CN114423139B - 一种级联放大磁增强高功率微波等离子体产生装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种级联放大磁增强高功率微波等离子体产生装置和方法，该装置包括高频点火器系统、低功率微波等离子体炬系统、高功率微波辐照系统、第一级进料系统、第二级进料系统、第三级进料系统、第四级进料系统、主化学反应系统、磁体系统、次化学反应系统。本发明利用低温等离子体引燃技术、磁场产生技术、大功率微波产生及传输技术，实现高效耦合、稳定、大功率微波等离子体装置，有效提高大功率微波在等离子体中的吸收效率，减少大功率微波反射对微波器件的损坏，提高其操作便捷性和使用寿命，装置尺寸可根据需要灵活调节，大大降低了设备的开发难度及材料制作成本，易于放大实现工业化生产。
Description
技术领域
本发明属于低温等离子体源领域，具体涉及一种高功率微波等离子体产生装置和方法。
背景技术
电弧等离子体利用电能使气体电离产生热等离子体，温度高(可超1万度)、能量集中、气氛可控、加热速率高，是特殊的高温热源，在等离子体冶金)、超细粉生产、等离子体切割、焊接、等离子体火箭等领域得到广泛应用，至今已具备产业化能力。其中微波放电等离子体与其他气体放电方式产生的等离子体相比具有电离密度较高，放电气压范围宽、放电稳定，可控性好等优点，同时因为其无需电极具有寿命长等特殊优势，是应用于能源、环境、材料制备、处理等领域的一种重要手段，在现代工业中起着日趋重要的作用。
直流等离子体是目前使用最多、工业应用最广泛的热等离子体源之一，单炬直流等离子体功率可以达到数十兆瓦至百兆瓦，效率也可以达到80％以上，然而由于高功率直流等离子体需要高达数千安培甚至更高的电流，电弧区域存在自收缩现象，特别在电极上(阴极和阳极)会出现斑点，造成电极的寿命仅能达到数百小时至千小时，严重制约了大功率直流等离子体的推广应用。微波等离子体不需要电极，但大功率微波等离子体的产生则又存在微波与等离子体耦合效率低时造成的回波现象，严重时将使昂贵的微波源及其系统受到损伤而失效。同时，微波系统的尺寸与材料要求严格造成其设备成本远高于其它等离子体设备。因此截至目前大功率微波等离子体并未得到很好的发展和推广。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供一种级联放大磁增强高功率微波等离子体产生装置和方法，利用等离子体功率级联放大的方式及磁场对等离子体稳定产生的促进方法实现大功率微波等离子体源，所需大功率微波等离子体设备简单、微波能量耦合效率高，成本低，易实现高功率、高温度、高纯净等离子体。
本发明采用的技术方案是：一种级联放大磁增强高功率微波等离子体产生装置，包括高频点火器、第一级进料系统，低功率微波等离子体炬系统、第二级进料系统、低功率微波电源、环形器、水负载、三销钉、短路活塞、微波等离子体反应器，高功率微波辐照系统、高功率微波源、环形器、微波传输线、微波辐照喇叭天线、介质窗，磁体系统、磁场电源，主化学反应系统、第三级进料系统，次化学反应系统和第四级进料系统；
所述第一级进料系统由所述高频点火器系统馈入，所述第二级进料系统由所述低功率微波等离子体炬系统馈入，所述第三级进料系统由所述高功率微波辐照系统和主化学反应系统馈入，所述第四级进料系统由所述次化学反应系统馈入；
所述低功率微波等离子体炬系统包括低功率微波电源、环形器、水负载、三销钉、短路活塞、微波等离子体反应器，其设置有所述第二级进料系统；
所述主化学反应系统和次化学反应系统进行固氮反应或燃料燃烧提供热能的反应；
所述高频点火器系统包括高频点火电源、高频点火等离子体装置、第一级进料系统；
所述高频点火等离子体装置为滑动弧等离子体源或介质阻挡等离子体源；所述第一级进料系统在所述高频点火器系统内壁形成保护气旋气，保护所述高频点火等离子体装置；所述第二级进料系统在所述低功率微波等离子体炬系统内壁形成保护气旋气，防止所述低功率微波等离子体炬系统温度过高受到损坏；所述高频点火器系统内壁形成的保护气和所述低功率微波等离子体炬系统内壁形成的保护气也用于参与所述主化学反应系统和次化学反应系统内的化学反应；所述第一级进料系统和第二级进料系统为空气或空气与燃料的混合物，或是氮气和氧气单一气体或其混合物，所述燃料为氨、煤粉或金属氧化物粉体；
所述磁体系统是永磁体阵列或励磁电流驱动磁体，所述励磁电流驱动磁体包括磁体直流电源和磁体线圈，所述磁体直流电源用于产生所述磁体线圈产生磁场所需的励磁电流，所述磁体线圈用于产生适当大小的磁场以促进所述主化学反应系统和次化学反应系统的化学反应；
所述高功率微波辐照系统包括高功率微波源、环形器、微波传输线、微波辐照喇叭天线、介质窗、冷却装置，所述微波辐照喇叭天线分布在所述主化学反应系统外侧，所述高功率微波辐照系统为1组或为2-100组形成的角向均分对称阵列，所述介质窗固定于所述主化学反应系统，用于将由所述微波辐照喇叭天线辐射的电磁波传输进入所述主化学反应系统，所述冷却装置用于冷却所述介质窗，所述高功率微波辐照系统辐射的电磁波在所述主化学反应系统中叠加，共同激励所述第一级进料系统、第二级进料系统和第三级进料系统的进料进一步增强电离，同时促进气体或者化学反应物质的反应速度。
进一步地，所述低功率微波电源的频率为2.45GHz或915MHz。
进一步地，所述主化学反应系统和次化学反应系统工作压力为10Pa至10000Pa。
进一步地，所述主化学反应系统和次化学反应系统工作压力为常压或1-10atm的过常压。
进一步地，所述磁增强高功率微波等离子体是指其磁场强度满足对应电子回旋共振条件的增强型微波等离子体，所述磁场强度为电子回旋共振磁场或更高强度磁场的强度。
进一步地，所述介质窗采用石英玻璃、氧化铝、蓝宝石、氮化铝、氧化铍、氮化硼或金刚石。
进一步地，所述微波辐照喇叭天线为角锥喇叭、圆锥喇叭、对角喇叭、波纹喇叭、多模喇叭或喇叭透镜天线。
进一步地，所述燃料燃烧提供热能的反应中的燃料为天然气、氨、氢气、乙烷、丙烷、煤粉、汽油或柴油。
进一步地，所述低功率微波电源的频率为1GHz-10GHz中的单个频点或带有一定带宽的微波频率段。
本发明还公开了一种级联放大磁增强高功率微波等离子体的产生方法，包括：将所述高频点火器系统通过石墨垫圈与所述微波等离子体反应器密封连接，以所述第一级进料系统为进气口，从所述高频点火器系统中心旋转通入以提供第一阶段等离子体放电介质；所述高频点火器系统激励从所述第一级进料系统通入的所述第一阶段等离子体放电介质形成初级等离子体；将所述第二级进料系统安放在所述微波等离子体反应器的顶端，分为六路旋气通入，用于冷却所述高频点火器系统，同时为所述低功率微波等离子体炬系统提供工作介质；使所述低功率微波电源提供的低功率微波顺序经由所述环形器、三销钉进入所述微波等离子体反应器；将所述环形器的第一端口连接所述低功率微波电源，将所述环形器第二端口连接所述水负载以使反射微波被充分吸收而不会损坏所述低功率微波电源；使得所述环形器的第三端口连接所述三销钉；使得所述短路活塞连接至所述微波等离子体反应器以调节微波在所述微波等离子体反应器中的吸收效率；将所述磁体系统环形固定于所述微波等离子体反应器底部，所述磁场电源提供电流使所述磁体系统产生足够强的磁场以降低放电难度以及增加等离子体电离率，提高所述微波等离子体反应器中化学反应的反应速率与效率；在所述低功率微波等离子体炬系统产生的等离子体进入所述高功率微波辐照系统后，经由所述环形器和所述微波传输线进入所述微波辐照喇叭天线，再经过所述介质窗辐照至所述主化学反应系统与所述低功率微波等离子体炬系统产生的的微波等离子体耦合，形成功率放大的高功率微波等离子体；所述功率放大的高功率微波等离子体的工作介质由所述第三级进料系统旋气进入，所述旋气保护所述介质窗并提供工作介质，同时使得功率放大的高功率微波等离子体进入所述次化学反应系统，所述四级进料系统提供所述次化学反应系统的工作介质，最终获得所述级联放大磁增强高功率微波等离子体。
本发明的优点是：
本发明利用低温等离子体引燃技术、磁场产生技术、大功率微波产生及传输技术，实现高效耦合、稳定、大功率微波等离子体装置，有效提高大功率微波在等离子体中的吸收效率，减少大功率微波反射对微波器件的损坏，提高其操作便捷性和使用寿命。本发明所涉及的等离子体技术可用于高纯、高熔点材料合成制备，也可用于煤粉、氨、天然气等燃料的辅助燃烧，也可以替代传统的油或等离子体火炬用于煤电厂点火与稳燃。在反应过程中，利用级联放大的形式从低功率过渡到大功率微波等离子体，加热方式多样，结构简单，使用寿命较传统装置大大提升；同时可以外加磁场组件，利用磁场作用进一步降低等离子体产生难度及优化处理效果；本发明装置尺寸可根据需要灵活调节，大大降低了设备的开发难度及材料制作成本，易于放大实现工业化生产。
附图说明
图1为本发明的级联放大磁增强高功率微波等离子体产生装置的示意图。
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，以下结合附图及实施例，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
下面结合附图和实施例，对本发明的具体应用实施方式作进一步详细描述。
如图1为本发明的级联放大磁增强高功率微波等离子体产生装置在微波源系统频率为2.45GHz时的装置示意图。本发明的级联放大磁增强高功率微波等离子体产生装置包括高频点火器系统1、第一级进料系统1-1，低功率微波等离子体炬系统2、第二级进料系统2-1、低功率微波电源2-2、环形器2-3、水负载2-4、三销钉2-5、短路活塞2-6、微波等离子体反应器2-7，高功率微波辐照系统3、高功率微波源3-1、环形器3-2、微波传输线3-3、微波辐照喇叭天线3-4、介质窗3-5，磁体系统4、磁场电源4-1，主化学反应系统5、第三级进料系统5-1，次化学反应系统6和第四级进料系统6-1。
所述第一级进料系统1-1由所述高频点火器系统1馈入，所述第二级进料系统2-1由所述低功率微波等离子体炬系统2馈入，所述第三级进料系统5-1由所述高功率微波辐照系统3和主化学反应系统5馈入，所述第四级进料系统6-1由所述次化学反应系统6馈入。
所述高频点火器系统1包括高频点火电源、高频点火等离子体装置、第一级进料系统1-1；所述高频点火等离子体装置为滑动弧等离子体源或介质阻挡等离子体源；所述第一级进料系统1-1在所述高频点火器系统1内壁形成保护气旋气，保护所述高频点火等离子体装置。
所述低功率微波等离子体炬系统2包括低功率微波电源2-2、环形器2-3、水负载2-4、三销钉2-5、短路活塞2-6、微波等离子体反应器2-7，其设置有所述第二级进料系统2-1。所述第二级进料系统2-1在所述低功率微波等离子体炬系统2内壁形成保护气旋气，防止所述低功率微波等离子体炬系统2温度过高受到损坏。所述高频点火器系统1内壁形成的保护气和所述低功率微波等离子体炬系统2内壁形成的保护气也用于参与所述主化学反应系统5和次化学反应系统6内的化学反应。所述第一级进料系统1-1和第二级进料系统2-1为空气或空气与燃料的混合物，或是氮气和氧气单一气体或其混合物，所述燃料为氨、煤粉或金属氧化物粉体。
所述高功率微波辐照系统3包括高功率微波源3-1、环形器3-2、微波传输线3-3、微波辐照喇叭天线3-4、介质窗3-5、冷却装置，所述微波辐照喇叭天线3-4分布在所述主化学反应系统5外侧，所述高功率微波辐照系统3为1组或为2-100组形成的角向均分对称阵列，所述介质窗3-5固定于所述主化学反应系统5，用于将由所述微波辐照喇叭天线3-4辐射的电磁波传输进入所述主化学反应系统5，所述冷却装置用于冷却所述介质窗3-5，所述高功率微波辐照系统3辐射的电磁波在所述主化学反应系统5中叠加，共同激励所述第一级进料系统1-1、第二级进料系统2-1和第三级进料系统5-1的进料以进一步增强电离，同时促进气体或者化学反应物质的反应速度。
所述磁体系统4是永磁体阵列或励磁电流驱动磁体，所述励磁电流驱动磁体包括磁体直流电源和磁体线圈，所述磁体直流电源用于产生所述磁体线圈产生磁场所需的励磁电流，所述磁体线圈用于产生适当大小的磁场以促进所述主化学反应系统5和次化学反应系统6的化学反应。
所述主化学反应系统5和次化学反应系统6进行固氮反应或燃料燃烧提供热能的反应。
优选的，所述低功率微波电源的频率为2.45GHz或915MHz。
优选的，所述主化学反应系统和次化学反应系统工作压力为10Pa至10000Pa。
优选的，所述主化学反应系统和次化学反应系统工作压力为常压或1-10atm的过常压。
优选的，所述磁增强高功率微波等离子体是指其磁场强度满足对应电子回旋共振条件的增强型微波等离子体，所述磁场强度为电子回旋共振磁场或更高强度磁场的强度。
优选的，所述介质窗采用石英玻璃、氧化铝、蓝宝石、氮化铝、氧化铍、氮化硼或金刚石。
优选的，所述微波辐照喇叭天线为角锥喇叭、圆锥喇叭、对角喇叭、波纹喇叭、多模喇叭或喇叭透镜天线。
优选的，所述燃料燃烧提供热能的反应中的燃料为天然气、氨、氢气、乙烷、丙烷、煤粉、汽油或柴油。
优选的，所述低功率微波电源的频率为1GHz-10GHz中的单个频点或带有一定带宽的微波频率段。
本发明的工作方法如下：
所述高频点火器系统1通过石墨垫圈与所述微波等离子体反应器2-7密封连接，所述第一级进料系统1-1为进气口，从所述高频点火器系统1中心旋转通入，提供第一阶段等离子体放电介质。所述高频点火器系统1在尾部端口在外部电场的作用下激励从所述第一级进料系统1-1通入的等离子体放电介质形成初级等离子体。所述第二级进料系统2-1安放在所述微波等离子体反应器2-7顶端，共六路，以六路旋气通入，用于冷却所述高频点火器系统1，同时为所述低功率微波等离子体炬系统2提供必要的工作介质。所述低功率微波电源2-2提供的低功率微波顺序经由所述环形器2-3、三销钉2-5进入所述微波等离子体反应器2-7。所述环形器2-3第一端口通过BJ26标准接口连接所述低功率微波电源2-2，所述环形器2-3第二端口连接所述水负载2-4以使反射微波被充分吸收，不会损坏所述低功率微波电源2-2，所述环形器2-3第三端口连接所述三销钉2-5的BJ26标准接口。所述短路活塞2-6连接至所述微波等离子体反应器2-7，用以调节微波在所述微波等离子体反应器2-7中的吸收效率。所述磁体系统4环形固定于所述微波等离子体反应器2-7底部，所述磁场电源4-1提供电流使所述磁体系统4产生足够强的磁场，用以降低放电难度以及增加等离子体电离率，提高所述微波等离子体反应器2-7中化学反应的反应速率与效率。在所述低功率微波等离子体炬系统2产生的等离子体进入所述高功率微波辐照系统3，经由所述环形器3-2和所述微波传输线3-3进入所述微波辐照喇叭天线3-4，再经过石英的所述介质窗3-5辐照至所述主化学反应系统5与所述低功率微波等离子体炬系统2产生的的微波等离子体耦合，形成功率放大的高功率微波等离子体。所述功率放大的高功率微波等离子体的工作介质由所述第三级进料系统5-1旋气进入，所述旋气的作用有二：一是保护所述介质窗3-5以及提供工作介质；二是使得所述功率放大的高功率微波等离子体进入所述次化学反应系统6，所述四级进料系统6-1提供所述次化学反应系统6的工作介质，最终获得所述级联放大磁增强高功率微波等离子体。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种级联放大磁增强高功率微波等离子体产生装置，其特征在于：包括高频点火器、第一级进料系统，低功率微波等离子体炬系统、第二级进料系统、低功率微波电源、环形器、水负载、三销钉、短路活塞、微波等离子体反应器，高功率微波辐照系统、高功率微波源、环形器、微波传输线、微波辐照喇叭天线、介质窗，磁体系统、磁场电源，主化学反应系统、第三级进料系统，次化学反应系统和第四级进料系统；
所述第一级进料系统由所述高频点火器系统馈入，所述第二级进料系统由所述低功率微波等离子体炬系统馈入，所述第三级进料系统由所述高功率微波辐照系统和主化学反应系统馈入，所述第四级进料系统由所述次化学反应系统馈入；
所述低功率微波等离子体炬系统包括低功率微波电源、环形器、水负载、三销钉、短路活塞、微波等离子体反应器，其设置有所述第二级进料系统；
所述主化学反应系统和次化学反应系统进行固氮反应或燃料燃烧提供热能的反应；
所述高频点火器系统包括高频点火电源、高频点火等离子体装置、第一级进料系统；
所述高频点火等离子体装置为滑动弧等离子体源或介质阻挡等离子体源；所述第一级进料系统在所述高频点火器系统内壁形成保护气旋气，保护所述高频点火等离子体装置；所述第二级进料系统在所述低功率微波等离子体炬系统内壁形成保护气旋气，防止所述低功率微波等离子体炬系统温度过高受到损坏；所述高频点火器系统内壁形成的保护气和所述低功率微波等离子体炬系统内壁形成的保护气也用于参与所述主化学反应系统和次化学反应系统内的化学反应；所述第一级进料系统和第二级进料系统为空气或空气与燃料的混合物，或是氮气和氧气单一气体或其混合物，所述燃料为氨、煤粉或金属氧化物粉体；
所述磁体系统是永磁体阵列或励磁电流驱动磁体，所述励磁电流驱动磁体包括磁体直流电源和磁体线圈，所述磁体直流电源用于产生所述磁体线圈产生磁场所需的励磁电流，所述磁体线圈用于产生适当大小的磁场以促进所述主化学反应系统和次化学反应系统的化学反应；
所述高功率微波辐照系统包括高功率微波源、环形器、微波传输线、微波辐照喇叭天线、介质窗、冷却装置，所述微波辐照喇叭天线分布在所述主化学反应系统外侧，所述高功率微波辐照系统为1组或为2-100组形成的角向均分对称阵列，所述介质窗固定于所述主化学反应系统，用于将由所述微波辐照喇叭天线辐射的电磁波传输进入所述主化学反应系统，所述冷却装置用于冷却所述介质窗，所述高功率微波辐照系统辐射的电磁波在所述主化学反应系统中叠加，共同激励所述第一级进料系统、第二级进料系统和第三级进料系统的进料以进一步增强电离，同时促进气体或者化学反应物质的反应速度。
2.根据权利要求1所述的级联放大磁增强高功率微波等离子体产生装置，其特征在于：所述低功率微波电源的频率为2.45GHz或915MHz。
3.根据权利要求1所述的级联放大磁增强高功率微波等离子体产生装置，其特征在于：所述主化学反应系统和次化学反应系统的工作压力为10Pa至10000Pa。
4.根据权利要求1所述的级联放大磁增强高功率微波等离子体产生装置，其特征在于：所述主化学反应系统和次化学反应系统的工作压力为常压或1-10atm的过常压。
5.根据权利要求1所述的级联放大磁增强高功率微波等离子体产生装置，其特征在于：所述磁增强高功率微波等离子体是指其磁场强度满足对应电子回旋共振条件的增强型微波等离子体，所述磁场强度为电子回旋共振磁场或更高强度磁场的强度。
6.根据权利要求1所述的级联放大磁增强高功率微波等离子体产生装置，其特征在于：所述介质窗采用石英玻璃、氧化铝、蓝宝石、氮化铝、氧化铍、氮化硼或金刚石。
7.根据权利要求1所述的级联放大磁增强高功率微波等离子体产生装置，其特征在于：所述微波辐照喇叭天线为角锥喇叭、圆锥喇叭、对角喇叭、波纹喇叭、多模喇叭或喇叭透镜天线。
8.根据权利要求1所述的级联放大磁增强高功率微波等离子体产生装置，其特征在于：所述燃料燃烧提供热能的反应中的燃料为天然气、氨、氢气、乙烷、丙烷、煤粉、汽油或柴油。
9.根据权利要求1所述的级联放大磁增强高功率微波等离子体产生装置，其特征在于：所述低功率微波电源的频率为1GHz-10GHz中的单个频点或带有一定带宽的微波频率段。
10.根据权利要求1-9之一所述的一种级联放大磁增强高功率微波等离子体产生装置的等离子体产生方法，其特征在于：将所述高频点火器系统与所述微波等离子体反应器密封连接，以所述第一级进料系统为进气口，从所述高频点火器系统中心旋转通入第一阶段等离子体放电介质；所述高频点火器系统激励从所述第一级进料系统通入的所述第一阶段等离子体放电介质从而形成初级等离子体；将所述第二级进料系统安放在所述微波等离子体反应器的顶端，分为六路旋气通入，用于冷却所述高频点火器系统，同时为所述低功率微波等离子体炬系统提供工作介质；使所述低功率微波电源提供的低功率微波顺序经由所述环形器、三销钉进入所述微波等离子体反应器；将所述环形器的第一端口连接所述低功率微波电源，将所述环形器第二端口连接所述水负载以使反射微波被充分吸收而不会损坏所述低功率微波电源；使得所述环形器的第三端口连接所述三销钉；使得所述短路活塞连接至所述微波等离子体反应器以调节微波在所述微波等离子体反应器中的吸收效率；将所述磁体系统环形固定于所述微波等离子体反应器底部，所述磁场电源提供电流使所述磁体系统产生足够强的磁场以降低放电难度以及增加等离子体电离率，提高所述微波等离子体反应器中化学反应的反应速率与效率；在所述低功率微波等离子体炬系统产生的等离子体进入所述高功率微波辐照系统后，经由所述环形器和所述微波传输线进入所述微波辐照喇叭天线，再经过所述介质窗辐照至所述主化学反应系统与所述低功率微波等离子体炬系统产生的微波等离子体耦合，形成功率放大的高功率微波等离子体；所述功率放大的高功率微波等离子体的工作介质由所述第三级进料系统旋气进入，所述旋气保护所述介质窗并提供工作介质，同时使得功率放大的高功率微波等离子体进入所述次化学反应系统，所述四级进料系统提供所述次化学反应系统的工作介质，最终获得所述级联放大磁增强高功率微波等离子体。
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