CN110267425A - 一种复合式双同轴线大气压低温微波等离子体射流源 - Google Patents

一种复合式双同轴线大气压低温微波等离子体射流源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复合式双同轴线大气压低温微波等离子体射流源，包括外部同轴线和内部同轴线，内部同轴线设置在外部同轴线内部，外部同轴线包括管体，管体内设置有金属管，金属管底部设置有短路活塞，内部同轴线包括针状电极，针状电极设置在金属管内，管体上设置有气体输入口一，气体输入口一与管体和金属管间连通，金属管底部设置有气体输入口二，气体输入口二与金属管和针状电极间连通，管体上还设置有微波输入口，微波输入口与金属管相连。本发明实现大气微波等离子体射流源发射稳定、长度宽度可控的低温等离子体射流，改善了现有技术中温度过高、激发功率大、尺寸大、等离子体射流不稳定、不易调节和不可手持操作等缺点。

Description

一种复合式双同轴线大气压低温微波等离子体射流源
技术领域
本发明属于微波等离子体技术领域，具体涉及到一种复合式双同轴线大气压低温微波等离子体射流源。
背景技术
等离子体又叫电浆，是由电子、离子等带电粒子及中性离子组成的，宏观上呈现准中性，且具有集体效应的混合气体。等离子体按照等离子体所处的状态分为平衡等离子体和非平衡等离子体。其中平衡等离子体主要产生在气体压力较高的情况下，可以通过射频、高压或者微波产生等离子体射流。大气压微波等离子体具有很多独特的性能，例如等离子体体焰温度低、激发功率低、电离率高、安全等，被广泛被应用到生物、材料处理、材料检测、医学手术等领域。尤其是微波大气等离子体中具有很多活性成分，可以与细胞作用，因此可以对病菌做灭活处理；除此之外，大气微波等离子体射流可以用来切割动物组织，表现出很好的止血性能，并且减少了感染，缩短了手术后的恢复时间。
微波等离子体具有温度低、射流稳定等独特的特点。但是在大气压下激发等离子体射流，理论上要求有强电场，然而用于生物手术、材料处理，薄膜切割等作用时大功率导致温度过高会引起额外的不良副作用，因此为了避免等离子体温度过高，便要求其不能有强的微波功率。常规的大气微波等离子体射流源都采用矩形波导激发或者单节同轴波导激发，前者体积庞大不利于操作，后者需要较大的激发功率而且射流不稳定。在实际应用中，越来越要求大气微波等离子体射流源小型化，轻量化，其射流温度、长度都可以控制。
大气压微波等离子体射流源一般都采用一段距离短路面1/4波导波长的矩形波导，利用耦合孔直接耦合到大气中，用大功率微波激发等离子体放电；或者直接采用一端开放的同轴谐振腔，通入气体和微波功率，激发等离子体。这样的方法产生的等离子体射流温度高、很不稳定，形状不固定；除此之外，这两种方法设备体积大，不利于手持作业。为了缩小设备体积和重量，减小激发微波等离子体功率，提高等离子体射流稳定性。
发明内容
针对上述不足，本发明提供一种复合式双同轴线大气压低温微波等离子体射流源，采用复合式双同轴线结构与双气流通道结构，约束等离子体射流形状，减小激发功率，实现大气微波等离子体射流源发射稳定、长度宽度可控的低温等离子体射流，改善了现有技术中大气微波等离子体射流源温度过高、激发功率大、尺寸大、等离子体射流不稳定、不易调节和不可手持操作等缺点。
为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种复合式双同轴线大气压低温微波等离子体射流源，包括外部同轴线和内部同轴线，内部同轴线设置在外部同轴线内部，且顶部平齐，外部同轴线包括管体，管体内设置有金属管，金属管底部活动设置有一短路活塞，内部同轴线包括针状电极，针状电极设置在金属管内，且顶部伸出金属管外，管体上设置有气体输入口一，气体输入口一与管体和金属管间连通，金属管底部设置有气体输入口二，气体输入口二与金属管和针状电极间连通，管体上还设置有微波输入口，微波输入口与金属管相连。
进一步，针状电极包括上部金属柱和下部金属柱，下部金属柱与金属管电接触，且其表面设置有供气流通过的槽。
进一步，上部金属柱长度为射流源工作频率下波长的1/4-1/2的整数倍。
进一步，下部金属柱表面均匀设置有三个V字形切口槽。
进一步，外部同轴线顶部开放。
进一步，针状电极高出射流源顶部0-5mm。
进一步，外部同轴线和内部同轴线均构成特性阻抗为10-100欧姆的同轴传输线。
进一步，射流源的气体输入口一和气体输入口二通入氮气、氩气、氧气、氦气、氢气、二氧化碳或甲烷中的至少一种。
进一步，管体材质为黄铜。
综上所述，本发明具有以下优点：
1、本发明设计的一种复合式双同轴线大气压低温微波等离子体射流源，管体和金属管分别充当外部同轴线的外导体和内导体，金属管和针状电极分别充当内部同轴线的外导体和内导体，两同轴线的内外导体之间均有气流通过，相比于现有技术中的大气压微波等离子体射流源，实现了在大气压下用低功率微波产生形状、温度、长度、宽度均稳定可控的低温等离子体射流。在2.45GHz频率下，产生了1～30mm长度的稳定的低温等离子体射流，微波功率转换效率大于80％，并且本发的复合式双同轴线大气压低温微波等离子体射流源大幅度降低了的等离子体射流温度、易于加工、大幅度缩小了长度和整体体积、重量较轻、成本低、易于调节和手持操作。
2、采用复合式双同轴线的结构，输入外部同轴线和内部同轴线相应的内外导体之间两路气流，微波通过微波输入口馈入后，在外部同轴线开放端口处耦合进尺寸更小的内部同轴线，在内部同轴线经过反射后，电场在内部同轴线内导体的顶端形成强电场，最终激发等离子体放电，通过双气流的约束，最终形成了形状、放电状态、温度稳定可控的大气压微波等离子体射流。在2.45GHz频率下，产生了1～30mm长度的稳定的低温等离子体射流，微波功率转换效率大于80％，并且本发的复合式双同轴线大气压低温微波等离子体射流源大幅度降低了的等离子体射流温度、易于加工、大幅度缩小了长度和整体体积、重量较轻、成本低、易于调节和手持操作。
附图说明
图1为本发明的示意图；
图2为本发明的右视图；
图3为本发明的平放示意图；
图4为金属管的示意图；
其中，1、管体；2、微波输入口；3、短路活塞；4、等离子体射流；5、针状电极；6、气体输入口一；7、金属管；8、气体输入口二。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
本发明的一个实施例中，如图1-4所示，提供了一种复合式双同轴线大气压低温微波等离子体射流源，包括外部同轴线和内部同轴线，内部同轴线设置在外部同轴线内部，且顶部平齐，外部同轴线包括管体1，管体1材质为黄铜，内直径为10mm，管体1内设置有金属管7，金属管7的外直径为3.5mm，内直径为2.5mm，金属管7底部活动设置有一短路活塞3，内部同轴线包括针状电极5，针状电极5设置在金属管7内，且顶部伸出金属管7外2mm，外部同轴线顶部开放；管体1上设置有气体输入口一6，气体输入口一6与管体1和金属管7间连通，金属管7底部设置有气体输入口二8，气体输入口二8与金属管7和针状电极5间连通，管体1上还设置有微波输入口2，微波输入口2上设置有BNC入端子，微波输入端子的内芯与金属管7相连用于馈入微波。
针状电极5包括上部金属柱和下部金属柱，上部金属柱是一根直径为1mm，长为2.45G微波波长的1/4倍，即30.6mm的实心铜柱，下部金属柱是一根直径为2.5mm的实心铜柱，长度为20mm，下部金属柱与金属管7电接触，且其表面均匀设置有三个V字形切口槽。外部同轴线和内部同轴线均构成特性阻抗为10-100欧姆的同轴传输线。
本发明采用复合式双同轴线的结构，输入外部同轴线和内部同轴线相应的内外导体之间两路气流，微波通过微波输入口2馈入后，在外部同轴线开放端口处耦合进尺寸更小的内部同轴线，在内部同轴线经过反射后，电场在内部同轴线内导体的顶端形成强电场，最终激发等离子体放电，通过双气流的约束，最终形成了形状、放电状态、温度稳定可控的大气压微波等离子体射流4。
虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可作出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (9)

1.一种复合式双同轴线大气压低温微波等离子体射流源，其特征在于，包括外部同轴线和内部同轴线，所述内部同轴线设置在所述外部同轴线内部，且顶部平齐，所述外部同轴线包括管体(1)，所述管体(1)内设置有金属管(7)，所述金属管(7)底部活动设置有一短路活塞(3)，所述内部同轴线包括针状电极(5)，所述针状电极(5)设置在所述金属管(7)内，且顶部伸出所述金属管(7)外，所述管体(1)上设置有气体输入口一(6)，所述气体输入口一(6)与所述管体(1)和所述金属管(7)间连通，所述金属管(7)底部设置有气体输入口二(8)，所述气体输入口二(8)与所述金属管(7)和所述针状电极(5)间连通，所述管体(1)上还设置有微波输入口(2)，所述微波输入口(2)与所述金属管(7)相连。
2.如权利要求1所述的复合式双同轴线大气压低温微波等离子体射流源，其特征在于，所述针状电极(5)包括上部金属柱和下部金属柱，所述下部金属柱与所述金属管(7)电接触，且其表面设置有供气流通过的槽。
3.如权利要求2所述的复合式双同轴线大气压低温微波等离子体射流源，其特征在于，所述上部金属柱长度是所述射流源工作频率下波长的1/4-1/2的整数倍。
4.如权利要求2所述的复合式双同轴线大气压低温微波等离子体射流源，其特征在于，所述下部金属柱表面均匀设置有三个V字形切口槽。
5.如权利要求1所述的复合式双同轴线大气压低温微波等离子体射流源，其特征在于，所述外部同轴线顶部开放。
6.如权利要求1所述的复合式双同轴线大气压低温微波等离子体射流源，其特征在于，所述针状电极(5)高出所述射流源顶部0-5mm。
7.如权利要求1所述的复合式双同轴线大气压低温微波等离子体射流源，其特征在于，所述外部同轴线和所述内部同轴线均构成特性阻抗为10-100欧姆的同轴传输线。
8.如权利要求1所述的复合式双同轴线大气压低温微波等离子体射流源，其特征在于，所述射流源的所述气体输入口一(6)和所述气体输入口二(8)通入氮气、氩气、氧气、氦气、氢气、二氧化碳或甲烷中的至少一种。
9.如权利要求1所述的复合式双同轴线大气压低温微波等离子体射流源，其特征在于，所述管体(1)材质为黄铜。
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