CN107949144A - 一种大气压低功率微波发卡共振放电器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微波放电等离子领域，具体涉及一种大气压低功率微波发卡共振放电器；包括石英管、U型金属丝、接地铜胶膜及载气输入端，石英管内的U型金属丝分别电连接微波功率计和功率放大器，功率放大器分别电性连接脉冲信号调制器及微波信号发生器，石英管的一端为载气输入端。本发明采用发夹形状的微波共振电极作为放电驱动器；在大气压下以不同载气作为工作气体通过载气输入端进入石英管并通过U型金属丝；打开微波信号发生器，设置脉冲信号调制器的脉冲频率值，观察微波功率计的同时调整功率放大器保持特定功率输出；石英管内发生放电现象，U型金属丝的尖端产生等离子体羽流，且呈现清晰的拱形图案。

Description

一种大气压低功率微波发卡共振放电器

技术领域

本发明涉及微波放电等离子体技术领域，具体涉及一种大气压低功率微波发卡共振放电器。

背景技术

19世纪70年代中期，Stenzel首先设计了一款在低于100Pa气压的条件下诊断电子密度的微波共振探针。这种微波共振探针的形状类似字母U，因此被称作发夹探针。根据微波传输线的工作原理，这种发夹探针是一种四分之一波长微波共振器，它的一端被激励，另一端开口，这种结构确保在开口端的电压拥有最大的电压值，而且局域增强电场分布在发夹探针的开口端。由于发卡电极周围的等离子体鞘结构只有在较低气压范围内有明晰分布，只有明晰鞘层结构才能根据共振微波信号推算得出等离子体参数，所以很多微波发卡探针只能用于测量低气压的等离子体参数。直到2009年，徐金洲等报道了一种用于测量高气压等离子体参数的U型发卡探针，至此微波共振发夹探针成为一种测量等离子体参数的著名工具。

最近几年，大气压微波等离子体的研究获得了足够重视，原因在于微波等离子体具有潜在的应用价值。例如，有害汽车尾气源于火花塞电弧放电点燃速度慢、温度高,而新型微波点火技术，具有燃烧充分、效率高及有害尾气少等优良性能；再如，航空航天发动机(超燃冲压发动机)中的点火难题，其燃料高马赫数喷射，传统的点火技术很难点燃，微波放电点燃高速燃流的研究可以解决此困难；另外，大气压微波放电产生的冷等离子体射流，可以用来杀菌消毒等生物医学应用，操作安全，效果很好；还有，大气压微波微等离子体已在微等离子体激光源、微量元素的光谱检测等方面展示了应用优势；等等。相比于低频电源激励放电等离子体而言，以上这些应用都是源于微波放电等离子体具有密度高、活性强及温度低等优异品性，可是设计微波等离子体源相对复杂。此外，由于大气压及超大气压下激发微波放电需要很高的入射功率(kW级)，为了节能而需要使用高功率脉冲调制微波源，控制困难及代价较高，实用化较难。在大气压下很难激发气体电离产生微波等离子体，这使得微波放电器的应用受到了很大的限制。能否通过创新，实现低功率微波激励大气压气体放电并调制出适合特定用途的放电形貌，是个亟需克服的科技难题。

为了克服这个不足，研究者做了很多尝试。基于微波共振原理，除了发卡探针之外，还有多种微波共振放电器。微波共振放电器具有十分显著的研究价值，是近年来的研究重点。微波共振放电器需要进行优化并作特定设计，以便于满足不同的应用需求和更优异的放电性能。此外，微波脉冲驱动的共振放电器还可以产生具有鲜明特点的等离子体羽状射流，从而大大拓展了微波等离子体的可调参数范围，以便满足不同的微波等离子体应用需求。目前已经有四种大气压微波共振放电器(同轴波导线共振放电器，微带线共振放电器，表面波发生器，表面波共振放电器)分别在等离子体医学、微等离子体源、微波等离子体燃烧、高速燃料点火等领域得到广泛应用。但是，基于发卡共振原理的大气压低功率微波发卡共振放电器未见报道，鉴于此本发明报道了一种大气压低功率微波发卡共振放电器。发卡共振放电器相比于已有的四种微波共振放电器，产生的等离子体参数范围更广、等离子体射流空间形貌更容易调制和所需要的微波激发功率更低，即发卡共振放电器产生的微波等离子体综合能效更加优异。

发明内容

为了克服大气压微波共振放电器的不足，本发明将介绍一种大气压低功率微波发卡共振放电器。我们采用微波发卡探针的电极结构，并进一步创新的将发卡探针作为放电驱动器，构造出微波发卡共振放电器。

具体技术方案如下：

一种大气压低功率微波发卡共振放电器，包括脉冲信号调制器、微波信号发生器、功率放大器、微波功率计、石英管、U型金属丝、接地铜胶膜以及载气输入端，所述石英管内的所述U型金属丝分别电性连接所述微波功率计和所述功率放大器，所述功率放大器分别电性连接所述脉冲信号调制器以及所述微波信号发生器，所述石英管的一端为所述载气输入端。

进一步地，微波共振放电器需要工作在它的共振状态，所述U型金属丝的总体长度需要被设计为四分之一波长的奇数倍以实现共振，因为微波的频率为2.45GHz，波长为122.4mm，因此，我们设计所述U型金属丝的总长度为94mm，即四分之三波长；且供电端距离所述U型金属丝开口端为31mm，即四分之一波长。

进一步地，要激励共振放电器，供电电极需要与接地电极相毗连，以束缚微波能量(电场或磁场)不在自由空间辐射耗散或是反射回给电源，因此所述的接地电极设计为一片黏贴在石英管外表面周围的接地铜胶膜。

进一步地，所述U型金属丝的直径为0.4mm，所述U型金属丝的两根铜线之间的间隔为2mm；为了便于实现发卡共振放电器放电，所述U型金属丝的尖端削尖至0.05mm。

有益效果：

基于以上构造，我们设计了一种大气压低功率微波发夹共振放电器，可在大气压下以不同载气作为工作气体，输入功率高于2W，脉冲频率大于1kHZ(占空比为10％)的条件下产生等离子体羽流。气体流速越大，等离子体羽流越长，在U型金属丝开口端呈现的拱形图案越清晰；在操作过程中可通过脉冲信号调制器、微波信号发生器、功率放大器以及微波功率计对输入功率进行操控，以保证调制放电参数达到所需的最佳效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1：本发明大气压低功率微波发卡共振放电器的结构示意图。

附图标记如下：

1、脉冲信号调制器，2、微波信号发生器，3、功率放大器，4、微波功率计，5、石英管，6、U型金属丝，7、接地铜胶膜，8、载气输入端，9、等离子体羽流。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图和具体实施进一步说明本发明的技术方案，参照图1：

微波发卡共振放电器，可以在大气压下以多种载气(氩气、氦气、氮气、氧气等等)作为工作气体；在微波输入功率高于2W，脉冲频率大于1kHZ和占空比高于10％的条件下，即可产生等离子体羽流；通过脉冲信号调制器、微波信号发生器、功率放大器和气流及气体组份配比等来调整等离子体羽流形貌和等离子体参数。

选择5V额定电压、脉冲方波频率为10HZ-200kHZ且负荷比为0.01-0.99的脉冲信号调制器1和一个参数为2.45GHz,100mW的微波信号发生器2，它们分别被连接到一个48dB的功率放大器3上(持续功率输出范围为0到60W)，这样脉冲微波的输出参数可以得到相对的控制。

放电驱动器由位于石英管5中心轴的U形金属丝6构成，且石英管5的内外半径分别为2.0mm和3.0mm，U形金属丝6的长度为94mm。从U形金属丝6开口端到激励位置的长度为31mm；U形金属丝6的直径为0.4mm，U形金属丝6的两根铜线之间的间隔为2mm；为了便于实现发卡共振放电器的初始放电，U形金属丝6的尖端削尖至0.05mm。

放电驱动器所吸收的净功率(包含等离子体维持功率和U型金属丝的小功率辐射耗散)通过微波功率计测得(AV23211E-100W)。

该脉冲功率电源(固态电源)允许的微波功率上升时间约为10微秒，并通过一个超小型连接器A为发卡共振放电器提供脉冲微波功率，即发卡共振放电器的激励可以通过在超小型连接器A电耦合给发卡电极实现。

例如：在载气为氩气时的氩气流速为1L/min、微波峰值功率为3W、微波信号频率为2.45GHz、脉冲信号频率为10kHz和占空比为0.1的条件下，在U型金属电极的开口端产生了等离子体羽流，且呈现出清晰的拱形图案。

工作流程：开启载气瓶总阀，纯度为99.99％载气从石英管5的载气输入端8进入并通过U形金属丝，载气流速由阀门控制器控制，可通过气体流速计记录，气体流速越大，等离子体羽流9越长，在U型金属丝6开口端呈现的拱形图案越清晰。打开微波信号发生器2，设置脉冲信号调制器1的脉冲频率值，观察微波功率计4的同时调整功率放大器3，因此脉冲微波的输出参数可以得到精确的控制。石英管5内发生放电现象，U型金属丝6的尖端产生等离子体羽流9，等离子体羽流9呈现清晰的拱形图案。

发卡共振放电器不能在小于2W的功率输入下工作，放电可以通过提供高于10W的输入功率启动，一般6W的输入功率可以产生自启动；放电启动后，输入功率可以降低到较小的值，等离子体羽流9在输入功率仍然高于2W的情况下均能产生。

需要注意的是，放电实验结束时，要先把功率放大器3的输出降低为0以关闭发卡共振放电器，然后再关闭气阀。在这一步中，如果有操作次序错误，高于10W的空气微波放电会氧化U型金属丝6，石英管5内部的U型金属丝6会被烧蚀。

本发明的工作原理：大多数大气压等离子体射流由脉冲直流或正弦电压驱动，其频率在很广的范围内变化，从几百赫兹到几十兆赫兹，等离子体羽流作为引导电离波沿射流轴线移动，它在时空域中呈现子弹状流光放电，所以它可以被称为等离子体子弹。在本发明中，局部微波功率在大气压下形成局部增强放电，带有微波增强功率信号的供电电极产生等离子体子弹；因为放电由局部增强电场驱动，微波能量由发夹金属线周围的等离子体吸收，等离子体子弹被局部加热，在脉冲中，子弹并没有离开能量泵，因此它可以将电能传送至更远的距离，且产生的等离子体子弹跟传统的等离子体子弹相比，具有扩散更慢、电荷密度和电子温度衰减的更快、且受气体流速影响的特征；当微波脉冲送入发夹共振放电器后，等离子体羽流开始成型，他们互相吸引变成一个拱形顶状；当不再给微波脉冲时，等离子体羽流衰减变淡，但是拱形区域衰减很慢，因为它有两个等离子体羽流的强度；等离子体羽流拱形顶部区域的电子密度和电子温度较低，但处于亚稳态和激发态的活性粒子密度在余辉阶段会更加密集，因此图案会更加清晰明亮，这是等离子羽流图案不同于现有的四种微波共振放电器的主要原因。

本发明突破了很多微波共振放电器只能适用于低气压等离子体的技术缺陷，可在大气压下以不同载气为工作气体进行放电，较低的微波功率并能产生明亮的拱形等离子体羽流9；可通过控制气体流速，调整等离子体羽流的长度和清晰程度；且在操作过程中，可通过脉冲信号调制器1，微波信号发生器2，功率放大器3，微波功率计4对输入功率进行相对的操控，以控制放电参数达到所需要的最佳效果。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种大气压低功率微波发卡共振放电器，其特征在于：包括脉冲信号调制器(1)、微波信号发生器(2)、功率放大器(3)、微波功率计(4)、石英管(5)，U型金属丝(6)、接地铜胶膜(7)以及载气输入端(8)，所述石英管(5)内的所述U型金属丝(6)分别电性连接所述微波功率计(4)和所述功率放大器(3)，所述功率放大器(3)分别电性连接所述脉冲信号调制器(1)以及所述微波信号发生器(2)，所述石英管(5)的一端为所述载气输入端(8)。

2.根据权利要求1所述的大气压低功率微波发卡共振放电器，其特征在于：所述U型金属丝(6)的总长度为94mm，且供电端位于距离所述U型金属丝(6)的开口端31mm的位置。

3.根据权利要求1所述的大气压低功率微波发卡共振放电器，其特征在于：所述U型金属丝(6)的直径为0.4mm，所述U型金属丝(6)的两根铜线之间的间隔为2mm；为了便于实现发卡共振放电器放电，所述U型金属丝(6)的尖端削尖至0.05mm。

4.根据权利要求1所述的大气压低功率微波发卡共振放电器，其特征在于：发卡共振放电器的接地电极是一片黏贴在石英管外表面周围的所述接地铜胶膜(7)。