CN111816546A - 一种微波无极紫外灯、控制方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微波等离子体技术领域，公开了一种微波无极紫外灯、控制方法及其应用，矩形波导管一端为金属短路面，另一端为一个微波馈口；矩形波导管的缝隙上方连接一个放置紫外灯管的金属圆柱谐振腔。矩形波导管上开4个缝隙，每个缝隙上方连接一个放置紫外灯管的金属圆柱谐振腔。矩形波导管为开了缝隙的BJ22矩形波导。本发明可以解决在紫外灯被制作成大型支架结构时紫外灯强度不均一的问题，使得在用于明渠中的灭菌处理时，灭菌效果达到均一。本发明的结构使微波能量通过各个缝隙均一的耦合，且在波导外部点亮紫外灯，简化了结构。该发明可以在灭菌处理时，使得被处理的污水在各个地方的灭菌效果均一。
Description
技术领域
本发明属于微波等离子体技术领域，尤其涉及一种微波无极紫外灯、控制方法及其应用。
背景技术
目前，随着科学技术的不断发展，微波能作为一种新型高效的清洁能源在食品加工、化工、医药等各个领域得到了越来越多的应用。等离子体方面的应用也很广泛，比如激发等离子体，产生高温用于一些物质的降解，亦或是等离子体光源。传统的等离子体有直流激发，有电极激发等方式，与传统的激发等离子体的方法相比，微波等离子体具有高效节能、清洁无污染等特点。如今，微波等离子体在许多领域得到了广泛的应用。微波无极紫外灯可用于激发紫外光源，称之为微波无极紫外灯，该种结构常用于明渠中污水的杀菌处理，在大型的工业应用中，这种无极紫外灯结构常被制作成大型的支架结构。微波点亮紫外灯的过程是一些通有氩气或是氮气等气体的紫外灯管处于高频电磁场中，吸收微波能量，产生电离，从而激发等离子体，等离子体中的粒子碰撞，电子从高能级跃迁到低能级，放出能量，这种能量为一种波长在紫外波段的光源，从而产生紫外光。但是由于电磁场在腔体内的分布不均匀，导致了微波无极紫外灯放出的紫外光强度存在不均一特性。因此，在腔体不同处放出紫外光强度一致的结构成为了研究的重点。
现有的微波无极紫外灯技术中，有多个波导通过缝隙耦合能量到同一个谐振腔中，场强在谐振腔中均匀分布。也有在单个波导内部激发无极紫外灯，波导有圆波导和矩形波导等，由于需要考虑散热，以及当该装置应用于水下消毒处理时的密封问题。现有的微波无极紫外灯用于明渠中的灭菌处理，常制作成大型的支架结构，紫外灯管存在亮度不均一等问题。微波在激发等离子体，点亮紫外灯管时，由于微波能量在腔体中分布不均匀，不同的紫外灯管会出现紫外光强度不均一的现象。现有的微波无极紫外灯结构，常在波导内部激发紫外灯，所以在波导外部点亮紫外灯也是研究的一个方向。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：传统的微波无极紫外灯存在紫外光强度不均一以及在波导内部激发无极紫外灯。
解决以上问题及缺陷的难度为：其一，需研制出一种新型的微波无极紫外灯结构，该结构在波导外部点灯。其二，需要改善当微波无极紫外灯结构用于明渠中的污水处理时的紫外光强不均一性，由于光强不均一，导致的杀菌效果不均一以及杀菌盲区的存在。
解决以上问题及缺陷的意义为：研制一种新型的微波无极紫外灯结构，其解决了波导外部点灯技术问题，可以简化整个腔体结构，方便安装清洗。当微波无极紫外制成大型支架结构时，改善了其紫外光强的均一性，使得整个结构杀菌效果均一，且避免了杀菌盲区的存在。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种微波无极紫外灯、控制方法及其应用。
本发明是这样实现的，一种微波无极紫外灯，所述微波无极紫外灯设置有：
矩形波导管；
所述矩形波导管一端为金属短路面，另一端为一个微波馈口；
所述矩形波导管的缝隙上方连接一个放置紫外灯管的金属圆柱谐振腔。
进一步，所述矩形波导管上开4个缝隙，每个缝隙上方连接一个放置紫外灯管的金属圆柱谐振腔。
进一步，所述矩形波导管为开了缝隙的BJ22矩形波导。
本发明的另一目的在于提供一种所述微波无极紫外灯的控制方法，所述微波无极紫外灯的控制方法包括：矩形波导内部，电流会沿着波导的轴向传导，沿着宽边开缝隙，切割电流，切割电流越多，从缝隙耦合的能量越大，电磁波从波导辐射出去到金属圆柱谐振腔的腔体中，传播到紫外灯管附近。由于距离馈口越近的缝隙率先耦合微波能量，故相较于距离远的相同尺寸缝隙耦合能量越多，为了微波能量通过波导缝隙均一耦合，通过FDTD算法，计算各个缝隙的长和宽，增加长和宽，耦合的能量也增加。最终得到优化结果，实现每根紫外灯管附近的电场强度大小均一，最终每根紫外灯管在矩形波导管外部点亮。
进一步，所述微波无极紫外灯的控制方法还包括：微波能量通过微波发生器由微波馈口通过波导缝隙耦合到金属圆柱谐振腔中，激发等离子体，在波导外部点亮紫外灯管放出紫外光。
本发明的另一目的在于提供一种应用于所述微波无极紫外灯在食品加工中的微波无极紫外灯。
本发明的另一目的在于提供一种应用于所述微波无极紫外灯在化工生成中的微波无极紫外灯。
本发明的另一目的在于提供一种应用于所述微波无极紫外灯在医药生成中的微波无极紫外灯。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明可以解决在紫外灯被制作成大型支架结构时紫外灯强度不均一的问题，使得在用于明渠中的灭菌处理时，灭菌效果达到均一。本发明的结构使微波能量通过各个缝隙均一的耦合，且在波导外部点亮紫外灯，简化了结构。该发明可以在灭菌处理时，使得被处理的污水在各个地方的灭菌效果均一。
附图说明
图1是本发明实施例提供的微波无极紫外灯的结构示意图；
图中：1、紫外灯管；2、金属圆柱谐振腔；3、矩形波导管；4、微波能量发生器。
图2是本发明实施例提供的微波无极紫外灯的电场分布示意图。
图3为本发明实施例中微波无极紫外灯实际点亮情况示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种微波无极紫外灯、控制方法及其应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的微波无极紫外灯包括：紫外灯管1、金属圆柱谐振腔2、矩形波导管3、微波能量发生器4。
矩形波导管3一端为金属短路面，另一端为一个微波馈口，矩形波导管3上开4个缝隙，每个缝隙上方连接一个放置紫外灯管1的金属圆柱谐振腔2，微波能量发生器4由微波馈口通过波导缝隙耦合到金属圆柱谐振腔2中，激发等离子体，在波导外部点亮紫外灯管放出紫外光。
在本发明的优选实施例中，矩形波导管3为开了缝隙的标准的BJ22矩形波导。
在本发明的优选实施例中，4根紫外灯管1放出的紫外光强度均一。
本发明提供一种所述微波无极紫外灯的控制方法，包括：
矩形波导内部，电流会沿着波导的轴向传导，沿着宽边开缝隙，切割电流，切割电流越多，从缝隙耦合的能量越大，电磁波从波导辐射出去到金属圆柱谐振腔的腔体中，传播到紫外灯管附近。由于距离馈口越近的缝隙率先耦合微波能量，故相较于距离远的相同尺寸缝隙耦合能量越多，为了微波能量通过波导缝隙均一耦合，通过FDTD算法，计算各个缝隙的长和宽，增加长和宽，耦合的能量也增加。
最终得到优化结果，实现每根紫外灯管附近的电场强度大小均一，最终每根紫外灯管在矩形波导管外部点亮。
所述微波无极紫外灯的控制方法还包括：微波能量通过微波发生器由微波馈口通过波导缝隙耦合到金属圆柱谐振腔中，激发等离子体，在波导外部点亮紫外灯管放出紫外光。
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的微波无极紫外灯包括：矩形波导管3、4个金属圆柱谐振腔2和4根紫外灯管1，微波能量通过矩形波导管3上开的缝隙到达金金属圆柱谐振腔2的腔体中，最终传播到紫外灯管1附近，微波能量通过波导缝隙均一耦合，使得每根紫外灯管1附近的电场强度大小均一，最终每根紫外灯管1在矩形波导管3外部点亮，发出强度均一的紫外光，杀菌效果达到均一。
下面结合具体具体实验数据对本发明作进一步描述。
如图2所示，紫外灯管1为微波无极紫外灯结构的电场分布，设置图例的范围为0-15000V/m，通过图2观察到每根紫外灯管1附近的电场强度均一。计算微波馈口的的反射系数，均小于-10dB。可以看出，微波能量得到了高效的利用。
如图3所示，加工好成品之后，本发明实际点亮该发明的现象如图，4根紫紫外灯管1放出的紫外光强度均一。
表1
该表格是四根紫外灯管点亮时利用光谱仪所测得的紫外光强度，从正面证明了，实现了均一性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种微波无极紫外灯，其特征在于，所述微波无极紫外灯设置有：
矩形波导管；
所述矩形波导管一端为金属短路面，另一端为一个微波馈口；
所述矩形波导管的缝隙上方连接一个放置紫外灯管的金属圆柱谐振腔。
2.如权利要求1所述的微波无极紫外灯，其特征在于，所述矩形波导管上开4个缝隙，每个缝隙上方连接一个放置紫外灯管的金属圆柱谐振腔。
3.如权利要求1所述的微波无极紫外灯，其特征在于，所述矩形波导管为开有缝隙的矩形波导。
4.一种如权利要求1所述微波无极紫外灯的控制方法，其特征在于，所述微波无极紫外灯的控制方法包括：
矩形波导内部，电流沿着波导的轴向传导，沿着宽边开缝隙，切割电流；
电磁波从波导辐射出去到金属圆柱谐振腔的腔体中，传播到紫外灯管；
通过FDTD算法，计算各个缝隙的长和宽，优化每个缝隙的长和宽，使各缝隙均一耦合微波能量；
实现每根紫外灯管在矩形波导管外部点亮。
5.如权利要求4所述的微波无极紫外灯的控制方法，其特征在于，所述微波无极紫外灯的控制方法还包括：微波能量通过微波发生器由微波馈口通过波导缝隙耦合到金属圆柱谐振腔中，激发等离子体，在波导外部点亮紫外灯管放出紫外光。
6.一种应用于权利要求1～3任意一项所述微波无极紫外灯在食品加工中的微波无极紫外灯。
7.一种应用于权利要求1～3任意一项所述微波无极紫外灯在化工生成中的微波无极紫外灯。
8.一种应用于权利要求1～3任意一项所述微波无极紫外灯在医药生成中的微波无极紫外灯。
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