CN113923847A - 一种同轴等离子体炬及低功率微波微等离子体激发装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种同轴等离子体炬及低功率微波微等离子体激发装置，涉及微波等离子体激发技术领域，其技术方案要点是：包括依次设置的连接线、谐振壳体和外壁顶；所述谐振壳体内的谐振腔内壁设有金属柱；所述连接线中的内导体一端伸入谐振腔中，且内导体的端部与金属柱间隔设置；所述金属柱设有内芯，内芯内置有孔道，内芯一端伸入外壁顶内；所述谐振壳体和/或金属柱设有与孔道连通的气道。本发明通过采用电路谐振理论，可以将常压微等离子体的微波自动激发功率降至10W，同时极大的缩小了该结构的体积，携带方便。
Description
技术领域
本发明涉及微波等离子体激发技术领域，更具体地说，它涉及一种同轴等离子体炬及低功率微波微等离子体激发装置。
背景技术
微波微等离子体因较小的放电范围、较高的等离子体密度和良好的稳定性，广泛应用在紫外光源、微化学分析系统、生物医学、材料表秒改性和加工、环境污染等领域。传统的微波微等离子体一般采用介质阻挡放电等方法进行放电，具有设备尺寸大、不易移动、激发功率较高等缺点。现有技术中已有针对传统微等离子体激发装置中高激发功率的缺点进行了优化设计，但仍然具有高达数十瓦，甚至上百瓦的激发功率。因此，如何研究设计一种能够克服上述缺陷的同轴等离子体炬及低功率微波微等离子体激发装置是我们目前急需解决的问题。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种同轴等离子体炬及低功率微波微等离子体激发装置。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
第一方面，提供了一种同轴等离子体炬，包括依次设置的连接线、谐振壳体和外壁顶；
所述谐振壳体内的谐振腔内壁设有金属柱；
所述连接线中的内导体一端伸入谐振腔中，且内导体的端部与金属柱间隔设置；
所述金属柱设有内芯，内芯内置有孔道，内芯一端伸入外壁顶内；
所述谐振壳体和/或金属柱设有与孔道连通的气道。
进一步的，所述连接线、内导体、谐振腔、内芯、孔道以及外壁顶均同轴设置。
进一步的，所述金属柱为金属圆柱，金属圆柱的轴线方向沿谐振腔的半径方向设置。
进一步的，所述外壁顶为封闭顶，封闭顶设有供等离子体穿出的气孔；或，外壁顶为呈环状的开放顶。
进一步的，所述内导体与金属圆柱之间设有正对斜面。
进一步的，该同轴等离子体炬工作时：
所述内导体构成阻抗Z0；
所述内导体与金属圆柱之间构成电容C1；
所述金属柱与谐振腔内壁之间构成电感L1；
所述内芯外壁与谐振腔内壁之间构成电感L2；
所述内芯与外壁顶之间构成电容C2；
所述内芯喷出的等离子体构成阻抗ZL；
以及，阻抗Z0、电容C1、电感L1、电感L2、电容C2和阻抗ZL组成谐振电路。
第二方面，提供了一种低功率微波微等离子体激发装置，包括微波源、气体发生装置以及如第一方面中任意一项所述的一种同轴等离子体炬；所述微波源的输出端与连接线连接；所述气体发生装置的输出端与气道连接。
进一步的，所述微波源为磁控管或微波固态源。
进一步的，所述连接线为同轴线或同轴线与波导的组合线。
进一步的，该低功率微波微等离子体激发装置的工作频率范围为300MHz-50GHz。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提出的一种同轴等离子体炬，通过采用电路谐振理论，可以将常压微等离子体的微波自动激发功率降至数瓦，同时极大的缩小了该结构的体积，携带方便；
2、本发明可以很容易地得到高温等离子体，还可以通过改变注入气体的流速，对吹出的等离子体的温度进行降低，同时显著增加了等离子体的长度，在高温处理、烧结、化学催化、等离子体诊断、伤口愈合、疤痕修复、杀菌止血、皮肤美白等领域具备重要的应用价值；
3、本发明还可以对内芯、同轴设置的谐振腔内壁的尺寸以及谐振腔内填充材料的介电常数和磁导率进行灵活设计，可以得到300MHz-50GHz之间的任意微波频率，具有适用范围广、制造灵活性强等优点。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1是本发明实施例中同轴等离子体炬的结构示意图；
图2是本发明实施例中同轴等离子体炬的等效电路图；
图3是本发明实施例中低功率微波微等离子体激发装置的整体结构示意图；
图4是本发明实施例中同轴等离子体的反射系数实测结果图；
图5是本发明实施例中同轴等离子体炬配置开放顶时的电场分布图；
图6是本发明实施例中同轴等离子体炬配置封闭顶时的电场分布图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1、连接线；2、谐振壳体；3、内导体；4、金属柱；5、气道；6、内芯；7、外壁顶；8、谐振腔；9、微波源；10、气体发生装置。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
实施例1
一种同轴等离子体炬，如图1所示，包括依次设置的连接线1、谐振壳体2和外壁顶7。谐振壳体2内的谐振腔8内壁设有金属柱4；连接线1中的内导体3一端伸入谐振腔8中，且内导体3的端部与金属柱4间隔设置；金属柱4设有内芯6，内芯6内置有孔道，内芯6一端伸入外壁顶7内，并保持与外壁顶7间隔设置；谐振壳体2或金属柱4设有与孔道连通的气道5，也可同时设置气道5。连接线1、内导体3、谐振腔8、内芯6、孔道以及外壁顶7均同轴设置。
如图1所示，在本实施例中，金属柱4为金属圆柱，金属柱4还可为多边形柱体。金属圆柱的轴线方向沿谐振腔8的半径方向设置。此外，外壁顶7为封闭顶，封闭顶设有供等离子体穿出的气孔；外壁顶7还可以为呈环状的开放顶。另外，内导体3与金属圆柱之间设有正对斜面。
该同轴等离子体炬工作时，内导体3构成阻抗Z0；内导体3与金属圆柱之间形成电容C1。在微波场作用下，金属柱4与谐振腔8内壁之间构成电感L1；内芯6外壁与谐振腔8内壁之间构成电感L2；内芯6与外壁顶7之间构成电容C2。当放电发生时，内芯6喷出的等离子体可视为阻抗ZL。
如图2所示，阻抗Z0、电容C1、电感L1、电感L2、电容C2和阻抗ZL组成谐振电路。阻抗Z0、电容C1、电感L2、阻抗ZL依次串联后两端接地。电感L1一端连接在电容C1、电感L2之间，另一端接地。电容C2一端连接在电感L2、阻抗ZL之间，另一端接地。
当同轴等离子体炬的电路发生谐振时，可在ZL处产生很高的局部电场，从而产生等离子体。根据伽马匹配网络理论，谐振电路的相关设计参数如下：
当工作频率ω0确定后，即在该状态下，激发出等离子体，通过以上过程计算出集中元件参数，然后依据电感、电容的同轴设计公式反演出同轴等离子体炬的参数尺寸，其具体表达式为：
其中a、b分别为同轴线的内径和外径，ε和μ分别为同轴线中填充材料的介电常数和磁导率。通过调整尺寸，该结构可以应用到300Mhz-50GHz范围的任意微波频率。例如，915Mhz、2.45GHz以及5.8GHz。需要说明的是，当计算不同电容、电感时，a、b、ε和μ适应性调整后进行计算。
实施例2
一种低功率微波微等离子体激发装置，如图3所示，包括微波源9、气体发生装置10以及如实施例1中记载的一种同轴等离子体炬；微波源9的输出端与连接线1连接；气体发生装置10的输出端与气道5连接。
需要说明的是，微波源9可采用磁控管或微波固态源。连接线1可采用同轴线或同轴线与波导的组合线，例如，同轴线-波导-同轴线组成的结构。气体发生装置10可采用压缩气瓶。
本发明采用同轴谐振结构可以极大的降低微波等离子体的自动激发功率，同时也可以采用较小的功率得到很高的等离子电子密度。
实施例3
在本实施例中，该低功率微波微等离子体激发装置具有开放的同轴腔外壁顶7，气体从金属柱4中通入。该同轴等离子体的长度为10cm，内芯6的孔道直径为10mm。如图4所示，该装置的工作中心频率点为2.45GHz附近，工作带宽为10MHz左右。
如图5所示，当馈入的微波功率为50W左右时，沿着同轴谐振腔8的内芯6顶端附近产生了很高的场强，其幅值超过激发了3e6 V/m。特别地，在内芯6的在最顶端的部分场强可高达6e6 V/m，从而激发等离子体。这可以看出，即使输入15W左右的功率，就可以在同轴谐振腔8的内芯6顶端产生3e6V/m左右场强，从而击穿空气，形成等离子体。由图5可知，即使在输入功率很低的情况下，该装置也能轻易地激发等离子体。
此外，当微波源9的输入功率为14W，工作频率为2.45GHz，在通入流速为1.0L/min的氩气条件下，该装置产生的等离子体的光斑直径约为1.0mm，等离子体的长度为1mm-2mm左右，等离子体温度为室温。当手指接触该等离子体时，无灼烧感。手指任意晃动，该等离子体均能稳定输出。这表明，低功率时，本装置可以激发低温等离子体，可用于医疗美容等领域。当继续加大功率时，等离子体温度可以显著提升，可以用于高温处理、烧结、化学催化、等离子体诊断等领域。综上，当工作在2.45GHz时，当输入很低的功率时候，本装置能激发出微等离子体。
实施例4
如图6所示，在本实施例中，该低功率微波微等离子体激发装置具有封闭的外壁顶7，气体从谐振壳体2的外壁流入。当50W的输入功率从同轴线一侧端馈入，频率为2.45GHz，沿着同轴谐振腔8的内芯6顶端附近产生了很高的场强，其幅值超过激发了3e6 V/m。特别地，在内芯6的顶端附近可产生极高的场强1e7 V/m。相比于实施例3的6e6V/m，具有封闭顶的同轴微波微等离子体激发装置可以进一步地降低激发功率。这表明该结构可以很容易地得到高温等离子体。当通过气道5向谐振腔8中注入气体时，气体可以将等离子体从封闭顶中的小孔吹出。当气流较大时，吹出的等离子体的温度降低，等离子体的长度可以显著增加。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种同轴等离子体炬，其特征是，包括依次设置的连接线(1)、谐振壳体(2)和外壁顶(7)；
所述谐振壳体(2)内的谐振腔(8)内壁设有金属柱(4)；
所述连接线(1)中的内导体(3)一端伸入谐振腔(8)中，且内导体(3)的端部与金属柱(4)间隔设置；
所述金属柱(4)设有内芯(6)，内芯(6)内置有孔道，内芯(6)一端伸入外壁顶(7)内；
所述谐振壳体(2)和/或金属柱(4)设有与孔道连通的气道(5)。
2.根据权利要求1所述的一种同轴等离子体炬，其特征是，所述连接线(1)、内导体(3)、谐振腔(8)、内芯(6)、孔道以及外壁顶(7)均同轴设置。
3.根据权利要求1所述的一种同轴等离子体炬，其特征是，所述金属柱(4)为金属圆柱，金属圆柱的轴线方向沿谐振腔(8)的半径方向设置。
4.根据权利要求1所述的一种同轴等离子体炬，其特征是，所述外壁顶(7)为封闭顶，封闭顶设有供等离子体穿出的气孔；或，外壁顶(7)为呈环状的开放顶。
5.根据权利要求1所述的一种同轴等离子体炬，其特征是，所述内导体(3)与金属圆柱之间设有正对斜面。
6.根据权利要求1所述的一种同轴等离子体炬，其特征是，该同轴等离子体炬工作时：
所述内导体(3)构成阻抗Z0；
所述内导体(3)与金属圆柱之间构成电容C1；
所述金属柱(4)与谐振腔(8)内壁之间构成电感L1；
所述内芯(6)外壁与谐振腔(8)内壁之间构成电感L2；
所述内芯(6)与外壁顶(7)之间构成电容C2；
所述内芯(6)喷出的等离子体构成阻抗ZL；
以及，阻抗Z0、电容C1、电感L1、电感L2、电容C2和阻抗ZL组成谐振电路。
7.一种低功率微波微等离子体激发装置，其特征是，包括微波源(9)、气体发生装置(10)以及如权利要求1-6任意一项所述的一种同轴等离子体炬；所述微波源(9)的输出端与连接线(1)连接；所述气体发生装置(10)的输出端与气道(5)连接。
8.根据权利要求7所述的一种低功率微波微等离子体激发装置，其特征是，所述微波源(9)为磁控管或微波固态源。
9.根据权利要求7所述的一种低功率微波微等离子体激发装置，其特征是，所述连接线(1)为同轴线或同轴线与波导的组合线。
10.根据权利要求7所述的一种低功率微波微等离子体激发装置，其特征是，该低功率微波微等离子体激发装置的工作频率范围为300MHz-50GHz。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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