CN111763926A - 一种基于高温常压微波等离子体的材料合成系统 - Google Patents

一种基于高温常压微波等离子体的材料合成系统 Download PDF

Info

Publication number
CN111763926A
CN111763926A CN202010625587.0A CN202010625587A CN111763926A CN 111763926 A CN111763926 A CN 111763926A CN 202010625587 A CN202010625587 A CN 202010625587A CN 111763926 A CN111763926 A CN 111763926A
Authority
CN
China
Prior art keywords
coaxial
plasma torch
conductor
hollow
cylindrical
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202010625587.0A
Other languages
English (en)
Inventor
白野
李大帅
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Chengdu Lanmashang Technology Co ltd
Original Assignee
Chengdu Lanmashang Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Chengdu Lanmashang Technology Co ltd filed Critical Chengdu Lanmashang Technology Co ltd
Priority to CN202010625587.0A priority Critical patent/CN111763926A/zh
Publication of CN111763926A publication Critical patent/CN111763926A/zh
Priority to US17/355,259 priority patent/US11930585B2/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/50—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges
    • C23C16/517—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges using a combination of discharges covered by two or more of groups C23C16/503 - C23C16/515
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/30—Plasma torches using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/02—Arrangements for confining plasma by electric or magnetic fields; Arrangements for heating plasma
    • H05H1/03—Arrangements for confining plasma by electric or magnetic fields; Arrangements for heating plasma using electrostatic fields
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/28—Cooling arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles

Abstract

本发明公开了一种基于高温常压微波等离子体的材料合成系统，在高温常压微波等离子体炬产生系统中，通过引燃控制电极靠近中空导体输出端，在大功率微波作用下出现尖端击穿，通过中心导体输出的携带前驱材料的载气流，在大功率微波作用下产生尖端放电，形成稳定的高温常压等离子体炬。前驱材料经高温常压微波等离子炬裂解为活化粒子束流，为材料生长合成提供所需活化粒子。在材料生长及控制系统中，金属环与引燃控制电极在外部可调直流电源的控制下，在材料生长区域形成可调的静电场分布，活化粒子束流在可调的静电场作用下改变其运动状态，从而控制活化粒子束流中的正负离子、电子或粒子的运动速度或成分比例，实现材料生长过程的可控，解决了生长控制力弱的问题。

Description

一种基于高温常压微波等离子体的材料合成系统
技术领域
本发明属于微波等离子体与材料合成技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于高温常压微波等离子体的材料合成系统，即一项利用高温常压微波等离子体炬合成新材料的技术。
背景技术
新型材料研制一直是前沿科学的研究热点。以零维、一维、二维纳米材料为代表的新结构材料，以其优异的机械、电、热性能成为人们追逐的目标，是下一代信息系统、储能系统以及涂层材料不可或缺的基础，在高速、低能耗、大规模元器件和新型传感器方面有着极具魅力的应用前景。同时在太阳能、蓄电池等方面的优异表现，使得高效清洁能源、长续航电动系统成为可能。
高性能的三维材料在硬度、导热的方面的优异表现是高速转动系统结构中迫切需要的传动接触面材料，在航空、航天发动机轴承、叶片方面的应用将大幅度提升其性能，延长使用寿命。
目前新型材料的制备仍然以化学方法为主。例如常用的CVD(Chemical VapourDeposition，化学气相沉淀)法就是以化学活化真空沉积技术为基础的材料制备方法。此外，还有高温常压溅射沉积、直流真空等离子体等制备方法。无论上述那种技术，在新型材料制备方面均存在一定问题。例如在石墨烯制备方面，大多数方法只能制备微米级粉末单晶石墨烯，大片、低缺陷石墨烯极难合成，限制了其应用水平和范围。某些材料由于其分子键能较大，裂解极其困难，目前常规方法很难得到活化粒子，难以作为新型材料的前驱体。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于高温常压微波等离子体的材料合成系统，以解决材料合成中前驱体裂解活化困难、生长控制能力弱、能效低的问题，实现利用不同形态、不同种类前驱体进行快速新型材料的合成。
为实现上述发明目的，本发明基于高温常压微波等离子体的材料合成系统，其特征在于，包括高温常压微波等离子体炬产生系统、材料生长及控制系统；
其中，高温常压微波等离子体炬产生系统又包括大功率微波源及输入耦合传输系统和等离子体炬产生头，等离子体炬产生头由一段中空导体以及一引燃控制电极组成，中空导体一端(输入端)输入前驱体载气，另一端(输出端)输出前驱体载气，引燃控制电极位于中空导体输出端，并能够移动；
大功率微波源及输入耦合传输系统中，大功率微波源将其输出的大功率微波输入耦合至等离子体炬产生头中空导体输出端处；材料合成系统启动时，离子体炬产生头的引燃控制电极靠近等离子体炬产生头的中空导体输出端，在大功率微波作用下出现尖端击穿，尖端击穿后引燃控制电极抽离，置于材料生长区域，通过中心导体输出的前驱体载气，在尖端放电作用和大功率微波激励下通过雪崩效应形成稳定的高温常压等离子体炬；
其中，材料生长及控制系统又包括密封系统和材料生长控制系统，等离子体炬产生头的中空导体输出端插入到密封系统中，引燃控制电极也置于密封系统中；材料生长控制系统由一金属环、一外部可调直流电源以及等离子体炬产生头的引燃控制电极组成；
金属环置于等离子体炬产生头中空导体输出端处的密封系统的外壁上；外部可调直流电源分别连接在金属环与等离子体炬产生头的引燃控制电极，在外部可调直流电源控制下，在密封系统内的材料生长区域形成可调的静电场分布；前驱体经高温常压微波等离子炬裂解为活化粒子束流，在可调的静电场作用下改变其运动状态，从而控制活化粒子束流中的正负离子、电子或粒子的运动速度或成分比例，实现材料生长过程的可控。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明基于高温常压微波等离子体的材料合成系统，包括高温常压微波等离子体炬产生系统、材料生长及控制系统两个部分。在高温常压微波等离子体炬产生系统中，通过引燃控制电极靠近中空导体输出端，使得中空导体输出端在大功率微波作用下出现尖端击穿，通过中心导体输出的前驱体(随前驱体载气，即携带前驱体的前驱体载气气流)，在尖端放电作用和大功率微波激励下通过雪崩效应形成稳定的高温常压等离子体炬，前驱体经高温常压微波等离子炬裂解为活化粒子束流，解决了材料合成中前驱体裂解活化困难的问题。在材料生长及控制系统中，金属环与引燃控制电极在外部可调直流电源的控制下，在材料生长区域形成可调的静电场分布，活化粒子束流在可调的静电场作用下改变其运动状态，从而控制活化粒子束流中的正负离子、电子或粒子的运动速度或成分比例，实现材料生长过程的可控，解决了生长控制力弱的问题。此外，本发明的能效也得到了大大提高。
附图说明
图1是本发明基于高温常压微波等离子体的材料合成系统一种具体实施方式的结构示意图；
图2是图1所示高温常压微波等离子体炬产生系统的结构示意图；
图3是图2所示材料生长及控制系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
图1是本发明基于高温常压微波等离子体的材料合成系统一种具体实施方式的结构示意图。
在本实施例中，如图1所示，本发明基于高温常压微波等离子体的材料合成系统包括高温常压微波等离子体炬产生系统和材料生长及控制系统两大部分(以黑粗实线划分，左边为高温常压微波等离子体炬产生系统，右边为材料生长及控制系统。
高温常压微波等离子体炬产生系统利用高温常压微波等离子体炬裂解材料生长的前驱体，形成材料生长的粒子源，粒子源的粒子在气流带动下进入生长区。在温控系统和材料生长控制系统作用下形成材料生长条件，合成目标材料。
1、高温常压微波等离子体炬产生系统
高温常压微波等离子体炬产生系统用于产生高温常压微波等离子体炬，以其数千摄氏度高温和高频电磁振荡等特性，使得不同形态、不同种类、不同结构前驱体能够快速裂解为由原子、分子、离子、电子或分子团组成的活化粒子束流，为材料生长(合成)提供充足可控的粒子源。
在本实施例中，如图2所示，高温常压微波等离子体炬产生系统又包括大功率微波源及输入耦合传输系统、等离子体炬产生头以及炬约束与保护气膜形成和水循环隔温系统。
1)、大功率微波源及输入耦合传输系统
在本实施例中，如图2所示，大功率微波源及输入耦合传输系统中，大功率微波源将其输出的大功率微波(数十至数千瓦)输入耦合并传输至等离子体炬产生头中空导体输出端处。
大功率微波源及输入耦合传输系统由大功率微波源、输入耦合传输系统组成。在本实施例中，大功率微波源为频率2.45GHz或0.915GHz的大功率固态源或电真空源(如磁控管)，可以输出几瓦到数十千瓦大功率微波，输出功率大小可调。输入耦合传输系统主体为一端封闭、另一端开放的圆柱形同轴金属结构，可将大功率微波源输出微波输入耦合到等离子体炬产生头中空导体输出端处，包括同轴外导体10以及同轴内导体11；同轴内导体11为中空圆柱金属管，一端通过封闭端与载气气体源连接，为载气的输入通道，另一端与等离子体炬产生头中空导体12的输入端连通。同轴外导体10靠近封闭端一侧开一孔，安装能连接大功率微波源输出头的同轴连接头13；同轴连接头13的内导体延伸至圆柱形同轴金属结构内，与圆柱形同轴金属结构内的同轴内导体11连接；同轴连接头的内外导体分别与圆柱形同轴金属结构的同轴内导体11和同轴外导体10保持良好的电接触；输入的大功率微波在圆柱形同轴金属结构的同轴内导体11、同轴外导体10间沿轴线向开口端传输，实现大功率微波高效稳定输入耦合及传输功能。在本实施例中，同轴连接头13为L16或L32的同轴连接头
2)、等离子体炬产生头
等离子体炬产生头由一段中空导体12以及一引燃控制电极14组成，中空导体12一端(输入端)输入前驱体载气，另一端(输出端)输出前驱体载气，引燃控制电极14位于中空导体12输出端，并能够移动。在本实施例中，引燃控制电极14在中空导体12输出端的延长线上，等离子体炬产生头的中空导体长度短于外导体。
在本实施例中，如图2所示，中空导体12为中空圆柱金属管，与同轴内导体11连为一体；同轴内导体11与中空导体12连为一体的长度小于同轴外导体10的长度。这样，大功率微波在同轴内导体11、同轴外导体10间以及中空导体12、同轴外导体10间沿轴线向开口端传输，在中空导体12输出端处，形成截止波导结构，即截止传输线，防止微波外泄；同时，实现大功率微波源将其输出的大功率微波耦合输入至等离子体炬产生头中空导体12输出端处；材料合成系统启动时，离子体炬产生头的引燃控制电极14靠近等离子体炬产生头的中空导体12输出端，在大功率微波作用下出现尖端击穿，尖端击穿后引燃控制电极14抽离，置于材料生长区域，通过中心导体12输出的前驱体(随前驱体载气)，在尖端放电作用和大功率微波激励下通过雪崩效应形成稳定的高温常压等离子体炬。
当前驱体气体时，其直接作为载气，在高温常压微波等离子炬中裂解为活化粒子束流；当前驱体流体时，与载气流混合加入，经高温常压微波等离子炬中裂解为活化粒子束流；当前驱体固体时，前驱体制备为径向尺寸与中空导体相同的中空圆柱体，置于中空导体输出端处，经高温常压微波等离子炬中裂解为活化粒子束流。
3)、炬约束与保护气膜形成和水循环隔温系统
在本实施例中，所述高温常压微波等离子体炬产生系统还包括炬约束与保护气膜形成和水循环隔温系统，由炬约束与保护气膜形成部分以及水循环隔温部分组成。
炬约束与保护气膜形成部分为：在圆柱形同轴金属结构的同轴外导体10靠近封闭端处沿同轴外导体10壁切线方向开氛围气体注入孔15，氛围气体注入孔15通过金属导管与外部氛围气源相连；在流量控制器的控制下外部氛围气源按照材料合成要求，通过氛围气体注入孔15输入一定流速的氛围气体，在圆柱形同轴金属结构的同轴内导体11、同轴外导体10间以及等离子体炬产生头的中空导体12与圆柱形同轴金属结构的同轴外导体10之间形成向开口端运动的气流柱；气流柱为圆柱形同轴金属结构的同轴外导体10内壁的保护气模，防止高温常压等离子体炬与同轴外导体10之间击穿，同时具有隔热效应，保护同轴外导体10内壁不被高温烧蚀；气流柱同时也将高温常压等离子体炬约束在一定区域内，以便于形成稳定的高温常压等离子体炬以及前驱体裂解为活化粒子束流。在本实施例中，氛围气体为氢气。
水循环隔温部分为：在圆柱形同轴金属结构开放端方向同轴外导体10外加一中空同轴圆柱形金属腔体16。该中空同轴圆柱形金属腔体16与同轴外导体10连为一体，中空同轴圆柱形金属腔体16的内径与同轴外导体10外径相同，中空同轴圆柱形金属腔体16靠圆柱形同轴金属结构开放端一侧的外侧壁为一圆环，作为密封法兰档板17，用于封闭材料生长区域；中空同轴圆柱形金属腔体16上有两个金属小孔与外部水循环系统相连，将大功率微波源及输入耦合传输系统与高温常压等离子体炬、材料生长区域进行热隔离。
2、材料生长及控制系统
材料合成需要按要求保持纯净氛围，合成区域需密封、温度分布可控制、可抽真空，同时可根据材料合成需求控制合成所需前驱体裂解后的活化粒子束流浓度以及运动速度。
在本实施例中，如图3所示，材料生长及控制系统又包括密封系统、温度分布控制系统和材料生长控制系统。
2.1)、密封系统
在本实施中，密封系统为一段石英玻璃管20、两个水套法兰21、22、两个挡板17、23以及真空泵和真空测试仪构成。石英玻璃管20内腔为材料生长区域，水套法兰21、22套装在石英玻璃管20两头；圆柱形同轴金属结构开口端部分插入到石英玻璃管20前端，从而使同轴外导体10、等离子体炬产生头的中空导体12输出端插入到密封系统中；两个挡板17、23分别安装在石英玻璃管20两头，使石英玻璃管20形成密闭的材料生长区域；真空泵和真空测试仪通过石英玻璃管20末端水套法兰22上的两个小孔与材料生长区域相连，一个小孔连接真空泵的气体管道，另一个小孔插入真空测试仪探头；此外石英玻璃管20末端水套法兰22上还开有一小孔，为材料生长期间的尾气排出孔，与尾气收集器连接，石英玻璃管20末端的挡板23中心开一小孔，引燃控制电极14通过小孔插入石英玻璃管20内的材料生长区域。
石英玻璃管20前端的挡板17为中空同轴圆柱形金属腔体16靠圆柱形同轴金属结构开放端一侧的圆环。前端水套法兰21进一步将大功率微波源及输入耦合传输系统与高温常压等离子体炬、材料生长区域进行热隔离，防止高温对大功率微波源及输入耦合传输系统的损坏；末端水套法兰22将材料生长区域与系统其他部分进行隔热，起降温保护作用。水套法兰21、22的两个水循环孔与外部水循环系统相连，从而起到隔热降温的保护作用。
这样，等离子体炬产生头输出端插入到密封系统中，引燃控制电极14也置于密封系统中。
2.2)、温度分布控制系统
在本实施例中，在石英玻璃管20外壁安装同心圆柱加热系统24作为温度分布控制系统，在材料生长区域产生符合材料生长的温度；同心圆柱加热系统24沿石英玻璃管20环向为均匀加热，沿石英玻璃管20轴向可以提供一定温度梯度，温度控制范围在100℃-1500℃；同心圆柱加热系统24可根据材料生长需求沿石英玻璃20管轴向移动。
2.3)、材料生长控制系统
材料生长控制系统由一金属环25、一外部可调直流电源(未画出)以及等离子体炬产生头的引燃控制电极14组成。
在本实施例中，金属环25置于等离子体炬产生头中空导体12输出端处的石英玻璃管20外壁，即密封系统上；外部可调直流电源分别连接在金属环25与等离子体炬产生头的引燃控制电极14；在外部可调直流电源控制下，在密封系统(石英玻璃管)内的材料生长区域形成可调的静电场分布；前驱体经高温常压微波等离子炬裂解为活化粒子束流，在可调的静电场作用下改变其运动状态，从而控制活化粒子束流中的正负离子、电子或粒子的运动速度或成分比例，实现材料生长过程的可控。
在本实施例中，如图3所示，材料生长区域放有一基片26，用于材料生长。
本发明利用大功率微波的高频电磁振荡，裂解分子或原子，形成高温常压等离子体炬，实现材料生长的粒子源产生。高温常压等离子体炬最高温接近5000℃，附加高频电磁振荡，可以裂解目前绝大多数材料，形成以等离子体方式存在的活化粒子束流，为材料的生长合成提供必要条件。同时，通过活化粒子束流密度、温度、流速以及组分控制，外加电场分布设计和强度控制带电粒子源的运动，控制新型材料的生长过程，实现材料的可控生长，解决材料生长阶段可控性等问题。
本发明基于高温常压微波等离子体的材料合成系统在启动前，将载气气气气体源、氛围气气体源、大功率微波源、外部水循环系统、外部可调直流电源、真空泵、真空测试仪、尾气收集器连接到系统上。打开真空泵，抽取密封系统(石英玻璃管)内部空气；当真空测试仪显示合适真空度时，打开载气气体源以及氛围气气体源的管路开关，输入载气和氛围气体；当密封系统中气压接近常压时，关掉真空泵，打开尾气收集器的管路开关；此时打开同心圆柱加热系统的温度控制开关，加热材料生长区温度至设置值，同时打开外部水循环系统；此时打开大功率微波源，输入大功率微波，调节氛围气体和载气流量，并透过石英玻璃管壁观察中空导体(输出端)末端与引燃控制电极之间击穿与否；一旦发生击穿，立即抽离引燃控制电极，将其置于材料生长区域，同时外部可调直流电源输出可调直流电压，加载直流偏压到金属环和引燃控制电极，控制活化粒子束流速度及密度；当设置生长时间到时，依次关掉大功率微波源、同心圆柱加热系统、载气气体源；当温度降至常温时，关掉氛围气气体源、外部水循环系统，打开水套法兰，取出合成材料基片，完成材料合成。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (6)

1.一种基于高温常压微波等离子体的材料合成系统，其特征在于，包括高温常压微波等离子体炬产生系统、材料生长及控制系统；
其中，高温常压微波等离子体炬产生系统又包括大功率微波源及输入耦合传输系统和等离子体炬产生头，等离子体炬产生头由一段中空导体以及一引燃控制电极组成，中空导体一端(输入端)输入前驱体载气，另一端(输出端)输出前驱体载气，引燃控制电极位于中空导体输出端，并能够移动；
大功率微波源及输入耦合传输系统中，大功率微波源将其输出的大功率微波输入耦合至等离子体炬产生头中空导体输出端处，材料合成系统启动时，离子体炬产生头的引燃控制电极靠近等离子体炬产生头的中空导体输出端，在大功率微波作用下出现尖端击穿，尖端击穿后引燃控制电极抽离，置于材料生长区域；通过中心导体输出的载气前躯体，在尖端放电作用和大功率微波激励下通过雪崩效应形成稳定的高温常压等离子体炬；
其中，材料生长及控制系统又包括密封系统和材料生长控制系统，等离子体炬产生头的中空导体输出端插入到密封系统中，引燃控制电极也置于密封系统中，材料生长控制系统由一金属环、一外部可调直流电源以及等离子体炬产生头的引燃控制电极组成；
金属环置于等离子体炬产生头中空导体输出端处的密封系统上，外部可调直流电源分别连接在金属环与等离子体炬产生头的引燃控制电极，在外部可调直流电源控制下，在密封系统内的材料生长区域形成可调的静电场分布，前驱体经高温常压微波等离子炬裂解为活化粒子束流，在可调的静电场作用下改变其运动状态，从而控制活化粒子束流中的正负离子、电子或粒子的运动速度或成分比例，实现材料生长过程的可控。
2.根据权利要求1所述的基于高温常压微波等离子体的材料合成系统，其特征在于，所述输入耦合传输系统的主体为一端封闭、另一端开放的圆柱形同轴金属结构，可将大功率微波输入耦合至等离子体炬产生头中空导体输出端处，包括同轴外导体以及同轴内导体；
同轴内导体为中空圆柱金属管，一端通过封闭端与载气气体源连接，为载气的输入通道，另一端与等离子体炬产生头中空导体的输入端连通；
同轴外导体靠近封闭端一侧开一孔，安装能连接大功率微波源输出头的同轴连接头；同轴连接头的内导体延伸至圆柱形同轴金属结构内，与圆柱形同轴金属结构内的同轴内导体连接；同轴连接头的内、外导体分别与圆柱形同轴金属结构的同轴内导体和同轴外导体保持良好的电接触，输入的大功率微波在圆柱形同轴金属结构的同轴内导体、同轴外导体间沿轴线向开口端传输，实现大功率微波高效稳定输入耦合及传输功能。
3.根据权利要求1所述的基于高温常压微波等离子体的材料合成系统，其特征在于，所述引燃控制电极在等离子体炬产生头的内导体输出端的延长线上，等离子体炬产生头的中空导体长度短于外导体。
4.根据权利要求1所述的基于高温常压微波等离子体的材料合成系统，其特征在于，所述高温常压微波等离子体炬产生系统还包括炬约束与保护气膜形成和水循环隔温系统，由炬约束与保护气膜形成部分以及水循环隔温部分组成；
炬约束与保护气膜形成部分为：在圆柱形同轴金属结构的同轴外导体靠近封闭端处沿同轴外导体壁切线方向开氛围气体注入孔，氛围气体注入孔通过金属导管与外部氛围气源相连，在流量控制器的控制下外部氛围气源按照材料合成要求，通过氛围气体注入孔输入一定流速的氛围气体，在圆柱形同轴金属结构的同轴内导体、同轴外导体间以及等离子体炬产生头的中空导体与圆柱形同轴金属结构的同轴外导体之间形成向运动的气流柱；气流柱为圆柱形同轴金属结构的同轴外导体内壁的保护气模。
水循环隔温部分为：在圆柱形同轴金属结构开放端方向同轴外导体外加一中空同轴圆柱形金属腔体；该中空同轴圆柱形金属腔体与同轴外导体连为一体，中空同轴圆柱形金属腔体的内径与同轴外导体外径相同，中空同轴圆柱形金属腔体靠圆柱形同轴金属结构开放端一侧的外侧壁为一圆环，作为密封法兰档板，用于封闭材料生长区域；中空同轴圆柱形金属腔体上有两个金属小孔与外部水循环系统相连，将大功率微波源及输入耦合传输系统与高温常压等离子体炬、材料生长区域进行热隔离。
5.根据权利要求1所述的基于高温常压微波等离子体的材料合成系统，其特征在于，所述密封系统为一段石英玻璃管、两个水套法兰、两个挡板以及真空泵和真空测试仪构成；
石英玻璃管内腔为材料生长区域，水套法兰套装在石英玻璃管两头；圆柱形同轴金属结构开口端部分插入到石英玻璃管前端，；两个挡板别安装在石英玻璃管两头，使石英玻璃管形成密闭的材料生长区域；真空泵和真空测试仪通过石英玻璃管末端水套法兰上的两个小孔与材料生长区域相连，一个小孔连接真空泵的气体管道，另一个小孔插入真空测试仪探头；此外石英玻璃管末端水套法兰上还开有一小孔，为材料生长期间的尾气排出孔，与尾气收集器连接；石英玻璃管末端的挡板中心开一小孔，引燃控制电极通过小孔插入石英玻璃管内的材料生长区域；
石英玻璃管前端的挡板为中空同轴圆柱形金属腔体靠圆柱形同轴金属结构开放端一侧的圆环。
6.根据权利要求1所述的基于高温常压微波等离子体的材料合成系统，其特征在于，所述材料生长及控制系统还包括温度分布控制系统，在石英玻璃管外壁安装同心圆柱加热系统作为温度分布控制系统，在材料生长区域产生符合材料生长的温度；同心圆柱加热系统沿石英玻璃管环向为均匀加热，沿石英玻璃管轴向可以提供一定温度梯度，温度控制范围在100℃-1500℃；同心圆柱加热系统可根据材料生长需求沿石英玻璃管轴向移动。
CN202010625587.0A 2020-07-02 2020-07-02 一种基于高温常压微波等离子体的材料合成系统 Pending CN111763926A (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010625587.0A CN111763926A (zh) 2020-07-02 2020-07-02 一种基于高温常压微波等离子体的材料合成系统
US17/355,259 US11930585B2 (en) 2020-07-02 2021-06-23 Material synthesis technology by microwave plasma torch with atmospheric pressure and high temperature

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010625587.0A CN111763926A (zh) 2020-07-02 2020-07-02 一种基于高温常压微波等离子体的材料合成系统

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111763926A true CN111763926A (zh) 2020-10-13

Family

ID=72724501

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010625587.0A Pending CN111763926A (zh) 2020-07-02 2020-07-02 一种基于高温常压微波等离子体的材料合成系统

Country Status (2)

Country Link
US (1) US11930585B2 (zh)
CN (1) CN111763926A (zh)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11692488B2 (en) 2020-11-04 2023-07-04 Delavan Inc. Torch igniter cooling system
US11473505B2 (en) 2020-11-04 2022-10-18 Delavan Inc. Torch igniter cooling system
US11608783B2 (en) 2020-11-04 2023-03-21 Delavan, Inc. Surface igniter cooling system
US11635027B2 (en) 2020-11-18 2023-04-25 Collins Engine Nozzles, Inc. Fuel systems for torch ignition devices
US11421602B2 (en) 2020-12-16 2022-08-23 Delavan Inc. Continuous ignition device exhaust manifold
US11486309B2 (en) * 2020-12-17 2022-11-01 Delavan Inc. Axially oriented internally mounted continuous ignition device: removable hot surface igniter
US11635210B2 (en) 2020-12-17 2023-04-25 Collins Engine Nozzles, Inc. Conformal and flexible woven heat shields for gas turbine engine components
US11754289B2 (en) 2020-12-17 2023-09-12 Delavan, Inc. Axially oriented internally mounted continuous ignition device: removable nozzle
US11209164B1 (en) 2020-12-18 2021-12-28 Delavan Inc. Fuel injector systems for torch igniters
US11680528B2 (en) 2020-12-18 2023-06-20 Delavan Inc. Internally-mounted torch igniters with removable igniter heads

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1049870A (zh) * 1989-06-28 1991-03-13 佳能株式会社 采用微波等离子法连续制成大面积功能淀积薄膜的方法以及适用该方法的设备
CN1451781A (zh) * 2003-05-09 2003-10-29 华南师范大学 增强有机金属化学气相沉积薄膜的装置及方法
US20050163696A1 (en) * 2004-01-28 2005-07-28 Uhm Han S. Synthesis of carbon nanotubes by making use of microwave plasma torch
US20150091442A1 (en) * 2012-04-19 2015-04-02 Roth & Rau Ag Microwave plasma generating device and method for operating same
CN207070436U (zh) * 2017-07-03 2018-03-02 李容毅 一种双腔激励的增强型微波等离子体炬发生装置

Family Cites Families (34)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU415625B2 (en) * 1965-11-02 1971-07-27 Commonwealth Scientific And Industrial Research Organization Production of metals from their halides
CH565867A5 (zh) * 1969-03-13 1975-08-29 Potters Ballotini Gmbh
US5174962A (en) * 1988-06-20 1992-12-29 Genomyx, Inc. Apparatus for determining DNA sequences by mass spectrometry
WO1994006263A1 (en) * 1992-09-01 1994-03-17 The University Of North Carolina At Chapel Hill High pressure magnetically assisted inductively coupled plasma
US5847355A (en) * 1996-01-05 1998-12-08 California Institute Of Technology Plasma-assisted microwave processing of materials
US5811055A (en) * 1996-02-06 1998-09-22 Geiger; Michael B. Torch mounted gas scavaging system for manual and robotic welding and cutting torches
US6888040B1 (en) * 1996-06-28 2005-05-03 Lam Research Corporation Method and apparatus for abatement of reaction products from a vacuum processing chamber
US20090142257A1 (en) * 1997-07-22 2009-06-04 Blacklight Power, Inc. Inorganic hydrogen compounds and applications thereof
US20090129992A1 (en) * 1997-07-22 2009-05-21 Blacklight Power, Inc. Reactor for Preparing Hydrogen Compounds
US20090123356A1 (en) * 1997-07-22 2009-05-14 Blacklight Power, Inc. Inorganic hydrogen compounds
US20090148731A1 (en) * 1998-01-20 2009-06-11 Mills Randell L Hydride battery and fuel cell
US7091605B2 (en) * 2001-09-21 2006-08-15 Eastman Kodak Company Highly moisture-sensitive electronic device element and method for fabrication
US6552295B2 (en) * 1999-12-20 2003-04-22 Research Triangle Institute Plasma furnace disposal of hazardous wastes
US6696662B2 (en) * 2000-05-25 2004-02-24 Advanced Energy Industries, Inc. Methods and apparatus for plasma processing
US6821379B2 (en) * 2001-12-21 2004-11-23 The Procter & Gamble Company Portable apparatus and method for treating a workpiece
US20040118348A1 (en) * 2002-03-07 2004-06-24 Mills Randell L.. Microwave power cell, chemical reactor, and power converter
CA2385802C (en) * 2002-05-09 2008-09-02 Institut National De La Recherche Scientifique Method and apparatus for producing single-wall carbon nanotubes
CA2505996A1 (en) * 2002-11-15 2004-06-03 Mcgill University Method and apparatus for producing single-wall carbon nanotubes
US8471171B2 (en) * 2004-05-28 2013-06-25 Robert O. Price Cold air atmospheric pressure micro plasma jet application method and device
US7833505B2 (en) * 2005-04-13 2010-11-16 Continental Carbon Company Methods and systems for synthesis on nanoscale materials
US20070007257A1 (en) * 2005-07-05 2007-01-11 Uhm Han S Microwave plasma burner
US20080296294A1 (en) * 2007-05-30 2008-12-04 Han Sup Uhm Pure steam torch by microwaves for reforming of hydrocarbon fuels
EP2249712B8 (en) * 2008-02-21 2018-12-26 Ethicon LLC Method and apparatus for elevating retainers on self-retaining sutures
US7601324B1 (en) * 2008-07-11 2009-10-13 King Fahd University Of Petroleum And Minerals Method for synthesizing metal oxide
US9409141B2 (en) * 2011-07-14 2016-08-09 University Of Louisville Research Foundation Methods for synthesizing metal oxide nanowires
US10304665B2 (en) * 2011-09-07 2019-05-28 Nano-Product Engineering, LLC Reactors for plasma-assisted processes and associated methods
US10858296B1 (en) * 2012-06-27 2020-12-08 James J. Myrick Energetics, compositions, manufacture and applications
WO2014165255A1 (en) * 2013-03-12 2014-10-09 Foret Plasma Labs, Llc Apparatus and method for sintering proppants
US20140263181A1 (en) * 2013-03-15 2014-09-18 Jaeyoung Park Method and apparatus for generating highly repetitive pulsed plasmas
JP6734061B2 (ja) * 2016-01-29 2020-08-05 アジレント・テクノロジーズ・インクＡｇｉｌｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ， Ｉｎｃ． プラズマ分光分析装置
US10710313B2 (en) * 2016-11-07 2020-07-14 Iftikhar Ahmad Near-field microwave heating system and method
JP6954769B2 (ja) * 2017-06-09 2021-10-27 三菱マテリアル電子化成株式会社 窒化ジルコニウム粉末及びその製造方法
EP3841079A4 (en) * 2018-08-23 2022-05-25 Transform Materials LLC SYSTEMS AND METHODS FOR GAS TREATMENT
US20210115531A1 (en) * 2019-10-17 2021-04-22 Jin Tong Wang Microwave Gun and Arc Plasma Torch Furnace

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1049870A (zh) * 1989-06-28 1991-03-13 佳能株式会社 采用微波等离子法连续制成大面积功能淀积薄膜的方法以及适用该方法的设备
CN1451781A (zh) * 2003-05-09 2003-10-29 华南师范大学 增强有机金属化学气相沉积薄膜的装置及方法
US20050163696A1 (en) * 2004-01-28 2005-07-28 Uhm Han S. Synthesis of carbon nanotubes by making use of microwave plasma torch
US20150091442A1 (en) * 2012-04-19 2015-04-02 Roth & Rau Ag Microwave plasma generating device and method for operating same
CN207070436U (zh) * 2017-07-03 2018-03-02 李容毅 一种双腔激励的增强型微波等离子体炬发生装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LI, DS ET AL.: "Synthesis of Multiwalled Carbon Nanotubes on Stainless Steel by Atmospheric Pressure Microwave Plasma Chemical Vapor Deposition", 《APPLIED SCIENCES-BASEL》 *

Also Published As

Publication number Publication date
US20220007488A1 (en) 2022-01-06
US11930585B2 (en) 2024-03-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111763926A (zh) 一种基于高温常压微波等离子体的材料合成系统
CN104411082A (zh) 等离子源系统和等离子生成方法
CN110735776B (zh) 一种自冷式微波增强电推力器
TWI553687B (zh) 低功率下之自我保持非雙極直流電漿
Jarrige et al. Characterization of a coaxial ECR plasma thruster
EP0318539A1 (en) Microwave plasma generator
US20140126679A1 (en) Renewable energy production process with a device featuring resonant nano-dust plasma, a cavity resonator and an acoustic resonator
CN103956314B (zh) 一种微波驱动无铯负氢离子源
CN101346032A (zh) 大气压微波等离子体发生装置
CN107091210A (zh) 一种基于毛细管放电的脉冲等离子体推力器
Jarrige et al. Performance comparison of an ECR plasma thruster using argon and xenon as propellant gas
WO2012067546A2 (en) Device for producing of fullerene-containing soot
WO2021243966A1 (zh) 基于预电离点火装置的大气压射频热等离子体发生器
CN107061210B (zh) 一种基于电热电磁混合加速的脉冲等离子体推力器
CN201230400Y (zh) 一种大气压微波等离子体发生装置
CN105764227A (zh) 一种高束流直流空心阴极等离子体源
CN104470185A (zh) 100kw高频感应发生器
CN210928112U (zh) 一种微波等离子体发生装置
US3388291A (en) Annular magnetic hall current accelerator
CN110139459B (zh) 一种基于旋转磁场高密度球形等离子体发生装置
CN111491437B (zh) 一种非射流常压大体积微波等离子体发生方法
CN100465610C (zh) 微波热解沉积致密化装置
JP2009272127A (ja) プラズマ発生装置及びプラズマ処理装置
Green Waveguide ECR thruster prototype could lead to significant changes in space propulsion
JPS6328874A (ja) 反応装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20201013