第三段矩形波导4相连的终端的宽边长为a、窄边长为b₁，且b₁<b；第三段矩形波导4为高度压缩的矩形窄波导，宽边长为a、窄边长为b₁。

第一段矩形波导2始端通过波导法兰盘1固定连接有一中间开孔的金属膜片5。第三段矩形波导的终端为封闭的金属短路板6。第三段矩形波导4宽边的上下两面中心线上各开有一圆孔，上端圆孔上方固定连接有窄波导顶部圆筒7，下端圆孔下方固定连接有窄波导底部同轴线外导体8，同轴线外导体8底部为中心开孔的短路板。窄波导底部同轴线外导体8底部侧壁具有切向气流入口12，窄波导底部同轴线外导体8沿中心轴线方向通过底部短路板的中心孔放置有中空的同轴线内导体9，同轴线内导体9顶端为金属喷嘴10，金属喷嘴10位于第三段矩形波导4中心下端圆孔处。窄波导顶部圆筒7和窄波导底部同轴线外导体8中放置有一石英玻璃管11。

如图2所示，微波等离子体火炬渐变波导激励腔工作时，微波源从第一段矩形波导2始端金属膜片5的开孔处馈入。在三段波导中均传输TE₁₀波，由于始端膜片及终端短路板的作用，于是形成了封闭的TE₁₀₃模式的谐振腔，加上第三段波导的高度变窄，因此，在此双重作用下，位于第三段波导终端四分之一波长处，的微波场强要比非谐振状态下的场強大大地提高了。该处电磁仿真计算表明，该处的微波场強是整个谐振腔内最高的地方，这有利于大气进入后的微波击穿引发的持续放电，从而形成稳定的等离子体火炬。第三段波导下面的同轴线段在与波导底边连接处，处于同轴线段电压驻波的波腹处，其内外导体间的微波场強最強，因此，无需任何点火器或引燃极即能在该处产生初始电离并放电，从而过渡到石英管内等离子体火炬的产生与形成。

需要说明的是：1、石英玻璃管11提供等离子体火炬产生并维持的空间，同时放置过高的等离子体火炬烧坏波导激励腔；2、同轴线内导体9中开有一定孔径的通孔，以提供空气从尾端送入，前端作为气流的金属喷嘴之用；3、在同轴线外导体8底部沿圆周切线方向开有2至4个小孔，以便从这些切向孔中送入切向涡旋气流，使等离子体火炬保持稳定并远离石英管壁；4、在金属短路板6上可开3至5个观察孔13，观察孔13同时可用作等离子体火炬温度测试孔。

本技术方案的最大特点是：通过压缩波导窄边高度和构成TE₁₀₃型谐振腔的双重提高放电区的微波场強措施，从而不仅省去了点火器或引燃极，而且也大大提高了微波功率的利用率即微波放电的转换效率。本发明在不采用任何点火器或引燃极的情况下，采用较小的微波功率，就能借助此激励腔能激发起大气压强(≥10⁵帕)下的微波等离子火炬(APT)，装置结构简单，转换效率高，火炬电子温度及电子密度高，工作稳定。

附图说明

图1为本发明的微波等离子体火炬波导激励腔的结构侧视剖面简图。

图2为本发明的微波等离子体火炬波导激励腔的工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图1和实施案例对本发明作进一步的说明。

本发明的实施案例结构简图如图1所示，其中包括波导法兰盘1，第一段矩形波导2，第二段矩形渐变波导3，第三段高度压缩窄波导4，带孔金属膜片5，金属短路板6，窄波导顶部圆筒7，窄波导底部同轴线外导体8，窄波导底部同轴线内导体9，金属喷嘴10，石英玻璃管11，底部切向气流入口12，在短路板中心位置上的观察孔13，产生的等离子体火炬14。

本实施案例的各部分具体参数尺寸说明如下：

本施案例是根据微波源的工作频率为2450MHz设计的，采用S波段BJ26标准矩形波导，其波导内壁尺寸为：a＝86.4mm，b＝43.2mm；波导采用高电导率纯铜制成，内表面要求光洁度极高，加工完成后，内表面镀银，以提高谐振腔的固有品质因数(Q_o值)。三段波导的长度均为半个波导波长即86.2mm；第一段矩形波导2由于存在帶孔膜片5，因金属膜片5具有感性电纳分量，因此根据金属膜片5中圆孔直径大小(20至25mm)需要对第一段矩形波导2的长度作相应的调整，并应缩短3至8mm；高度压缩矩形窄波导4的高度b₁＝8至20mm；石英管11中心离终端短路板6的距离为43mm；石英管11的内径可选择＝10至30mm；底部同轴线8的轴向长度约为30mm；观察孔13直径为3mm，数量为3至5个，顶部圆筒7起着截止圆波导作用，防止微波功率从此处漏出。

在本激励腔法兰盘1前方应连接BJ26的其它波导元件，如三销钉调配器，环行器，定向耦合器等，这些都是标准的常规元件，不属于本发明的组成部分。

本实施案例的工作原理为:由微波振荡源(工作频率f_o＝2450MHz)输出的微波功率(1.5kW)，经检测及控制元件后进入本发明的激励腔法兰盘1，微波经金属膜片5的中心圆孔进入第一段矩形波导2，然后向第二段矩形渐变波导3传输，再继续向第三段高度压缩矩形窄波导4传输，当微波抵达终端金属短路板6后产生全反射，然后逆向从第三段波导向第二第一段波导方向传输，直至到达帶孔膜片5，部分功率从孔中漏出，但大量微波功率却从膜片5产生反射，于是又向第一、第二、第三波导方向传输，当三段波导总长度满足半波长整数倍时，即能满足谐振条件，从而产生谐振，本案例的半波长数为n＝3，因此谐振模式为TE₁₀₃。谐振时，石英玻璃管中心线上的场強最大，处于谐振后的驻波波腹位置，如图2所示。当空气或氮气从金属喷嘴10中喷出时，就会在喷嘴附近产生初始电离，从而由于雪崩效应在石英管内产生并形成等离子体火炬14。火炬形成后，从激励腔反射的功率很小，同时维持火炬的微波功率也可大大降低，这与理论分析相符。在上述功率下可产生长为20cm以上的火炬，温度在3000k以上。

上述案例仅为举例说明应用的个案，凡依据本发明所述结构的其它频段，如L波段，S波段，C波段，X波段，或同一频段的不同波导尺寸如BJ22等的各种具体尺寸的激励腔均属于本发明所要求保护的范围。

Claims

1、一种微波等离子体火炬波导激励腔，包括三段固定连接的矩形波导，每段矩形波导的长度均为二分之一波导波长，第一段矩形波导(2)的宽边长为a，窄边长为b；第二段矩形波导(3)为渐变矩形波导，与第一段矩形波导相连的始端的宽边长为a、窄边长为b，与第三段矩形波导(4)相连的终端的宽边长为a、窄边长为b₁，且b₁<b；第三段矩形波导(4)为高度压缩的矩形窄波导，宽边长为a、窄边长为b₁；

第一段矩形波导(2)始端通过波导法兰盘(1)固定连接有一中间开孔的金属膜片(5)；第三段矩形波导的终端为封闭的金属短路板(6)；第三段矩形波导(4)宽边的上下两面中心线上各开有一圆孔，上端圆孔上方固定连接有窄波导顶部圆筒(7)，下端圆孔下方固定连接有窄波导底部同轴线外导体(8)，同轴线外导体(8)底部为中心开孔的短路板；窄波导底部同轴线外导体(8)底部侧壁具有切向气流入口(12)，窄波导底部同轴线外导体(8)沿中心轴线方向通过底部短路板的中心孔放置有中空的同轴线内导体(9)，同轴线内导体(9)顶端为金属喷嘴(10)，金属喷嘴(10)位于第三段矩形波导(4)中心下端圆孔处。

2、根据权利要求1所述的微波等离子体火炬波导激励腔，其特征在于，所述第三段高度压缩矩形窄波导(4)的顶部圆筒(7)和底部同轴线外导体(8)中放置有一石英玻璃管(11)。

3、根据权利要求1所述的微波等离子体火炬波导激励腔，其特征在于，在所述同轴线外导体(8)底部沿圆周切线方向开有2至4个小孔，以便从这些切向孔中送入切向涡旋气流，使等离子体火炬保持稳定并远离石英玻璃管壁。

4、根据权利要求1所述的微波等离子体火炬波导激励腔，其特征在于，在所述金属短路板(6)上开有3至5个观察孔(13)，观察孔(13)同时可用作等离子体火炬温度测试孔。

5、根据权利要求1所述的微波等离子体火炬波导激励腔，其特征在于，所述三段矩形波导采用纯铜制成，内表面镀银。

6、根据权利要求1至5所述的微波等离子体火炬波导激励腔，其特征在于，所述三段矩形波导采用S波段BJ26标准矩形波导，长度为86.2毫米；其中，第一段矩形波导(2)宽边长a＝86.4毫米，窄边长b＝43.2毫米；第二段矩形渐变波导(3)始端宽边长a＝86.4毫米，窄边长b＝43.2毫米；第二段矩形渐变波导(3)终端宽边长a＝86.4毫米，窄边长b₁＝8至20毫米；第三段高度压缩矩形窄波导(4)宽边长a＝86.4毫米，窄边长b₁＝8至20毫米；金属膜片(5)中心圆孔直径为20至25毫米；根据金属膜片(5)中心圆孔直径大小对对第一段矩形波导(2)的长度作相应的调整，并应缩短3至8毫米。