CN103636059A - 微波谐振腔 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种微波谐振腔(26)。所述微波谐振腔(26)包括：侧壁(42)，具有中空的大致柱形形状；气流管(46)，布置在侧壁内并具有大致与侧壁的纵轴平行的纵轴；多个波导管(24a-24c)，每个波导管具有大致与侧壁的纵轴垂直的纵轴，并具有固定至侧壁上并与在侧壁上形成的多个孔中的相应孔对正的远端；顶板(41)，固定至侧壁的一端；以及，滑动短回路(48)，该滑动短回路具有：滑动地安装在侧壁和气流管之间的圆盘(43)；以及，布置在侧壁内并与侧壁的纵轴平行的至少一根杆(50)。

Description

微波谐振腔
技术领域
本发明涉及等离子体发生器，尤其涉及一种具有用于在其中产生等离子体的谐振腔的系统。
背景技术
近年来，微波技术被用于产生各种等离子体。在某些应用中，引燃和维持等离子体需要大功率微波发生器。由于存在以下的一种或多种缺点，现有的微波技术不适合，或者说效率不够高。首先，现有的系统没有适当的规模可变性，这里，规模可变性指系统以柔和的方式处理不同量的微波输入功率的能力或扩大/减小规模以适应输入功率的变化的能力。例如，根据待转化为等离子体的气体的类型、压力和流量，所需的微波输入功率可能有所不同。其次，磁控管的规格成本随输出功率的提高而急剧增加。例如，10千瓦磁控管的价格比10个1千瓦磁控管的价格要高得多。因此，需要一种具有高规模可变性、比现有的等离子体发生系统更廉价、并且不降低输出功率的等离子体发生系统。
发明内容
在本发明所揭示的一种实施方式中提供了一种微波谐振腔，包括：侧壁，具有中空的大致柱形形状，并由微波不能穿透的材料制成；气流管，布置在所述侧壁内，由微波能穿透的材料制成，并具有大致与所述侧壁的纵轴平行的纵轴；多个微波导波管，其中每个微波导波管具有大致与所述侧壁的纵轴垂直的纵轴，并具有固定在所述侧壁上并与在所述侧壁上形成的多个孔中的相应孔对正的远端；顶板，由微波不能穿透的材料制成，并固定至所述侧壁的一端；以及滑动短回路。滑动短回路包括：由微波不能穿透的材料制成并滑动地安装在所述侧壁和所述气流管之间的圆盘，该圆盘具有紧密配装到所述侧壁中的外缘以及与所述气流管紧密配合的孔；以及，布置在所述侧壁中并与所述侧壁的纵轴平行的至少一根杆。通过沿所述侧壁的纵向移动所述杆，由所述顶板、所述侧壁和所述圆盘构成的空间能够得到调节，从而在所述气流管内形成微波谐振腔。
附图说明
图1是根据本发明的一种实施方式实现的等离子体发生系统的示意图。
图2是图1所示的微波谐振腔的分解透视图。
图3A-3B是图2所示的微波谐振腔的其它实施方式的俯视图。
图4A-4C是图1所示的微波谐振腔的其它实施方式的透视图。
图5是图2所示的微波谐振腔的另一种实施方式的截面示意图。
图6是图2所示的微波谐振腔的另一种实施方式的截面示意图。
具体实施方式
图1是根据本发明的一种实施方式实现的微波等离子体发生系统10的示意图。如图所示，系统10可包括：微波谐振腔26；用于向微波谐振腔26提供微波的微波提供装置11a-11c；以及，用于从微波提供装置11a-11c向微波谐振腔26传送微波的波导管24a-24c，其中，微波谐振腔26从气罐28或其它气源（例如烟道气）接收气体和/或气体混合物。
微波提供装置11a向微波谐振腔26提供微波，并且可包括：用于产生微波的微波发生器12a；用于向微波发生器12a供电的电源13a；以及，隔离器15a，具有用于消除向微波发生器12a传播的反射微波的假负载16a和用于把反射微波导向假负载16a的循环管18a。
在一种实施方式中，微波提供装置11a还包括用于测量微波通量的耦合器20a；以及，用于减少从微波谐振腔26反射的微波的调谐器22a。图1所示的微波提供装置11a的部件是公知的，在此列出仅是为了示例目的。而且，微波提供装置11a可更换为能够向微波谐振腔26提供微波的某种系统，这种更换不会偏离本发明的精神。可以在隔离器15a和耦合器20a之间安装一个移相器。
图中所示的微波提供装置11b和11c具有与微波提供装置11a相似的部件。但是，应说明的是，微波提供装置11b和11c所具有的部件可不同于装置11a的部件，只要它们能够分别产生并向波导管24b和24c输送微波。
图2是图1所示的微波谐振腔26的分解透视图。如图所示，微波谐振腔（以下简称为谐振腔）26包括：具有用于从气罐28接收气体53的进气口51的顶板41；具有用于排放谐振腔中的气体的出气口（或排出孔）44的底板43；以及，连接至波导管24a-24c的远端的侧壁42。波导管24a的远端固定至侧壁42上，因而流过波导管24a的近端40a的微波能量进入侧壁42。同样，流过波导管24b和24c的近端40b和40c的微波能量进入侧壁42。顶板41、侧壁42和底板43可由任何微波不能穿透的适当材料构成，例如金属材料。谐振腔26还包括可微波能穿透并优选由石英材料构成的气流管46。
气流管46的顶端和底端分别密封至谐振腔26的顶板41和底板43上，从而通过进气口51流入气流管46的气体被激发为等离子体，并通过底板43的出气口44流出。在气体流过气流管46时，通过波导管24a-24c接收的微波能量把气体激发为等离子体。
谐振腔26还可包括具有圆盘49和杆50的滑动短回路48。圆盘49的尺寸使其能够滑动配装至侧壁42的内表面和气流管46的外表面之间的空间中，并且圆盘49由微波不能穿透的材料制成，优选由金属材料制成。在工作时，从波导管24a-24c的远端排出的微波在气流管46中形成干涉图形。随着用户沿谐振腔26的纵向上下滑动杆50，圆盘49和顶板41之间的距离发生变化，因而气流管46中的干涉产生峰值振幅区，即，通过调节圆盘49相对于顶板41的位置，可以实现阻抗匹配。应说明的是，所述的杆可附接至适当的调谐机构（例如固定至底板43的外表面的测微计），从而使用户能够以高精度调谐阻抗。一种可选方式是，可以使用附接至杆50的电机来实现自动化控制。
应说明的是，三个微波提供装置11a-11c产生的微波在气流管46中复合。若微波提供装置是相同的，则气流管46内的微波场的最大场强与输出功率为微波提供装置11a的三倍的单个微波提供装置产生的场强相同。这种特性提供两个优点：规模可变性，以及降低微波提供装置的制造成本。系统10的操作员可有选择地开启微波提供装置11a-11c，从而改变气流管46中的微波场的场强。例如，根据气体53的类型，引燃气流管46中的等离子体的微波场强可能有所不同。操作员可通过有选择地调谐微波提供装置11a-11c来优化气流管46中的微波场强。应说明的是，系统10只有三个微波提供装置。但是，对业界普通技术人员显而易见的是，该系统可包含任何其它适当数量的微波提供装置。
微波发生器12a（特别是磁控管）的价格随其功率输出的提高而剧烈增加。例如，10个市售微波炉的磁控管的价格比输出功率为这种微波炉的10倍的大功率磁控管的价格要低得多。因此，利用系统10的多个微波发生器特点，设计者能够构建成本低但不降低最高总功率的微波发生系统。
图3A-3C是图2所示的谐振腔侧壁42的其它实施方式60、70和80的俯视图。如图所示，侧壁可具有适当的多边形形状，例如矩形、六边形或八边形，其中，波导管可固定至多边形的每个边上。可以区分从两个相邻波导管输出的微波的相位，使得微波之间的干涉在气流管62、72和82中产生最大场强。应说明的是，气流管62、72和82可具有其它适当的截面几何形状，例如矩形、六边形或八边形。还应说明的是，可以调节两个相邻波导管之间的角度8（在图1中示出），以优化两路微波之间的干涉。
图4A是图1所示的谐振腔26的另一种实施方式100的透视图，为简便起见，在图4A中仅示出了侧壁和波导管。如图所示，谐振腔100与图1所示的谐振腔26相似，不同之处是，波导管102a-102c是e面波导管。
图4B和4C是图1所示的谐振腔26的其它实施方式114和124的透视图。如图所示，谐振腔114和124与谐振腔26相似，不同之处是，波导管112a-112c及122a-122c相对于谐振腔114和124的侧壁的位置不同。波导管的位置是基于使布置在谐振腔114和124内的气流管（为简便起见，在图4B-4C中未示出）中的干涉图形达到最佳的原则来确定的。
图5是图2所示的谐振腔26的另一种实施方式200的截面示意图。如图所示，谐振腔200包括：具有用于接收来自于气罐28（在图5中未示出）的气体的入口孔243的顶板241；连接至波导管224a-224b的远端的侧壁242；具有用于排出气体的底孔244的气流管246；以及，具有圆盘249和杆250的滑动短回路248。由于谐振腔200的部件的材料和功能与谐振腔26的相应部件相似，故在此不再详细说明。谐振腔26和200之间的差别是，谐振腔200不具有底板，而谐振腔26包含底板43。
图6是图2所示的谐振腔26的另一种实施方式300的截面示意图。如图所示，谐振腔300与谐振腔26相似，不同之处是，气流管346的顶部和底部分别探出顶板341和底板343。气流管346包括用于接收和排放气流的顶孔343和底孔344。或者，气流管360也可以具有进气口360而不是孔343，其中，进气口360相对于气流管346的纵轴的角度使得注入的气体产生涡旋运动。
当然，本领域技术人员能够理解：上文是仅是对本发明之示例性实施方式所做的说明，在不脱离权利要求所提出之本发明的精神和范围的前提下，能够对这些实施方式做出各种修改。

Claims (12)

1.一种微波谐振腔，包括：
侧壁，具有中空的大致柱形形状，并由微波不能穿透的材料制成；
气流管，布置在所述侧壁内，由微波能穿透的材料制成，并具有大致与所述侧壁的纵轴平行的纵轴；
多个微波导波管，其中每个微波导波管具有大致与所述侧壁的纵轴垂直的纵轴，并具有固定在所述侧壁上并与在所述侧壁上形成的多个孔中的相应孔对正的远端；
顶板，由微波不能穿透的材料制成，并固定至所述侧壁的一端；以及
滑动短回路，包括：
由微波不能穿透的材料制成并滑动地安装在所述侧壁和所述气流管之间的圆盘，该圆盘具有紧密配装到所述侧壁中的外缘以及与所述气流管紧密配合的孔；以及
布置在所述侧壁中并与所述侧壁的纵轴平行的至少一根杆，
其中，通过沿所述侧壁的纵向移动所述杆，由所述顶板、所述侧壁和所述圆盘构成的空间能够得到调节，从而在所述气流管内形成微波谐振腔。
2.如权利要求1所述的微波谐振腔，其中，所述气流管的一端与所述顶板对接，所述顶板具有用于接收流过所述气流管的气体的孔。
3.如权利要求1所述的微波谐振腔，还包括：
底板，该底板固定至所述侧壁的另一端，并具有被所述杆穿过的至少一个孔。
4.如权利要求3所述的微波谐振腔，其中，所述底板具有出气口。
5.如权利要求1所述的微波谐振腔，其中，所述气流管穿过所述顶板。
6.如权利要求1所述的微波谐振腔，其中，所述多个微波导波管的远端沿所述侧壁的纵轴布置在相同的高度。
7.如权利要求1所述的微波谐振腔，其中，所述多个微波导波管的远端沿所述侧壁的纵轴布置在不同的高度。
8.如权利要求1所述的微波谐振腔，其中，所述侧壁的截面形状选自圆形、矩形、六边形和八边形形状组中的一种形状。
9.如权利要求1所述的微波谐振腔，其中，所述多个微波导波管的纵轴布置在与所述侧壁的纵轴平行的相同平面上。
10.如权利要求1所述的微波谐振腔，还包括：
微波提供装置，联接至每个所述微波导波管的近端。
11.如权利要求10所述的微波谐振腔，其中，所述微波提供装置包括：
用于产生微波的微波发生器；以及
隔离器，具有用于消除向微波发生器传播的微波的假负载以及把微波导向所述假负载的循环管。
12.如权利要求11所述的微波谐振腔，其中，所述微波提供装置还包括：
用于测量微波通量的耦合器；以及
用于减少微波反射的调谐器。
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