CN114243249B - 一种基于金属基颗粒的微波协同作用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于金属基颗粒的微波协同作用方法，包括：向封闭微波电磁空间加入金属基颗粒；所述金属基颗粒在微波的作用下产生诱导电场，继而导致背景电磁场的空间分布发生改变；基于所述金属基颗粒的稳态空间粒径尺寸分布，调节微波激励的频率。本发明可以降低微波能量的馈入阈值，突破空间中原有微波能量吸收上限。通过微波和金属基颗粒的协同作用，提高微波能量的吸收上限，并定向地将微波能量施加在对应尺寸金属基颗粒所在的区域，以实现在空间上的微波能量差异性吸收，使得区域内的微波能量吸收分布调节和吸收上限倍增。

Description

一种基于金属基颗粒的微波协同作用方法
技术领域
本发明涉及微波技术领域，特别是涉及一种基于金属基颗粒的微波协同作用方法。
背景技术
对于一个固定电磁空间，只有该空间满足微波谐振条件时，才能构建起稳定的能量传输通道。微波谐振取决于空间尺寸和微波频率，只有二者相匹配时，微波谐振才能发生。故对于一个尺寸固定的谐振腔，其对应的谐振波长是严格受尺寸限制的，在一个频率段内仅有几个微波频率能够满足要求，不利于微波能量谐振通道的建立。
除自身空间引发谐振外，还可以通过提高背景电离度的方式来降低微波能量馈入门槛，同时能够提升微波能量馈入上限。但提高背景电离度需要消耗更多的能量，且无法使微波能量定向作用在预定位置，是整个空间的统一增强，而非特定区域的针对性增强。同时，提高背景电离度也无法从根本上提高微波能量馈入上限，提高的能量上限值是由外加激励提供的，无法真正达到微波能量馈入上限的提升。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于金属基颗粒的微波协同作用方法，以解决上述问题，能够实现微波能量谐振传输通道的低能耗构建，同时使得空间微波能量吸收上限成倍增加。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于金属基颗粒的微波协同作用方法，包括：
向封闭微波电磁空间加入金属基颗粒；所述金属基颗粒在微波的作用下产生诱导电场，继而导致背景电磁场的空间分布发生改变；
基于所述金属基颗粒的稳态空间粒径尺寸分布，调节微波激励的频率；所述诱导电场与所述背景电磁场协同作用，构建微波能量的谐振传输通道；所述金属基颗粒在微波的作用下，表面形成等离子体，所述等离子体加快所述金属基颗粒对微波能量的吸收效率。
优选地，所述金属基颗粒的粒径为1～100μm。
优选地，所述金属基颗粒为碱金属盐、氧化金属、纯金属和陶瓷金属中的任意一者或几者的组合。
优选地，所述金属基颗粒的形状为球形、方形和不规则状中任意一者。
优选地，所述微波激励的频率为2～3GHz，功率为0～5kW。
优选地，所述微波激励的模式为连续激励、间断激励和脉冲激励中任意一者。
优选地，当所述微波激励的模式为脉冲激励时，脉宽为0～100μs，频率为0～100kHz。
优选地，所述稳态空间粒径尺寸分布，具体为：
在所述封闭微波电磁空间内，定模式运动的所述金属基颗粒会形成一种随粒径和类型分布的准稳态状态，即在不同区域内，金属基颗粒基团趋于单种类型和粒径。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明涉及一种基于金属基颗粒的微波协同作用方法，包括：向封闭微波电磁空间加入金属基颗粒；所述金属基颗粒在微波的作用下产生诱导电场，继而导致背景电磁场的空间分布发生改变；基于所述金属基颗粒的稳态空间粒径尺寸分布，调节微波激励的频率。本发明可以降低微波能量的馈入阈值，突破空间中原有微波能量吸收上限。通过微波和金属基颗粒的协同作用，提高微波能量的吸收上限，并定向地将微波能量施加在对应尺寸金属基颗粒所在的区域，以实现在空间上的微波能量差异性吸收，使得区域内的微波能量吸收分布调节和吸收上限倍增。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于金属基颗粒的微波协同作用方法流程图；
图2为本发明放电增强装置结构图；
图3为本发明同一微波激励频率下不同粒径的电场强度示意图；
图4为本发明诱导电场与背景电磁场示意图。
符号说明：1-颗粒储存装置，2-气体储存装置，3-反应区域，11-颗粒阀门，21-气体阀门。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于金属基颗粒的微波协同作用方法，以解决上述问题，能够实现微波能量谐振传输通道的低能耗构建，同时使得空间微波能量吸收上限成倍增加。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明基于金属基颗粒的微波协同作用方法流程图。如图所示，本发明提供了一种基于金属基颗粒的微波协同作用方法，包括：
步骤S1，向封闭微波电磁空间加入金属基颗粒；所述金属基颗粒在微波的作用下产生诱导电场，继而导致背景电磁场的空间分布发生改变。如图4所示，金属基颗粒的粒径从左至右，从上到下逐渐增大，金属基颗粒的粒径范围为10～100μm，步进为5μm，共19个图像数据。金属基颗粒固体内部内部场强基本为0，符合高频电场在金属介质表面产生的趋肤效应，电流仅在金属表面1μm甚至更薄的区域存在，内部无传导电流通过。同时，随着金属基颗粒的粒径增大，金属基颗粒表面的畸变电场区域随着颗粒表面积的增大而加强，总体的作用面积扩大，使电场畸变程度更大，有利于表面等离子体的激发，促进了诱导电场与背景电磁场的协同作用。作为一种的可选的实施方式，所述金属基颗粒的粒径为1～100μm，形状为球形、方形和不规则状中任意一者，材质为碱金属盐、氧化金属、纯金属和陶瓷金属中的任意一者或几者的组合。
步骤S2，基于所述金属基颗粒的稳态空间粒径尺寸分布，调节微波激励的频率；所述诱导电场与所述背景电磁场协同作用，构建微波能量的谐振传输通道；所述金属基颗粒在微波的作用下，表面形成等离子体，所述等离子体加快所述金属基颗粒对微波能量的吸收效率。
如图3所示，在微波场作用下，其大部分粒径范围内的最大电场强度在120kV/m到200kV/m之间波动变化。当金属基颗粒直径为60μm时，最大电场强度出现了一个尖峰点，尖峰数值高达300kV/m。基于此，不同金属基颗粒粒径的球形介质对于施加其上的微波激励频率存在着选择性吸收原理，即不同的微波激励频率下的最大电场对应着不同的金属基颗粒粒径。
具体地，所述微波激励的频率为2～3GHz，功率为0～5kW。模式为连续激励、间断激励和脉冲激励中任意一者。本实施例中，模式选用脉冲激励，脉宽为0～100μs，频率为0～100kHz。
进一步地，所述稳态空间粒径尺寸分布，具体为：
在所述封闭微波电磁空间内，定模式运动的所述金属基颗粒会形成一种随粒径和类型分布的准稳态状态，即在不同区域内，金属基颗粒基团趋于单种类型和粒径。
实施例1
在封闭微波电磁空间内，在反应区域3中引起等离子体放电，使其在加入金属基颗粒之前营造一个微波放电等离子体区域，以模拟微波等离子体与金属基颗粒相互作用的背景氛围，在已有等离子体的基础上，向放电区域加入金属基颗粒，原始存在的放电等离子体将在金属基颗粒表面激发出自由电子，自由电子将与中性粒子碰撞，以加速微波场与等离子体的相互作用过程，进而达到提升放电强度的效果。
放电增强装置如图2所示，颗粒储存装置1用于存储所述金属基颗粒，气体储存装置3用于存储惰性气体。具体过程如下：向微波矩形谐振腔室中馈入低功率微波，通过开启气体阀门21通入惰性气体，并在低微波输入功率下在反应区域3中产生等离子体，然后将微波功率逐渐提高至作用功率。通过开启颗粒阀门11加入金属基颗粒。
本发明只需要加入金属基颗粒，无需增加其他装置，就能提高等离子体放电强度。在验证实验中，分别设定微波的激励频率为2400MHz、2425MHz、2450MHz、2475MHz和2500MHz，将金属基颗粒的粒径分别设置为70μm和40μm，金属基颗粒的材料设置为Fe3O4，微波的激励功率设置为160W，其中，70μm-2475MHz的粒径频率匹配组合相较于最劣组合，功率净吸收强度提高了约45％，且相较于未加入金属基颗粒的场景，放电强度大幅提升，功率的净吸收强度提高了数倍。体现出了加入金属基颗粒后的协同作用在增强微波能量传输上的优越性，其能有效增强放电强度。
实施例2
将待加热材料放入封闭微波电磁空间内。若该微粒材料为无介电常数材料，向材料中加入相近尺寸的金属基颗粒，选用高介电常数的金属基颗粒。随后施加对应的特定微波辐照，并将待加热材料与金属基颗粒充分混合，使二者的热能充分交换，达到材料加热的目的。若该微粒材料为高介电常数材料，无需向微粒材料中加入金属基颗粒，直接将微波辐照作用于待加热材料，固定微波的输出功率，并从微波频率下限向上调节微波频率，直至反射功率最小，达到协同作用的最佳加热效果。
在金属基颗粒表面存在着许多微小凹坑，微小凹坑表面的曲率半径非常小，其有利于微波场在其表面的激发作用。同时，高介电常数的待加热材料的介电损耗角正切值很高，其在微波场中的介电损耗值也较高，会使材料表面的传导电流升高，让更多的微波能转换为热能，以达到微波加热材料的目的。
在验证实验中，使用直径70μm的Fe3O4颗粒作为实验组，用于类比大介电常数金属基颗粒；使用直径70μm的Al2O3颗粒作为对照组，用于类比无介电常数材料，将微波频率设置为2.45GHz，微波功率设置为800W，取加热五分钟后的平均温升。在五分钟内，实验组的温度上升了157℃，对照组的温度上升了6℃，前后温度差距达到了26倍，实验结果体现了协同作用在材料加热上优越性能。
本发明通过向封闭微波电磁空间加入金属基颗粒，颗粒会诱导产生电场，导致电磁场空间分布的变化。通过匹配金属基颗粒尺寸和微波激励参数，产生诱导电场与电磁场的协同作用，构建微波能量的谐振传输通道。同时，微波功率的增加会促进颗粒附近产生等离子体，进一步提高微波能量的吸收效率，以实现空间微波能量吸收上限成倍增加的效果。
相对于现有的能量增强方法，本发明能够实现微波能量谐振传输通道的低功率等级构建，并且通过金属基颗粒与微波参数的匹配，形成微波能量的定向作用，将微波能量聚焦作用于预定位置，实现不同位置的定向能量传输。同时，颗粒附近激发的等离子体将提高微波场与颗粒的相互作用频率，实现微波能量吸收上限成倍增加的效果。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于金属基颗粒的微波协同作用方法，其特征在于，包括：
向封闭微波电磁空间加入金属基颗粒；所述金属基颗粒在微波的作用下产生诱导电场，继而导致背景电磁场的空间分布发生改变；
基于所述金属基颗粒的稳态空间粒径尺寸分布，调节微波激励的频率；所述诱导电场与所述背景电磁场协同作用，构建微波能量的谐振传输通道；所述金属基颗粒在微波的作用下，表面形成等离子体，所述等离子体加快所述金属基颗粒对微波能量的吸收效率。
2.根据权利要求1所述的基于金属基颗粒的微波协同作用方法，其特征在于，所述金属基颗粒的粒径为1～100μm。
3.根据权利要求1所述的基于金属基颗粒的微波协同作用方法，其特征在于，所述金属基颗粒为碱金属盐、氧化金属、纯金属和陶瓷金属中的任意一者或几者的组合。
4.根据权利要求1所述的基于金属基颗粒的微波协同作用方法，其特征在于，所述金属基颗粒的形状为球形、方形和不规则状中任意一者。
5.根据权利要求1所述的基于金属基颗粒的微波协同作用方法，其特征在于，所述微波激励的频率为2～3GHz，功率为0～5kW。
6.根据权利要求1所述的基于金属基颗粒的微波协同作用方法，其特征在于，所述微波激励的模式为连续激励、间断激励和脉冲激励中任意一者。
7.根据权利要求6所述的基于金属基颗粒的微波协同作用方法，其特征在于，当所述微波激励的模式为脉冲激励时，脉宽为0～100μs，频率为0～100kHz。
8.根据权利要求1所述的基于金属基颗粒的微波协同作用方法，其特征在于，所述稳态空间粒径尺寸分布，具体为：
在所述封闭微波电磁空间内，定模式运动的所述金属基颗粒会形成一种随粒径和类型分布的准稳态状态，即在不同区域内，金属基颗粒基团趋于单种类型和粒径。
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