CN114192093A - 一种耐腐蚀的等离子体化学反应装置 - Google Patents

一种耐腐蚀的等离子体化学反应装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于等离子体化学反应技术领域，具体涉及一种耐腐蚀的等离子体化学反应装置，采用微波直接激发等离子促进化学反应，可适用于氟气、四氟化碳等电离后具有强氧化性和腐蚀性的气他，且本方案无需高电压，具有较高的安全性。

Description

一种耐腐蚀的等离子体化学反应装置
技术领域
本申请属于等离子体化学反应技术领域，具体涉及一种耐腐蚀的等离子体化学反应装置。
背景技术
等离子体化学反应是一门涉及等离子体物理和化学的交叉学科，主要研究反应物质等离子体化后对相关化学反应的影响。该学科兴起于20世纪六七十年代，因等离子体具有催化化学反应等方面的作用，目前在材料学、光学、电子学、医药学等诸多领域得到广泛应用。
等离子体化学的基本原理是：气态反应物等离子体化时，其原子的部分外层电子获得足够的能力，脱离原子核束缚成为自由电子。此时整个系统由带正电的离子和带负电的电子混合构成，而气体电离生成的电子和正离子一般在短时间内发生结合，回到中性分子状态。这个过程产生的电子、离子的一部分能量以电磁波等不同形式消耗，在分子离解时常生成自由基，生成的电子结合中性原子，分子形成负离子。因此，整个系统是由电子、离子、激发态原子、自由基和分子组成的混合状态。此时各种化学反应都是在高激发态下进行的，与经典的化学反应完全不同。这样使等离子体的原子或分子的本性通常都发生改变，即使是较稳定的惰性气体也会变得具有很强的化学活泼性。
基于这一原理，等离子体化学反应装置，利用电离反应气体生成等离子体的方式，实现对化学反应的有效催化作用。
目前等离子体化学反应装置常用的等离子体产生方式一般包括介质阻挡放电激发等离子体和阴极激发等离子体。当反应气体(即等离子体)为氟气等具有极强氧化元素时，阴极激发等离子体方式由于采用电极与反应气体(即等离子体)直接接触，会导致电极被迅速腐蚀。介质阻挡放电方式虽然不需要电极与反应气体(即等离子体)接触，但随着工业化生产对反应量和反应体积的增加，介质阻挡电所需的电压(数千伏)将随电极之间的间距线性增加，会导致成本和安全性问题增加。
发明内容
本申请针的目的是提供一种耐腐蚀的等离子体化学反应装置，解决当反应气体为氟气等强氧化性元素时，阴极激发等离子体方式由于采用电极与反应气体直接接触，会导致电极被迅速腐蚀的问题。
实现本申请目的的技术方案：
本申请提供了一种耐腐蚀的等离子体化学反应装置，包括：微波系统和等离子体化学反应腔体；
所述等离子体化学反应腔体为密封空腔结构，内部有反应腔室；所述反应腔室内放置有反应物料和反应气体；
所述等离子体化学反应腔体插入所述微波系统的波导中；
所述微波系统，用于产生微波以激发所述反应腔室中的反应气体生成等离子体；
所述反应物料在所述反应腔室内与所述等离子体进行化学反应。
可选的，所述等离子体化学反应腔体，具体包括：物料托盘和朗缪尔探针；
所述物料托盘和所述朗缪尔探针均设置在所述反应腔室内部；
所述朗缪尔探针，用于提供种子电子，协助激发所述反应气体；
所述物料托盘，用于盛放所述反应物料。
可选的，所述等离子体化学反应腔体上设置有与所述反应腔室贯通的朗缪尔探针入口；所述朗缪尔探针，包括：圆柱形针体、绝缘套管和密封法兰；
所述绝缘套管套设在所述圆柱形针体外部，所述圆柱形针体的前端探出所述绝缘套；
所述密封法兰，用于密封所述朗缪尔探针入口；所述密封法兰上设置有电极，用于为所述圆柱形针体的供电。
可选的，所述物料托盘上设置有连接杆，用于将所述物料托盘经所述朗缪尔探针入口送入所述反应腔室内部；
所述连接杆上设置有带凹槽的支撑柱，用于支撑所述绝缘套管。
可选的，所述绝缘套管位于所述反应腔室的中心轴线上。
可选的，所述等离子体化学反应腔体上设置有与所述反应腔室贯通的两个气路接口，分别用于向所述反应腔室内输入所述反应气体以及将所述反应气体导出所述反应腔室。
可选的，所述至少两个气路接口分别经变径组件与所述反应气体的输入端和输出端连接。
可选的，所述装置，还包括：腔室支架和滑轨；
所述腔室支架设置在所述滑轨上，并可在所述滑轨上滑动；
所述腔室支架，用于支撑所述等离子体化学反应腔体。
可选的，所述装置，还包括：微波支架；
所述微波支架，用于支撑所述微波系统；
所述微波支架的高度与所述腔室支架的高度匹配，以使所述等离子体化学反应腔体插入所述微波系统的波导中。
可选的，所述微波系统，用于产生2.45GHz微波。
本申请的有益技术效果在于：
(1)本申请提供的一种耐腐蚀的等离子体化学反应装置，采用微波直接激发等离子促进化学反应，可适用于氟气、四氟化碳等电离后具有强氧化性和腐蚀性的气他，且本方案无需高电压，具有较高的安全性。
(2)本申请提供的一种耐腐蚀的等离子体化学反应装置具体运作时，由微波系统产生微波，加热等离子体化学反应腔体内置的朗缪尔探针前端，并使朗缪尔探针发射种子电子。通过种子电极激发微波系统与等离子体化学反应腔体交汇处的反应气体成为等离子体，开始反应物料和等离子体化学反应。
(3)本申请提供的一种耐腐蚀的等离子体化学反应装置，等离子体化学反应腔体滑动支撑采用往返方式沿轴向运动，避免等离子体化学反应腔体表面单一部位受等离子体持续加热和腐蚀，并可通过调节往返运动速度，调节反应物料温度和反应速率。
附图说明
图1和图2为本申请实施例提供的一种耐腐蚀的等离子体化学反应装置的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种耐腐蚀的等离子体化学反应装置中等离子体化学反应腔体的结构示意图；
图4为本申请实施例提供的一种耐腐蚀的等离子体化学反应装置中朗缪尔探针前端的结构示意图；
图5为本申请实施例提供的一种耐腐蚀的等离子体化学反应装置中物料托盘连接杆上带凹槽的支撑柱的结构示意图。
图中：
1-微波系统；
2-等离子体化学反应腔体；21-物料托盘，211-连接杆，212-支撑柱；22-朗缪尔探针，221-圆柱形针体，222-绝缘套管，223-密封法兰；23-气路接口，231-变径组件；
3-腔室支架；
4-滑轨；
5-微波支架。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本申请，下面将结合本申请实施例中的附图对本申请实施例中的技术方案进行清楚-完整的描述。显而易见的，下面所述的实施例仅仅是本申请实施例中的一部分，而不是全部。基于本申请记载的实施例，本领域技术人员在不付出创造性劳动的情况下得到的其它所有实施例，均在本申请保护的范围内。
为了解决现有技术问题，本申请实施例提供一种耐腐蚀的等离子体化学反应装置，采用微波直接激发等离子促进化学反应，可适用于氟气、四氟化碳等电离后具有强氧化性和腐蚀性的气他，且本申请实施例无需高电压，具有较高的安全性。
基于上述内容，为了清楚、详细的说明本申请的上述优点，下面将结合附图对本申请的具体实施方式进行说明。
参见图1和图2，该图为本申请实施例提供的一种耐腐蚀的等离子体化学反应装置的结构示意图。
本申请实施例提供的一种耐腐蚀的等离子体化学反应装置，包括：微波系统1和等离子体化学反应腔体2；
等离子体化学反应腔体2为密封空腔结构，内部有反应腔室；反应腔室内放置有反应物料和反应气体；
等离子体化学反应腔体2插入微波系统1的波导中；
微波系统1，用于产生微波以激发反应腔室中的反应气体生成等离子体；
反应物料在反应腔室内与等离子体进行化学反应。
可以理解的是，以氟气作为反应气体为例，微波系统1可以激发等离子体化学反应腔体2中氟气生成氟等离子体。等离子体化学反应腔体2封闭腔室(即反应腔室)内氟气，约束被微波激发的氟等离子体，反应物料在反应腔室内与等离子体进行化学反应。
在一个例子中。等离子体化学反应腔体2可以采用石英玻璃或蓝宝石玻璃、端口为蒙乃尔合金或纯镍真空密封接口。在另一个例子中，微波系统1，具体用于产生2.45GHz微波。
在本申请实施例一些可能的实现方式中，继续参见图1，该装置还可以包括：腔室支架3和滑轨4；
腔室支架3设置在滑轨4上，并可在滑轨4上滑动；
腔室支架3，用于支撑等离子体化学反应腔体2。
作为一个示例，腔室支架2底部为滑块与滑轨3连接。腔室支架2和滑轨3可以推动等离子体化学反应腔体2延滑轨3轴向移动，改变微波激发的等离子体在等离子体化学反应腔体2中的相对位置，避免等离子体化学反应腔体2表面单一部位受等离子体持续加热和腐蚀，并可通过调节往返运动速度，调节反应物料温度和反应速率。
在一个例子中，继续参见图1和图2，该装置，还可以包括：微波支架5；
微波支架5，用于支撑微波系统1；
微波支架5的高度与腔室支架3的高度匹配，以使等离子体化学反应腔体2插入微波系统1的波导中。
下面结合一个具体的例子，详细说明等离子体化学反应腔体2的具体结构。
参见图3，该图为本申请实施例提供的一种耐腐蚀的等离子体化学反应装置中等离子体化学反应腔体的结构示意图。
在本申请实施例一些可能的实现方式中，等离子体化学反应腔体2，具体可以包括：物料托盘21和朗缪尔探针22；
物料托盘21和朗缪尔探针22均设置在反应腔室内部；
朗缪尔探针22，用于提供种子电子，协助激发反应气体；
物料托盘21，用于盛放反应物料。
可以理解的是，朗缪尔探针22，还可以用于等离子体参数测量，例如测量等离子体的电子温度和离子密度。
作为一个示例，参见图3和图4，等离子体化学反应腔体2上设置有与反应腔室贯通的朗缪尔探针入口；则，朗缪尔探针22，包括：圆柱形针体221、绝缘套管222和密封法兰223；
绝缘套管222套设在圆柱形针体221外部，圆柱形针体221的前端探出绝缘套222，如图4所示；
密封法兰223，用于密封朗缪尔探针入口；密封法兰223上设置有电极，用于为圆柱形针体221供电。
绝缘套管222可以为绝缘陶瓷管，例如氧化铝陶瓷，圆柱形针体221的前端具体可以探出绝缘套222约2毫米，利用密封法兰223上设置的电极提供种子电子协助微波激发初始氟等离子体。
作为一个示例，密封法兰223可以采用蒙乃尔合金或纯镍，密封法兰223上设置有通孔，电极从通孔中穿过为圆柱形针体221供电，密封法兰223上的通孔采用氧化铝陶瓷或氟橡胶进行绝缘和密封。
在本申请实施例一些可能的实现方式中，参见图3和图5，物料托盘21上设置有连接杆211，用于将物料托盘21经朗缪尔探针入口送入反应腔室内部；
连接杆211上设置有带凹槽的支撑柱212，用于支撑绝缘套管222。
在一个具体的例子中，物料托盘21具体可以为石英玻璃或蓝宝石玻璃。连接杆211可以为圆柱形，其上设置有多个带凹槽的支撑柱212用于支撑绝缘套管222，如图5所示。
在实际应用中，绝缘套管222位于反应腔室的中心轴线上。
在本申请实施例一些可能的实现方式中，继续参见图3，等离子体化学反应腔体2上设置有与反应腔室贯通的两个气路接口23，分别用于向反应腔室内输入反应气体以及将反应气体导出反应腔室。
在具体实施时，气路接口23可以采用蒙乃尔合金或纯镍。
在一个例子中，至少两个气路接口23分别经变径组件231与反应气体的输入端和输出端连接。
上面结合附图和实施例对本申请作了详细说明，但是本申请并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本申请宗旨的前提下作出各种变化。本申请中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。

Claims (10)

1.一种耐腐蚀的等离子体化学反应装置，其特征在于，所述装置，包括：微波系统和等离子体化学反应腔体；
所述等离子体化学反应腔体为密封空腔结构，内部有反应腔室；所述反应腔室内放置有反应物料和反应气体；
所述等离子体化学反应腔体插入所述微波系统的波导中；
所述微波系统，用于产生微波以激发所述反应腔室中的反应气体生成等离子体；
所述反应物料在所述反应腔室内与所述等离子体进行化学反应。
2.根据权利要求1所述的耐腐蚀的等离子体化学反应装置，其特征在于，所述等离子体化学反应腔体，具体包括：物料托盘和朗缪尔探针；
所述物料托盘和所述朗缪尔探针均设置在所述反应腔室内部；
所述朗缪尔探针，用于提供种子电子，协助激发所述反应气体；
所述物料托盘，用于盛放所述反应物料。
3.根据权利要求2所述的耐腐蚀的等离子体化学反应装置，其特征在于，所述等离子体化学反应腔体上设置有与所述反应腔室贯通的朗缪尔探针入口；所述朗缪尔探针，包括：圆柱形针体、绝缘套管和密封法兰；
所述绝缘套管套设在所述圆柱形针体外部，所述圆柱形针体的前端探出所述绝缘套；
所述密封法兰，用于密封所述朗缪尔探针入口；所述密封法兰上设置有电极，用于为所述圆柱形针体供电。
4.根据权利要求3所述的耐腐蚀的等离子体化学反应装置，其特征在于，
所述物料托盘上设置有连接杆，用于将所述物料托盘经所述朗缪尔探针入口送入所述反应腔室内部；
所述连接杆上设置有带凹槽的支撑柱，用于支撑所述绝缘套管。
5.根据权利要求4所述的耐腐蚀的等离子体化学反应装置，其特征在于，
所述绝缘套管位于所述反应腔室的中心轴线上。
6.根据权利要求1所述的耐腐蚀的等离子体化学反应装置，其特征在于，所述等离子体化学反应腔体上设置有与所述反应腔室贯通的两个气路接口，分别用于向所述反应腔室内输入所述反应气体以及将所述反应气体导出所述反应腔室。
7.根据权利要求6所述的耐腐蚀的等离子体化学反应装置，其特征在于，
所述至少两个气路接口分别经变径组件与所述反应气体的输入端和输出端连接。
8.根据权利要求1-7任一项所述的耐腐蚀的等离子体化学反应装置，其特征在于，所述装置，还包括：腔室支架和滑轨；
所述腔室支架设置在所述滑轨上，并可在所述滑轨上滑动；
所述腔室支架，用于支撑所述等离子体化学反应腔体。
9.根据权利要求8所述的耐腐蚀的等离子体化学反应装置，其特征在于，所述装置，还包括：微波支架；
所述微波支架，用于支撑所述微波系统；
所述微波支架的高度与所述腔室支架的高度匹配，以使所述等离子体化学反应腔体插入所述微波系统的波导中。
10.根据权利要求1-7任一项所述的耐腐蚀的等离子体化学反应装置，其特征在于，
所述微波系统，用于产生2.45GHz微波。
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