CN101662880A - 利用低电功率生成等离子体的便携式微波等离子体生成器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种在大气压力下能够利用低电功率生成等离子体的小型便携式微波等离子体生成器，其包括同轴电缆，外导体，连接导体以及连接部。同轴电缆包括第一内导体和环绕第一内导体的介电材料。外导体环绕同轴电缆。连接导体包括至少一个进气管。连接导体在同轴电缆的一端电连接于第一内导体和外导体之间。连接部包括穿过外导体并连接于第一内导体的第二内导体。

Description

利用低电功率生成等离子体的便携式微波等离子体生成器

技术领域

本发明涉及一种等离子体生成器，更具体地涉及一种能够利用低电功率生成等离子体的小型微波等离子体生成器。

背景技术

等离子体焰炬是从其喷嘴生成定流向的等离子体的装置。等离子体射流可用于熔化固体，或蒸发固体或液体，或加热气体，从而在恒量和熵的条件下增加封闭热力学系统中的焓。

通常装备有磁控管的常规微波等离子体生成器需要消耗100瓦以上的能量进行操作。装备有矩形波导器的常规微波等离子体生成器携带起来十分笨重。装备有天线形释放管的同轴微波等离子体焰炬可以代替常规微波等离子体生成器，但还是体积过大不便携带。

现在使用的常规微波等离子体生成器利用各种类型的电功率源在大气压下生成等离子体。大量的研究投入在开发出这样一种微波等离子体生成器，该生成器通过利用900兆赫兹或2.45千兆赫兹频率的微波、利用低电功率、在没有热效应的情况下生成等离子体。

全球的研究都已集中在生物医学领域应用等离子体。美国食品及药物管理局已经核准了在人类皮肤上的皱纹和斑点的医学治疗中使用微波等离子体生成器。在大气压下消耗少于5瓦能量的便携式微波等离子体生成器的发展将扩展其应用到癌症治疗、牙科护理、美容处理、消毒、凝固、杀菌、空气净化等领域。

发明内容

因此，本发明的一个方面是提供一种能够在大气压力下利用低电功率生成等离子体的小型便携式微波等离子体生成器。

根据本发明的一个方面，提供了一种能够利用低电功率生成等离子体的便携式微波等离子体生成器。所述生成器包括同轴电缆、外导体、连接导体以及连接部。同轴电缆包括第一内导体以及环绕第一内导体的介电材料。外导体环绕同轴电缆。连接导体包括至少一个进气管。连接导体在同轴电缆的一端电连接于第一内导体和外导体之间。连接部包括穿过外导体并与第一内导体连接的第二内导体。

该便携式微波等离子体生成器的长度小于10cm，并且在大气压力下利用低电功率生成等离子体。该便携式微波等离子体生成器能够将其阻抗与提供微波的微波谐振器的阻抗相匹配，而不需要使用独立的阻抗匹配装置。

本发明上述及其它目的、特点、方面以及优点将从以下结合附图对本发明详细的描述中变得更加明显。

附图说明

为了进一步理解本发明所提供的附图作为本说明的一部分，示出了本发明的实施方式，并且与说明书共同用于解释本发明的原理。

在附图中：

图1为根据本发明能够利用低电功率生成等离子体的便携式微波等离子体生成器的剖视图；

图2为图1所示的能够利用低电功率生成等离子体的便携式微波等离子体生成器的A方向端的正视图；

图3为图1所示的能够利用低电功率生成等离子体的便携式微波等离子体生成器的B方向端的正视图；

图4为能够利用低电功率生成等离子体的便携式微波等离子体生成器的示意图，其具有长度可调的同轴电缆；

图5为根据本发明能够利用低电功率生成等离子体的便携式微波等离子体生成器的示意图；

图6为根据本发明能够利用低电功率生成等离子体的便携式微波等离子体生成器的实际产品的照片；

图7为图6中所示的能够利用低电功率生成等离子体的便携式微波等离子体生成器的右端F的正视图；以及

图8为图6中所示的能够利用低电功率生成等离子体的便携式微波等离子体生成器的左端R的正视图。

具体实施方式

下面将详细地介绍本发明的优选实施方式，其实施例在附图中显示。

图1为根据本发明能够利用低电功率生成等离子体的便携式微波等离子体生成器的剖视图。

如图1所示，能够利用低电功率生成等离子体的便携式微波等离子体生成器100包括同轴电缆10、外导体4、连接导体2、连接部1以及释放梢5。

同轴电缆10包括第一内导体7和环绕第一内导体7的介电材料6。外导体环绕同轴电缆10。连接导体2包括至少一个进气管3。连接导体2在同轴电缆10的一端电连接于第一内导体7和外导体4之间。连接部1包括第二内导体8，第二内导体8穿过外导体4，然后在馈送点9处与第一内导体7电连接。连接部1是传导性的。在第二内导体8和连接部1之间可设置绝缘材料。设置在同轴电缆10的另一端上的释放梢5用于当在同轴电缆10上生成等离子体时使电功率消耗最小化。

根据本发明的便携式微波等离子体生成器100利用通过第二内导体8施加的微波的谐振能量生成等离子体，该微波的频率为900兆赫兹或2.45千兆赫兹。连接部1、连接导体2、外导体4、第一内导体7以及第二内导体8相互电连接，并用作为振荡微波的谐振器。微波在同轴电缆10上转换为TEM波(横电磁波)。TEM波为横波，携带电磁能量，其在传播方向没有电场分量和磁场分量，但在与传播方向垂直的方向具有电场分量和磁场分量。

空气在同轴电缆10外部套和第一内导体7之间作为介电材料6。就是说，电介质6为引入惰性气体以进行电离的空间。引入的气体通过在施加微波的导体2、4、7和8上谐振并放大的微波的谐振能量变为等离子体状态，并且引入的气体向便携式微波等离子体生成器的底部释放，即，B方向。碳氟化合物固体(PTFE例如特氟纶)可用作为介电材料6。

同轴电缆10的长度可以是微波波长的1/4(四分之一)或3/4(四分之三)，该长度适合微波产生谐振。当同轴电缆10的长度设定为此长度时，在谐振器的端部、B方向上的电场强度最大，因此更容易生成等离子体。

光速、频率和微波的长度之间的关系通过以下公式1表示：

【公式1】

$\mathrm{\λ}=\frac{C}{f\·\sqrt{\mathrm{\ϵ\γ}}}$

其中λ是微波的波长，C是光速，f是微波的频率，εγ是相对介电常数。当介电材料是空气时，相对介电常数是1，当介电材料是碳氟化合物固体(PTFE例如特氟纶)时，相对介电常数是2.1。

例如，微波的频率是900兆赫兹，微波的波长λ由以下公式2表示：

【公式2】

$\mathrm{\λ}=\frac{{3\·10}^8}{900\·{10}^6}=0.333\left[m\right]=33.3\left[\mathrm{cm}\right]$

根据公式2，微波波长的1/4(四分之一)大约为8.33cm。如此使得生产约10cm长度的便携式微波等离子体生成器成为可能。

从馈送点9看去的同轴电缆10的输入阻抗依赖于馈送点9的位置而变化，在馈送点9处，同轴电缆10的第一内导体7和连接部1的第二内导体8相互接触。通过调整馈送点9的位置，可以在微波振荡器(未示出)和微波等离子体生成器之间容易地实现阻抗匹配，其中微波振荡器通过第二内导体8向同轴电缆10施加微波，或者在放大器与微波等离子体生成器之间容易地实现阻抗匹配，其中放大器放大从微波振荡器输出的微波。这将在下文进行更详细的描述。

在大气压力下生成等离子体需要较大的电场强度10⁶V/m(伏特/米)或更大。释放梢5用于局部地增大电场强度。在产生放电以及生成等离子体之后，无需使用释放梢5。当不使用释放梢5时，释放梢5可以从微波等离子体生成器中取出。试验结果显示根据本发明的便携式微波等离子体生成器利用大约1瓦生成等离子体。

图2为图1所示的能够利用低电功率生成等离子体的便携式微波等离子体生成器的A方向端的正视图。

如图2所示，连接导体2插在外导体4的中部。连接导体2设置有两个进气管3，惰性气体通过两个进气管3引入介电材料6中。连接导体2也可设置有单个进气管3。惰性气体包括氦和氩。

图3为图1所示的能够利用低电功率生成等离子体的便携式微波等离子体生成器的B方向端的正视图。

如图3所示，外导体4环绕同轴电缆10，同轴电缆10在中央具有第一内导体7，并且介电材料6设置在同轴电缆10的外部套和第一内导体7之间。释放梢5位于同轴电缆10的B方向的端部上。释放梢5释放的等离子体在B方向上输出。

图4为能够利用低电功率生成等离子体的便携式微波等离子体生成器的示意图，其具有长度可调的同轴电缆。

如图4所示，便携式微波等离子体生成器400中部的椭圆形部分(由虚线标出)为同轴电缆延伸件11，其用于调节同轴电缆的外导体4的长度以及同轴电缆的第一内导体7的长度。例如，同轴电缆10的外导体4和同轴电缆10的第一内导体7能够以可滑动的方式或者可附接可分离的方式伸长或缩短，从而调节同轴电缆10的长度。

利用同轴电缆延伸件11调节同轴电缆10的长度不仅可以有效地产生谐振，还能够实现阻抗匹配，阻抗匹配防止微波反射。同轴电缆10的下部和包括延伸件11的同轴部分的上部可相互附接或相互分离。如此，当谐振器的端部被等离子体腐蚀掉时，可以替换包括延伸件11的同轴电缆10，从而延长微波等离子体生成器的寿命。

根据本发明能够利用低电功率生成等离子体的便携式微波等离子体生成器可通过调节连接部1的位置而调节其阻抗。这样则无需安装在微波振荡器(未示出)和微波等离子体生成器之间实现阻抗匹配的阻抗匹配装置，或者在放大器与微波等离子体生成器之间实现阻抗匹配的阻抗匹配装置，其中微波振荡器通过第二内导体8向同轴电缆10施加微波，放大器放大从微波振荡器输出的微波。

现在将对便携式微波等离子体生成器的操作以及与其外围装置的关系进行描述。

图5为根据本发明能够利用低电功率生成等离子体的便携式微波等离子体生成器的示意图。

参考图5，从馈送点9看去的同轴电缆10的输入阻抗Z_IN由以下公式3表示，其中在馈送点9处，同轴电缆10的第一内导体7和连接部1的第二内导体8相互接触。

【公式3】

$Z_{\mathrm{IN}}=Z_1\left|\right|Z_2=Z_0{[\frac{1}{\tanh \left({\mathrm{jkl}}_1\right)}+\tanh \left({\mathrm{jkl}}_2\right)]}^{-1}$

$\≈Z_0[(\frac{\mathrm{\α}{l}_1}{{\sin }^2\left(\mathrm{\β}{l}_1\right)}+\frac{\mathrm{\α}{l}_2}{{\cos }^2\left(\mathrm{\β}{l}_2\right)})+j(-\cot \left(\mathrm{\β}{l}_1\right)+\tan \left(\mathrm{\β}{l}_2\right))]$

其中，第一阻抗Z₁是对于馈送点9的左侧的同轴电缆10的阻抗，第二阻抗Z₂为对于馈送点9的右侧的同轴电缆的阻抗，Z₀是同轴电缆10的特性阻抗，j是复数l₁为馈送点9和同轴电缆10左端之间的距离，l₂为馈送点9和同轴电缆10右端之间的距离，k为复传播常数或波数，其为波长的倒数，α为同轴电缆10的衰减常数，β为同轴电缆10的相位常数。公式3是基于假设(αl)＝1，tan(αl)≈(αl)。

同轴电缆10的左端连接到连接导体2，因此，第一阻抗Z₁的负载阻抗Z_L为0(零)。同轴电缆10的右端是开放的，因此，负载阻抗为∞(无穷大)。同轴电缆10的衰减常数α，以及同轴电缆10的相位常数β都为由同轴电缆10电特性自动确定的常数。因此，输入阻抗Z_IN(即谐振器的输入阻抗Z_IN)是由l₁和l₂决定的。

当同轴电缆10的长度小于微波波长的1/4(四分之一)时，调节l₁意味着调节谐振器的电感，调节l₂意味着调节谐振器的电容。因此，谐振器相当于由相互并联的电阻、电感和电容组成。因此，通过调整l₁和l₂中任何一个而确定馈送点9的位置。当输入阻抗Z_IN设为50Ω(欧姆)时，并不需要安装单独的阻抗匹配装置。

同轴电缆10的长度大约为微波波长的1/4(四分之一)或3/4(四分之三)。同轴电缆10的长度也可为微波波长的1/4(四分之一)的任意倍数或3/4(四分之三)的任意倍数。

图6为根据本发明能够利用低电功率生成等离子体的便携式微波等离子体生成器的实际产品的照片。

如图6所示，便携式微波等离子体生成器中的同轴电缆10的长度为微波波长的1/4(四分之一)。SMA(微型A类，Sub Miniature versionA)连接器用作为连接部1。

图7为图6中所示的能够利用低电功率生成等离子体的便携式微波等离子体生成器的右端F的正视图。

如图7所示，在便携式微波等离子体生成器的右端、释放梢5与第一内导体7之间具有间隙。如果便携式微波等离子体生成器利用900兆赫兹频率的微波产生谐振，并且同轴电缆10的长度是微波波长的1/4(四分之一)，那么该间隙为40μm(微米)。如果便携式微波等离子体生成器利用2.45千兆赫兹频率的微波产生谐振，并且同轴电缆10的长度是微波波长的3/4(四分之三)，那么该间隙为100μm(微米)。

图8为图6中所示的能够利用低电功率生成等离子体的便携式微波等离子体生成器的左端R的正视图。

如图8所示，惰性气体被引入进气管3。

如上所述，为具体用途而设计的同轴电缆100用于根据本发明的便携式微波等离子体生成器。但是，也可利用广泛应用的普通类型的半刚性同轴电缆。电压和电磁场在谐振器的端部达到最大，即，在便携式微波等离子体生成器的端部。因此，与常规微波等离子体生成器相比较，根据本发明的便携式微波等离子体生成器使用最少的电功率有效地生成等离子体。此外，便携式微波等离子体生成器的长度为10cm或对应于微波波长的四分之一。这样使便携式微波等离子体生成器具有便携性。如果谐振器的阻抗调整为50Ω，微波振荡器的输出阻抗，那么该便携式微波等离子体生成器并不需要安装单独的阻抗匹配装置。

在不违背本发明的精神和本质特征情况下，本发明具有多种形式的实施方式。应该理解，除非具体地说明，前面所述的实施方式并不局限于任何前面描述的细节，而是广泛地解释权利要求所限定的精神和范围。因此，任何落入权利要求界限和范围的变化和改良，或与权利要求界限和范围的等同都包括在权利要求中。

Claims (10)

1.一种能够利用低电功率生成等离子体的便携式微波等离子体生成器，包括：

同轴电缆，所述同轴电缆包括：

第一内导体，以及

介电材料，环绕所述第一内导体；

外导体，环绕所述同轴电缆；

连接导体，包括至少一个进气管，并且所述连接导体在所述同轴电缆的一端电连接于所述第一内导体和所述外导体之间；以及

连接部，包括第二内导体，所述第二内导体穿过所述外导体并连接至所述第一内导体。

2.如权利要求1所述的便携式微波等离子体生成器，其中所述介电材料是空气，惰性气体引入所述介电材料的空间内，并且通过所述第二内导体施加微波。

3.如权利要求2所述的便携式微波等离子体生成器，其中所述惰性气体为选自氦和氩组成的组中的一种。

4.如权利要求2所述的便携式微波等离子体生成器，其中所述微波的频率为900兆赫兹或2.45千兆赫兹。

5.如权利要求2所述的便携式微波等离子体生成器，其中所述同轴电缆的长度为微波波长的四分之一或四分之三。

6.如权利要求2所述的便携式微波等离子体生成器，其中所述同轴电缆的长度为微波波长的四分之一的任意倍数或四分之三的任意倍数。

7.如权利要求1所述的便携式微波等离子体生成器，其中，所述同轴电缆包括至少两个部分，所述两个部分能够以调整所述同轴电缆长度的方式相互附接和分离，或者能够以调整所述同轴电缆长度的方式相对于彼此滑动。

8.如权利要求4所述的便携式微波等离子体生成器，进一步包括释放梢，所述释放梢位于所述同轴电缆的另一端，在所述同轴电缆上释放等离子体。

9.如权利要求8所述的便携式微波等离子体生成器，其中，当微波的频率是900兆赫兹时，所述释放梢和所述第一内导体之间的间隙是40μm。

10.如权利要求8所述的便携式微波等离子体生成器，其中，当微波的频率是2.45千兆赫兹时，所述释放梢和所述第一内导体之间的间隙是100μm。

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