CN102510654A

CN102510654A - 大气压脉冲调制微波等离子体发生装置

Info

Publication number: CN102510654A
Application number: CN2011103177442A
Authority: CN
Inventors: 李寿哲; 徐茂春
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2011-10-18
Filing date: 2011-10-18
Publication date: 2012-06-20

Abstract

一种大气压脉冲调制微波等离子体发生装置，属于微波等离子体技术领域。其特征是微波经波导管(1)传输到梯形波导转换装置(2)的矩形波导端建立TE₁₀模，短路端口为活动的金属匹配挡板(3)，在矩形波导端的上下两个波导壁与TE₁₀模的波腹对应的位置附近开一对圆形开口，绝缘细管(4)顺着电场强度方向竖直安装在相对的圆形开口中心处，绝缘细管(4)的一端插入针状电极(5)，该针状电极(5)由高压交流电源(6)驱动。本发明的效果和益处是在常压开放的条件下脉冲调制的微波能量输出稳定连续，通过调整脉冲占空比控制等离子体的温度，在表面改性处理、生物杀菌、有害气脱除等诸多相关领域得到应用。

Description

大气压脉冲调制微波等离子体发生装置

技术领域

本发明属于微波等离子体技术领域，特别是提供了一种大气压脉冲调制微波等离子体发生装置。

背景技术

着眼于生物、医疗、以及工业用无机、有机和金属材料表面改性等应用所开展的大气压等离子体技术经过十几年的发展，日益受到等离子体学科以及与之交叉的医学，材料，化学等其他学科研究者的关注。在以各种各样方式激励的等离子体技术中，最近受关注的大气压微波等离子体技术，例如，微波等离子体炬(Microwave plasma torch)和微波表面波等离子体装置(Microwavesurfatron)等，在废气处理，纳米材料合成，和材料表面改性等方面的应用中取得了实质性的进展。用微波产生等离子体较之其他频段下工作的电源获得的等离子体，能量的转化效率高，等离子体的耦合能量密度高，可以获得高密度的激发态和活性粒子，在改变化学反应路径完成在通常情况下不能实现的物理化学过程方面有着不可替代的优势。通常在大气压下用微波耦合获得的等离子体的温度都非常高，在对温度敏感材料的处理以及低温精密加工中受到局限，因此我们提出了应用脉冲调制的大气压微波等离子体来实现这些应用。因为脉冲调制的大气压微波等离子体在保持微波等离子体诸多优点的同时能够通过脉冲占空比的调整来降低等离子体温度。

但是，在大气压下激励等离子体所需电场强度往往远高于维持等离子体的电场强度，尤其在微波等离子体放电中需要外加高强度的局部电场来激励放电。对于连续工作的微波等离子体放电，只需一次点火然后撤开激发装置便可通过连续的微波输入耦合来维持等离子体的放电过程，然而对脉冲方式工作的微波放电来说由于该脉冲的周期通常远大于等离子体中物理过程的驰豫时间，为了保持稳定连续的工作状态要保证激励场在微波脉冲输出的每一个工作期间内能够有效的激发点火，而目前采用的激励装置通常是在波导管耦合口处用特斯拉线圈或者用钨电极施加交流高压电打火或者是把放电区域抽成低气压直接点火后提升气压到大气压等方式来实现的。如果在脉冲频率很高的微波脉冲工作方式中采用这些常规方法将对整个系统设计提出了很大的挑战，甚至会难以实现。然而我们通过利用工作在几十千赫兹频率的高压交流电源驱动的单电极激励的放电可以获得很长的射流的实验现象，对针状电极施加一定的电压使之延展到微波耦合区域来提供微波放电击穿所需的种子电子，射流所具有的一定的长度还能够使微波耦合区域和激发电极能够保持相当的距离来避免微波等离子体对电极的热腐蚀。高压交流电源驱动频率的调整对应着相邻两次激发的延迟时间的改变，那么通过改变针状电极的高压交流电源的工作频率来保证每个微波的调制脉冲周期中至少有效激励一次，从而实现脉冲放电的连续和稳定。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种大气压脉冲调制微波等离子体发生装置，可以在大气压下以脉冲调制方式实现微波等离子体的持续激发和稳定的维持输出，本装置能够在调制脉冲的工作期间内获得高电子温度和电子密度的等离子体的同时通过脉冲占空比的调节控制等离子体的气体温度，从而完成各种不同的实际应用的要求。

本发明的技术方案是由磁控管产生的微波经回旋隔离器，方向耦合器，三销钉阻抗匹配器，波导管1传输到梯形波导转换装置2的低阻抗矩形波导端建立电场强度增强了的TE₁₀模，该短路端口为由步进电机驱动的活动的金属匹配挡板3，在梯形波导转换装置2的矩形波导端的上下两个波导壁与TE₁₀模的波腹对应的位置附近开一对圆形开口，绝缘细管4顺着电场强度方向竖直安装在相对的圆形开口中心处，由绝缘固定底托7固定起来；绝缘细管4的一端插入针状电极5并密封好，工作气体由固定针状电极5的一端进入绝缘细管4；该针状电极5由频率可调的高压交流电源6驱动在绝缘细管4内获得由单电极激发的等离子体射流柱，所产生的等离子体射流柱在石英玻璃管的引导下通过梯形波导转换装置2的矩形波导端的耦合区域，为每个微波的调制脉冲的工作间隔到来时提供种子电子而激发微波等离子体放电，形成高粒子密度的等离子体射流沿着气流方向由绝缘细管4的另一端喷射出。

本发明所述大气压脉冲调制微波等离子体发生装置，微波电源工作频率为2.45GHz的工业标准频率，其脉冲调制输出的占空比在1～100％范围内可变；驱动针状电极5激发射流的高压交流电源6的工作频率范围10～80千赫兹，而且该装置放电是在大气压开放的条件下进行的；其配气系统(即供气源)所供的气体是氖气或氩气或者是以氖气或氩气为载气的混合其他活性气体的混合气体。

本发明的效果和益处是由于采用了中频的高压交流电源驱动的点火装置使得脉冲调制的微波能量输出稳定连续，在载气中掺入活性气体的条件下射流输出端口形成具有高浓度活性自由基的等离子体射流。本发明所提出的等离子体源结构简单，易于操作和维护，制作费用低，同时由于该等离子体源使用了氩气为载气其运转费用大为降低。还有，在常压开放的条件下工作的所述等离子体发生器可以通过调整脉冲占空比来有效控制等离子体的温度，在表面改性处理、生物杀菌、净化、物体表面清洗和有害气脱除等诸多相关领域得到应用。

附图说明

附图是大气压脉冲调制微波等离子体发生装置原理示意图。

图中：1波导管；2梯形波导转换装置；3金属匹配挡板；4绝缘细管；5针状电极；6高压交流电源；7绝缘固定底托。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

首先，在绝缘细管4内通入载气并开启高压交流电源6，调节高压交流电源的频率和输出电压使得在绝缘管4内从针状电极5开始产生等离子体射流并延展到矩形波导的耦合区间内；然后，开启微波电源使其工作在脉冲方式，微波由波导管1经梯形波导转换装置2耦合到绝缘细管4在矩形波导管内的部分，增加输入功率并调节金属匹配挡板3的位置使得反射功率尽量减少，最后停留在最佳匹配位置，与此同时调节三销钉匹配器协作完成最佳匹配；再有，等离子体在绝缘管内点燃后，为了稳定放电可以调节高压交流电源6的工作频率和电压，与此同时通过调节微波源的输入功率来改变等离子体射流的长度和亮度；接着，可以在稳定放电的工作载气中混入适当的活性气体并通过前述方法调节其稳定性，相应的获得富含化学活性自由基的等离子体射流。

Claims

1.一种大气压脉冲调制微波等离子体发生装置，由微波磁控管，环行器，矩形波导管，三销钉匹配波导管，波导管(1)，梯形波导转换装置(2)，金属匹配挡板(3)，绝缘细管(4)，针状电极(5)，高压交流电源(6)，绝缘固定底托(7)构成，其特征在于：由磁控管产生的微波经回旋隔离器，方向耦合器，三销钉阻抗匹配器，波导管(1)传输到梯形波导转换装置(2)的低阻抗矩形波导端建立TE₁₀模，其短路端口为由步进电机驱动的活动的金属匹配挡板(3)，在梯形波导转换装置(2)的矩形波导端的上下两个波导壁与TE₁₀模的波腹对应的位置处开一对圆形开口，绝缘细管(4)顺着电场强度方向竖直安装在相对的圆形开口中心处，由绝缘固定底托(7)固定起来；绝缘细管(4)的一端插入针状电极(5)并密封好，工作气体由固定针状电极(5)的一端进入绝缘细管(4)；该针状电极(5)由频率可调的高压交流电源(6)驱动。

2.根据权利要求1所述的一种大气压脉冲调制微波等离子体发生装置，其特征是梯形波导转换装置(2)由梯形转换波导部分和矩形波导部分组成，其矩形波导末端有调节波导内腔长度的金属匹配挡板(3)，在该矩形波导的两个宽波导壁与TE₁₀模的波腹对应的位置处开一对圆形开口，半径范围为2～11mm，这两个相对的宽波导壁上圆形开口的中心连线垂直于宽波导壁。

3.根据权利要求1所述的一种大气压脉冲调制微波等离子体发生装置，其特征是微波电源工作频率为2.45GHz的工业标准频率，其脉冲调制输出的占空比在1～100％范围内可变；驱动针状电极(5)的高压交流电源(6)的工作频率范围10～80千赫兹；其配气系统所供的气体是氖气或氩气或者是以氖气或氩气为载气的混合其他活性气体的混合气体。