CN108449858A - 基于同轴结构和终端压缩的等离子体射流发生器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及等离子技术领域。本发明公开了一种基于同轴结构和终端压缩的等离子体射流发生器，以解决现有技术中等离子体发生器装置笨重、应用受限的问题。本发明的等离子体射流发生器，包括外导体和内导体，所述外导体和内导体同轴构成同轴传输线；所述同轴传输线一端内导体和外导体收缩为锥形，锥形尖端内导体和外导体之间的缝隙形成放点间隙，所述锥形部分外导体的锥度大于内导体的锥度，所述锥形部分外导体的锥度和内导体的锥度应保证该锥形部分的特征阻抗与所述同轴传输线特征阻抗相匹配，所述同轴传输线另一端连接激励源。本发明能够在常温常压下产生连续的等离子流。装置轻巧便携，具有安全高效的特点，特别适合用于生物和医学技术领域。

Description

基于同轴结构和终端压缩的等离子体射流发生器

技术领域

本发明涉及等离子技术领域，特别涉及常温常压下产生等离子体的技术，具体而言，涉及基于同轴结构和终端压缩的等离子体射流发生器。

背景技术

近年来，大气压冷等离子体的研究越来越热门。相比高温等离子体而言,冷等离子体具有非常可观的应用价值，并逐渐在许多领域得到了应用，如材料处理和环境保护领域、生物医学领域等。

由于生命体普遍存在于接近大气压的环境中，且冷等离子体温度接近于室温，所以生物医学应用是大气压冷等离子体的专属领域。而等离子体医学最受关注的包括：生物诱变育种、消毒与灭菌、伤口治疗、美容与皮肤病治疗、牙齿美白与根管消毒、癌症治疗等。冷等离子体在生物医疗上的有效应用主要得益于其内含的丰富活性成份。

研究表明，微波低温等离子体射流发生器更能增加气体分子的激发、电离和离解过程，其产生的等离子体能量大，活性强，更易于引发相关物理、化学反应。因此，微波大气压冷等离子体在生物医疗上的应用和发展前景非常广阔。

目前关于微波冷等离子体的研究几乎都是将微波传输到密闭的真空或低压装置中来产生冷等离子体。这种冷等离子体发生器，需要真空或低压条件，使装置相对笨重。处理时需要将样品放置于密闭装置中，应用环境受到极大限制，特别是一些非常重要的涉及生物、医学领域的应用完全不能实施。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种基于同轴结构和终端压缩的等离子体射流发生器，以解决现有技术中等离子体发生器装置笨重、应用受限的问题。

为了实现上述目的，根据本发明具体实施方式的一个方面，提供了一种基于同轴结构和终端压缩的等离子体射流发生器，包括外导体和内导体，所述外导体和内导体同轴构成同轴传输线；其特征在于，所述同轴传输线一端内导体和外导体收缩为锥形，锥形尖端内导体和外导体之间的缝隙形成放点间隙，所述锥形部分外导体的锥度大于内导体的锥度，所述锥形部分外导体的锥度和内导体的锥度应保证该锥形部分的特征阻抗与所述同轴传输线特征阻抗相匹配，所述同轴传输线另一端连接激励源。

进一步的，所述外导体和/或内导体端部的锥形部分通过螺纹与同轴传输线连接。

进一步的，所述同轴输线另一端设置有同轴连接器。

进一步的，所述外导体上设置有气体导入口。

进一步的，所气体导入口有2个。

进一步的，所述2个气体导入口分布在同轴传输线两边。

进一步的，所气体导入口的导气通道与同轴传输线夹角为锐角。

进一步的，所气体导入口的导气通道不与同轴传输线轴线相交。

进一步的，所述同轴传输线外导体和内导体之间设置有密封圈，所述密封圈位于所述气体导入口和同轴传输线另一端之间。

进一步的，所述激励源为微波源。

进一步的，所述微波源为磁控管微波源，行波管微波源，束调管微波源或固态微波源。

进一步的，所述微波源工作频率为915MHz、2450MHz或5800MHz。

本发明的有益效果：

本发明的等离子体射流发生器，能够在常温常压下产生连续的等离子流，等离子体射流发生器装置轻巧便携，具有安全、稳定、高效的特点，特别适合用于生物技术领域和医学技术领域。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的具体实施方式、示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为同轴传输线结构示意图；

图2为实施例的等离子体射流发生器结构示意图；

图3为图2锥形部分的左视图；

图4为图2的右视图。

其中：

1 为外导体；

2 为内导体；

3 为外导体锥形部分；

4 为内导体锥形部分；

10 为气体导入口；

11 为外导体同轴连接器；

12 为密封圈；

13 为凹台；

20 为盲孔；

21 为内导体同轴连接器；

34 为放电间隙；

40 为圆柱；

101 为激励气体流向箭头；

B 为同轴传输线外导体直径；

b 为同轴传输线内导体直径；

D 为锥形部分外导体直径；

d 为锥形部分内导体直径；

L 为锥形部分的长度；

P-P 为同轴传输线的轴线；

Q-Q 为气体导入口的轴线。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的具体实施方式、实施例以及其中的特征可以相互组合。现将参考附图并结合以下内容详细说明本发明。

为了使本领域技术人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明具体实施方式、实施例中的附图，对本发明具体实施方式、实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的具体实施方式、实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式、实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明中描述的同轴传输线结构如图1所示，由外导体1和内导体2构成，主要用于微波传输等。内导体2是直径为b的圆柱，外导体1是内径为B的圆筒，外导体1和内导体2同轴。

同轴传输线的主要参数是特征阻抗Z，其数学表达式为：其中，μ和ε分别为外导体1与内导体2之间填充材料的磁导率和介电常数。可以看出当填充材料确定以后，同轴传输线的特征阻抗仅与外导体1和内导体2的直径B和b有关，所以B和b又称为同轴传输线的结构参数。

由于微波传输的特性，内导体可以是空心结构，不影响微波传输性能。同样的，外导体厚度δ大小也不会对微波传输产生影响，只要其强度足够保证结构参数不变。

实施例

本例基于同轴结构和终端压缩的等离子体射流发生器结构如图2所示，是由外导体1和内导体2构成的同轴传输线组成。

同轴传输线前端内导体2和外导体1都收缩成锥形，外导体的锥度大于内导体的锥度，锥形尖端内导体2和外导体1之间的缝隙34形成放点间隙，如图3所示。

该锥形部分长度为L，外导体1的锥度和内导体2的锥度应保证该锥形部分的特征阻抗与同轴传输线特征阻抗相匹配，同轴传输线后端连接激励源。

由于这种同轴传输线结构，本发明的等离子体射流发生器可以直接与激励源连接，不需要其他转换装置和匹配装置，等离子体射流发生器结构得到了进一步简化。

激励源是提供激活能量的装置，可以是射频激励源或微波激励源，根据不同的用途和工作介质选择不同的工作频率。

根据图2和图3所示，锥形部分外导体1的锥度可以表示为(B-D)/L，内导体2的锥度为(b-d)/L。通过调整参数L、D和d，在保证(B-D)＞(b-d)条件下，可以使锥形部分的特征阻抗与同轴传输线特征阻抗相匹配。这样的结构，有利于降低锥形部分的微波反射和损耗，提高微波能量利用率和等离子体射流密度。

由图2可见，本例外导体1和内导体2端部的锥形部分都通过螺纹分别于与同轴传输线的外导体1和内导体2连接。

图2中，外导体1前端切削一部分形成凹台13，并在凹台13处加工螺纹。外导体1的锥形部分3与外导体1的连接部分30也加工有螺纹。

同样的，内导体2与锥形部分4的连接也是通过螺纹连接的。内导体2前端加工一个盲孔20，锥形部分4的后端设置一个与盲孔20大小匹配的圆柱40，盲孔20与圆柱40通过螺纹进行连接。

这种螺纹连接方式，便于更换不同尺寸的锥形放电部分，以适应不同工作介质和频率的微波激励源。

由于本发明的等离子体射流发生器，利用尖端放电激励等离子体，锥形尖端部分损耗比较大，这种螺纹连接方式非常方便更换锥形放电部分，有利于提高工作效率。

本发明的等离子体射流发生器，锥形部分与同轴传输线的连接处，内部平滑，无台阶和突变，这样可以降低微波反射和损耗，提高微波能量的利用率。

本例等离子体射流发生器，同轴输线后端设置有同轴连接器11和同轴连接器21。同轴连接器11用于连接微波激励源的同轴传输线外导体，同轴连接器21用于连接微波激励源的同轴传输线内导体，如图2所示。

同轴连接器可以做成标准的50Ω射频同轴连接器，与激励源的标准输出端口相匹配，方便连接并降低传输损耗，有利于提高能量利用率。

参见图2，本例外导体1上设置有2个气体导入口10。气体导入口10导气通道与同轴传输线夹角α为锐角，并且导气通道不与同轴传输线轴线相交，即图2中，同轴传输线轴线P-P与气体导入口10的轴线Q-Q不相交。

图4示出了气体导入口10与同轴传输线的位置关系，由图4可见，2个气体导入口10分布在同轴传输线两边。

本例气体导入口10的分布结构，当激励气体沿箭头101的方向进入等离子体射流发生器时，在外导体1和内导体2的共同作用下，气体会绕着内导体2做螺旋运动，并从放电间隙34中流出，这样可以在放电间隙处形成更稳定的气流，有助于提高等离子体密度，产生均匀连续的等离子流。

根据不同的需要，气体导入口10可以设置更多个，其分布位置也可以进行调整，以利于提高激励气体的密度和稳定性，产生需要的等离子体射流。

作为等离子激励气体，可以是空气，氩气，氦气，氮气等，也可以采用上述两种或多种气体的混合气体。

为了防止气体泄漏，本例同轴传输线外导体1和内导体2之间设置有密封圈12，密封圈12位于气体导入口10和同轴连接器之间。密封圈12可以采用电学参数与同轴传输线介质电学参数相同或相近的材料，可以降低密封圈12对同轴传输线传输特性的影响。

对于填充了介质的同轴传输线，可以不需要设置密封圈12，利用填充的介质就可以达到密封的效果。

本例等离子体射流发生器连接的激励源为微波源激励源，可以采用磁控管微波源或行波管微波源或束调管微波源以及固态微波源等。通常作为等离子体射流发生器激励源的微波源，工作频率可以采用915MHz、2450MHz或5800MHz的微波源。根据不同的使用环境和等离子体射流发生器结构参数，选择不同的微波功率和工作频率，或者采用功率可调的微波源，以获取不同性质的等离子体。

作为一种改进，气体导入口10与同轴传输线的夹角可以做成可调节的，以适应不同的激励气体种类和不同压力的气源，也可以对气源压力或流速进行控制和调节，以利于产生稳定连续的等离子流。

作为一种改进，等离子体射流发生器外导体1和内导体2的直径可以根据不同的需要进行变化，只要能确保同轴传输线和锥形渐变部分阻抗匹配即可。

本发明的等离子体射流发生器整体长度并无特殊要求，可以根据不同使用要求进行适当变化。

本发明的等离子体射流发生器，以射频能量为激励源，工作在常温常压状态下，能够大幅度增加气体分子的激发、电离和离解过程，激发的亚态原子多，其对气体的电离和离解程度比其它类型的等离子体(如射频电场等离子体)高出一个数量级，产生的等离子体密度大，电离度高，能量大，活性强，更易于发生或引发相关物理、化学反应。因此在依赖于等离子体活性成分的医疗应用中效率更高。

本发明的等离子体射流发生器结构紧凑，小巧，方便携带而且易于组装和量产，其中内导体和外导体锥形放电尖端是可拆卸的，可以根据微波源的频率更换合适的放电尖端，外导体的导气孔设置也非常巧妙，导气孔设置在同轴传输线外导体圆柱两侧，以一定的角度斜入内导体与外导体之间的腔体内，以环绕内导体的螺旋方式沿着内导体向放电间隙移动，进一步稳定了气流的流动，使尖端处的气流更加稳定，从而使等离子体射流稳定输出。

Claims (10)

1.基于同轴结构和终端压缩的等离子体射流发生器，包括外导体和内导体，所述外导体和内导体同轴构成同轴传输线；其特征在于，所述同轴传输线一端内导体和外导体收缩为锥形，锥形尖端内导体和外导体之间的缝隙形成放点间隙，所述锥形部分外导体的锥度大于内导体的锥度，所述锥形部分外导体的锥度和内导体的锥度应保证该锥形部分的特征阻抗与所述同轴传输线特征阻抗相匹配，所述同轴传输线另一端连接激励源。

2.根据权利要求1所述的基于同轴结构和终端压缩的等离子体射流发生器，其特征在于，所述外导体和/或内导体端部的锥形部分通过螺纹与同轴传输线连接。

3.根据权利要求1所述的基于同轴结构和终端压缩的等离子体射流发生器，其特征在于，所述同轴输线另一端设置有同轴连接器。

4.根据权利要求1所述的基于同轴结构和终端压缩的等离子体射流发生器，其特征在于，所述外导体上设置有气体导入口。

5.根据权利要求4所述的基于同轴结构和终端压缩的等离子体射流发生器，其特征在于，所气体导入口有2个。

6.根据权利要求5所述的基于同轴结构和终端压缩的等离子体射流发生器，其特征在于，所述2个气体导入口分布在同轴传输线两边。

7.根据权利要求4所述的基于同轴结构和终端压缩的等离子体射流发生器，其特征在于，所气体导入口的导气通道与同轴传输线夹角为锐角。

8.根据权利要求7所述的基于同轴结构和终端压缩的等离子体射流发生器，其特征在于，所气体导入口的导气通道不与同轴传输线轴线相交。

9.根据权利要求1所述的基于同轴结构和终端压缩的等离子体射流发生器，其特征在于，所述激励源为微波源。

10.根据权利要求9所述的基于同轴结构和终端压缩的等离子体射流发生器，其特征在于，所述微波源为磁控管微波源，行波管微波源，束调管微波源或固态微波源。