CN112930017A - 一种新型的微波高效等离子体火炬发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型的微波高效等离子体火炬发生器，它包括第一波导和第二波导，所述第一波导通过波导压缩过渡结构与所述第二波导连接；在所述第二波导内设置有特殊结构的渐变折射率超材料，使得在所述第二波导内得到需要的折射率分布，实现电场的压缩提高电场强度。本发明的优点在于：通过折射率渐变超界面实现了压缩波导内电场的增强，使得等离子火炬更容易维持，且损耗更低，可以使用较小的功率就能够得到较强的等离子火炬。

Description

一种新型的微波高效等离子体火炬发生器
技术领域
本发明涉及微波技术领域，尤其涉及一种新型的微波高效等离子体火炬发生器。
背景技术
等离子体是一种由大量电子、离子和中性粒子所组成的，宏观呈中性的物质的聚集状态，也被称为继固态、液态和气态之后的物质的“第四态”。等离子体产生的原因一般认为是无规则的热运动，而温度和外加电磁场是造成这种无规则运动的两大主要因素。由温度变化而产生的等离子体类似于蜡烛中的火焰，电离度较低；由外加电磁场产生并维持的等离子体，结构多变，实用性强，是人造等离子体的主要组成部分。当激发等离子体的外加电磁场频率达到微波波段时，这种等离子体被称为微波等离子体。相比于直流、交流和射频等离子体，微波等离子体无需电极，电子密度、电子温度和气体温度更高，从微波到等离子体的能量转换效率也较高。这些优势使得微波等离子体在日常生活、能源、化工和材料等领域得到了广泛的应用。
目前常用的产生等离子体的方法有两种，一种通过压缩波导的形式产生高能量密度的等离子体火炬，另一种则通过在微波反应腔内直接形成等离子体云；传统的微波等离子体火炬是通过压缩波导窄边以增强放电区域的场强，当微波输入功率为1.5kW时，波导内的电场可达7×104v/m，但是这样的电场强度仍无法使空气自激发成等离子体，所以这种结构需要人为地外加点火装置，通过尖端放电的形式，再次增强局部电场，从而激发等离子体。因此，现有等离子体激发装置由于波导内电场强度较小，导致存在着点火困难、等离子体火炬不易维持、空气等离子体气体流速大时等离子体容易熄灭等问题。虽然可以通过提高微波功率的方法来提高压缩波导内的电场前度，但是电场强度提升一倍，需要微波功率增加3倍。且当功率微波发生器价格昂贵，微波发生器的价格与微波功率成指数增长。通过提高功率的方法来提高电场强度，成本极高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种新型的微波高效等离子体火炬发生器，解决了现有等离子体激发装置存在的不足。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种新型的微波高效等离子体火炬发生器，它包括第一波导和第二波导，所述第一波导通过波导压缩过渡结构与所述第二波导连接；在所述第二波导内设置有特殊结构的渐变折射率超材料，使得在所述第二波导内得到需要的折射率分布，实现电场的压缩提高电场强度。
进一步地，所述渐变折射率超材料包括设置在所述第二波导内两个相对的腔体面上设置有第一介电常数介质板结构和第二介电常数介质板结构；所述第一介电常数介质板结构设置在第二介电常数介质板结构的一侧，共同组成折射率渐变超界面；在所述第一介电常数介质板结构和第二介电常数介质板结构上开设了不同尺度的贯穿孔，使得由所述第一介电常数介质板结构和第二介电常数介质板结构组成的超界面在所述第二波导内得到需要的折射率分布，实现电场的压缩提高电场强度。
进一步地，所述第一波导为BJ22波导，所述第二波导为压缩后的BJ22波导；所述第一波导包括一立体的方形腔室结构。
进一步地，所述第一介电常数介质板结构包括多个第一介电常数介质板，每个第一介电常数介质板依次排列的设置在所述第二波导的两个相对的腔体面上。
进一步地，所述第二介电常数介质板结构包括多个第二介电常数介质板，每个第二介电常数介质板依次排列的设置在所述第二波导的两个相对的腔体面上。
进一步地，在每个所述第一介电常数介质板和每个所述第二介电常数介质板上开设有不同尺度的贯穿孔，进而使得介质板等效介电常数改变，从而实现折射率渐变。
进一步地，所述第一介电常数介质板的介电常数与第二介电常数介质板的介电常数可以都为介电常数25的陶瓷介质板，通过介质板上开设尺寸递增的贯穿孔，以实现介质板介电常数的渐变，进而实现折射率的渐变。
本发明具有以下优点：一种新型的微波高效等离子体火炬发生器，通过折射率渐变超界面实现了压缩波导内电场的增强，使得等离子火炬更容易维持，且损耗更低，可以使用较小的功率就能够得到较强的等离子火炬。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为传统通过压缩波导窄边实现电场压缩的效果示意图；
图3为本发明实现电场压缩的效果示意图；
图4为电磁波传输示意图；
图中：1-渐变折射率超材料，2-第一波导，3-第二波导，4-波导压缩过渡结构，5-贯穿孔，6-第一介电常数介质板，7-第二介电常数介质板。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的保护范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域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例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步的描述。
如图1所示，本发明涉及一种新型的微波高效等离子体火炬发生器，它包括第一波导2和第二波导3，所述第一波导2通过波导压缩过渡结构4与所述第二波导3连接；在所述第二波导3内设置有特殊结构的渐变折射率超材料1，使得在所述第二波导3内得到需要的折射率分布，实现电场的压缩提高电场强度。
具体地，渐变折射率超材料1包括设置在所述第二波导3内两个相对的腔体面上设置有第一介电常数介质板结构和第二介电常数介质板结构；所述第一介电常数介质板结构设置在第二介电常数介质板结构的一侧，共同组成折射率渐变超界面；在所述第一介电常数介质板结构和第二介电常数介质板结构上开设了不同尺度的贯穿孔5，使得由所述第一介电常数介质板结构和第二介电常数介质板结构组成的超界面在所述第二波导3内得到需要的折射率分布，实现电场的压缩提高电场强度。
具体地，第一波导2为BJ22波导，所述第二波导3为压缩后的BJ22波导；所述第一波导2包括一立体的方形腔室结构。
具体地，第一介电常数介质板结构包括多个第一介电常数介质板6，每个第一介电常数介质板6依次排列的设置在所述第二波导3的两个相对的腔体面上。
所述第二介电常数介质板结构包括多个第二介电常数介质板7，每个第二介电常数介质板7依次排列的设置在所述第二波导3的两个相对的腔体面上。
具体地，在每个第一介电常数介质板6和每个所述第二介电常数介质板7上开设有不同尺度的贯穿孔5，进而使得介质板等效介电常数改变，从而实现折射率渐变。
具体地，所述第一介电常数介质板6的介电常数与第二介电常数介质板7的介电常数可以都为介电常数25的陶瓷介质板，通过介质板上开设尺寸递增的贯穿孔5，以实现介质板介电常数的渐变，进而实现折射率的渐变。。
如图2和图3所示，传统的通过压缩波导窄边实现电场的压缩，压缩效果如图2，通过这种结构可以在1.5kW微波功率下达到7×104v/m的电场强度；在传统的压缩波导中设计电磁超材料结构，通过这超材料实现电场的聚焦，该结构可以在1.5kW微波功率下达到1.4×105v/m的电场强度，在输入功率不变的情况下将压缩波导内电场强度提高两倍。
进一步地，渐变折射率超材料使用介电常数为25的陶瓷制成，通过在陶瓷板中开设一定规律变化的方形贯穿孔槽来实现介电常数的渐变以及折射率的渐变。具体变化规律包括贯穿孔5的尺寸递增的变化规律。
如图4所示，本发明的工作原理和非互易传输波导一致，由于渐变折射率材料的存在，所以会将微波进行聚焦，电磁波每次反射，其反射角都会少于入射角，因此微波能量在波导尾部聚焦使用波导窄边压缩，从而使电场强度增加。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种新型的微波高效等离子体火炬发生器，其特征在于：它包括第一波导(2)和第二波导(3)，所述第一波导(2)通过波导压缩过渡结构(4)与所述第二波导(3)连接；在所述第二波导(3)内设置有特殊结构的渐变折射率超材料(1)，使得在所述第二波导(3)内得到需要的折射率分布，实现电场的压缩提高电场强度。
2.根据权利要求1所述的一种新型的微波高效等离子体火炬发生器，其特征在于：所述渐变折射率超材料(1)包括设置在所述第二波导(3)内两个相对的腔体面上设置有第一介电常数介质板结构和第二介电常数介质板结构；所述第一介电常数介质板结构设置在第二介电常数介质板结构的一侧，共同组成折射率渐变超界面；在所述第一介电常数介质板结构和第二介电常数介质板结构上开设了不同尺度的贯穿孔(5)，使得由所述第一介电常数介质板结构和第二介电常数介质板结构组成的超界面在所述第二波导(3)内得到需要的折射率分布，实现电场的压缩提高电场强度。
3.根据权利要求2所述的一种新型的微波高效等离子体火炬发生器，其特征在于：所述第一波导(2)为BJ22波导，所述第二波导(3)为压缩后的BJ22波导；所述第一波导(2)包括一立体的方形腔室结构。
4.根据权利要求3所述的一种新型的微波高效等离子体火炬发生器，其特征在于：所述第一介电常数介质板结构包括多个第一介电常数介质板(6)，每个第一介电常数介质板(6)依次排列的设置在所述第二波导(3)的两个相对的腔体面上。
5.根据权利要求4所述的一种新型的微波高效等离子体火炬发生器，其特征在于：所述第二介电常数介质板结构包括多个第二介电常数介质板(7)，每个第二介电常数介质板(7)依次排列的设置在所述第二波导(3)的两个相对的腔体面上。
6.根据权利要求5所述的一种新型的微波高效等离子体火炬发生器，其特征在于：在每个所述第一介电常数介质板(6)和每个所述第二介电常数介质板(7)上开设有不同尺度的贯穿孔(5)，进而使得介质板等效介电常数改变，从而实现折射率渐变。
7.根据权利要求6所述的一种新型的微波高效等离子体火炬发生器，其特征在于：所述第一介电常数介质板(6)的介电常数与第二介电常数介质板(7)的介电常数可以都为介电常数25的陶瓷介质板，通过介质板上开设尺寸递增的贯穿孔(5)，以实现介质板介电常数的渐变，进而实现折射率的渐变。
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