CN114867180A - 一种双通道大气压微波等离子体射流装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双通道大气压微波等离子体射流装置，属于大气压微波等离子体射流应用领域；其包括双通道同轴谐振器、脉冲调制微波电源和气路输入。双通道同轴谐振器由气体管道、大同轴腔和小同轴腔、SMA接口、腔体螺纹接口、空心同轴线组成。脉冲调制微波电源的微波能量由微波信号发生器产生，经功率放大器、定向耦合器传输至微波功率输出接口。气路输入包括气体储存瓶、减压阀、针阀和气体流量计，针阀和气体流量计可以控制工作气体的输入流量大小。本发明能够分离工作气体，实现等离子体射流中活性粒子的时空分布调节，并且产生的活性粒子密度大，可以有效地调节等离子体射流的温度，增大了微波等离子体射流的使用范围。
Description
技术领域
本发明涉及大气压微波等离子体射流应用技术领域，具体为一种双通道大气压微波等离子体射流装置。
背景技术
等离子体被称为物质的第四态，其中富含大量高活性粒子，被广泛用于材料改性、环境处理、辅助燃烧、生物医疗等领域。通常在实际生产中可由气体放电的形式产生等离子体，如：电晕放电、微波放电、介质阻挡放电等。其中微波放电产生的等离子体具有粒子活性大、密度高等优点，在辅助点火、化学元素探测、材料表面处理、医学杀菌和伤口处理等领域有着巨大的应用前景。但是常见的大气压微波等离子体产生设备都是千瓦级的，并且具有复杂的结构，不利于节约能源和小型化应用。同轴谐振器是根据传输线原理设计的一种低功率微波等离子体源，在大气压环境中使用较低的微波功率即可产生并维持放电，并且同轴谐振器相比于其他千瓦级的微波放电而言，其尺寸大大减小。
中国专利《一种同轴等离子体炬及低功率微波微等离子体激发装置》(申请号：202111232706.7,授权公开号：CN113923847A，授权公开日：2022-01-11)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，该装置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。但是此装置仅适用于单一气体下工作，并且无法通过微波电源调节等离子体射流的温度，导致其应用范围受到限制。
中国专利《一种空气微波等离子体射流表面处理装置》(申请号：202011110550.0，授权公开号：CN112135409A，授权公开日：2020-12-25)公开了一种空气微波等离子体射流表面处理装置，该装置包括微波电源、圆柱形同轴谐振腔。此装置可以调节同轴线的位置，能够较好的满足谐振匹配，并且该装置可以在混合气体下工作，具有较好的实用性。但是此装置在混合气体工作时，工作气体会在谐振腔中先预混合，无法将工作气体分离，不能实现等离子体射流中不同活性粒子时空分布调节。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以实现等离子体射流的活性粒子时空分布调节，并且可以有效控制等离子体射流温度的双通道大气压微波等离子体射流装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种双通道大气压微波等离子体射流装置，包括双通同轴谐振器、脉冲调制微波电源和气路输入；所述双通道同轴谐振器由气体管道、大同轴腔和小同轴腔、SMA接口、腔体螺纹接口、空心同轴线组成；所述大同轴腔与小同轴腔通过腔体螺纹接口组合成完整的谐振腔体，空心同轴线固定在谐振器上，工作气体由气体管道通入谐振器和空心同轴线中；所述SMA接口用于微波功率的馈入，并在开口端产生场强；
所述脉冲调制微波电源的微波能量由微波信号发生器产生，其微波参数由脉冲信号调制器进行手动调节，所述微波信号发生器产生的微波能量经功率放大器和定向耦合器传输至SMA接口；
所述气路输入包括气体储存瓶、减压阀、针阀和气体流量计，针阀和气体流量计用于控制工作气体的输入流量大小。
更进一步地，所述大同轴腔和小同轴腔由铜制成，其大同轴腔的外径为24mm,内径为14mm，长20mm，小同轴腔的外径为10mm，内径8mm，长30mm，其腔体螺纹接口的外径为14mm。
更进一步地，所述大同轴腔和小同轴腔组成的谐振器设置为一端短路一端开路，用于微波馈入后在开口端获得最大场强。
更进一步地，所述空心同轴线由铜制成，其内径和外径分别为1mm、2mm。
更进一步地，所述SMA接口距短路端为3mm。
更进一步地，所述气体管道由塑料材料制成，其入气端内径为4mm，外径为6mm，并以胶粘的方式固定在大同轴腔上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明提供的一种双通道大气压微波等离子体射流装置，将脉冲调制微波电源在普通微波电源技术上添加了脉冲调制技术，通过控制脉冲调制的占空比和脉冲调制频率可以有效调节等离子体射流的温度，增加了微波等离子体射流的适用范围。
2、本发明提供的一种双通道大气压微波等离子体射流装置，脉冲调制微波电源的脉冲功率上升速度高达2kW/μs，具有较大的脉冲陡度，高脉冲陡度有利于增加高能电子的数量，从而增大活性粒子的浓度，提高了微波等离子体在实际应用中的效率。
3、本发明提供的一种双通道大气压微波等离子体射流装置，双通道同轴谐振器基于传输线理论，合理的设计了谐振腔的长度，可以在较低的入射功率输入下，在开口端产生等离子体。
4、本发明提供的一种双通道大气压微波等离子体射流装置，将同轴线设计成气体传输管道，有效地将混合气体分离，通过添加外施功率可以在开口端得到具有时空分布的等离子体射流，可以实现不同活性粒子的时空分布调节。
附图说明
图1为本发明装置的原理工作示意图。
图2为基于本发明装置的Ar等离子体射流状态示意图；
图3为基于本发明装置的纯Ar/N2等离子体射流状态示意图；
图4为基于本发明装置的He等离子体射流状态示意图；
图5为基于本发明装置的纯He/N2等离子体射流状态示意图；
图6为基于本发明装置的Ar/CF4等离子体射流的时变电子密度示意图。
图中：1、气体管道；2、大同轴腔；3、SMA接口；4、腔体螺纹接口；5、小同轴腔；6、空心同轴线；7、脉冲信号调制器；8、定向耦合器；9、功率放大器；10、微波信号发生器；11、气体流量计；12、针阀；13、减压阀；14、气体储存瓶。
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。
请参阅图1，本发明实施例中提供一种双通道大气压微波等离子体射流装置，包括双通同轴谐振器、脉冲调制微波电源和气路输入；双通道同轴谐振器由气体管道1、大同轴腔2和小同轴腔5、SMA接口3、腔体螺纹接口4、空心同轴线6组成；大同轴腔2与小同轴腔5通过腔体螺纹接口4组合成完整的谐振腔体，空心同轴线6固定在谐振器上，气体管道1由塑料材料制成，其入气端内径为4mm，外径为6mm，并以胶粘的方式固定在大同轴腔2上，工作气体由气体管道1通入谐振器和空心同轴线6中，空心同轴线6由铜制成，其内径和外径分别为1mm、2mm；SMA接口3用于微波功率的馈入，并在开口端产生场强；大同轴腔2和小同轴腔5由铜制成，其大同轴腔2的外径为24mm,内径为14mm，长20mm，小同轴腔5的外径为10mm，内径8mm，长30mm，小同轴腔螺纹接口处的外径为14mm，大同轴腔2和小同轴腔5组成的谐振器设置为一端短路一端开路，用于微波馈入后在开口端获得最大场强。
其中，脉冲调制微波电源包括脉冲信号调制器7、微波信号发生器10、功率放大器9和定向耦合器8，其微波能量由微波信号发生器10产生，其微波参数由脉冲信号调制器7进行手动调节，微波信号发生器10产生的微波能量经功率放大器9和定向耦合器8传输至SMA接口3，SMA接口3距短路端为3mm；脉冲信号调制器7输出5V方波，占空比为0.01-0.99，脉冲频率为10Hz-200kHz；微波信号发生器10的频率范围在2.4GHz-2.5GHz,输出功率为1mW；功率放大器9的输出连续功率为0-200W，脉冲上升速率为2kW/μs。
其中，气路输入包括两个气体储存瓶14、两个减压阀13、两个针阀12和气体流量计11，针阀11和气体流量计12用于控制工作气体的输入流量大。
为了进一步更好的解释说明本发明，还提供如下具体的实施例：
实施例一：
将本发明的双通道大气压微波等离子体射流装置搭建好进行实验检测：将脉冲调制微波电源参数设置为：微波频率2.45GHz,脉冲调制频率20kHz，脉冲调制占空比50％；首先使用Ar作为工作气体，通入空心同轴线6中，其流速设置为0.3L/min，放电形貌如图2所示；然后使用Ar/N2作为工作气体，其中Ar通入空心同轴线6中，流量设置为0.3L/min,N2通入谐振腔中，流量设置为2L/min,放电形貌如图3所示，从图2到图3可以看出，使用本发明装置产生的等离子体射流实现了空间分布调节。
实施例二：
将本发明的双通道大气压微波等离子体射流装置搭建好进行实验检测：将脉冲调制微波电源参数设置为：微波频率2.45GHz,脉冲调制频率为20kHz,脉冲调制占空比为50％。首先使用He作为工作气体，并将其通入空心同轴线6的气体管道1中，流速设置为0.3L/min,放电形貌如图4所示；然后将He/N2作为工作气体，He通入空心同轴线6，N2通入谐振器中，两个工作气体的流量分别为0.3L/min和2L/min,放电形貌如图5所示，从图4到图5可以看出，He和He/N2射流形貌表现出细长分层状，不同的等离子体出现在射流的不同空间位置。
实施例三：
对基于本发明装置的等离子体射流进行时变电子密度诊断，放电参数分别设置为：微波频率2.45GHz，脉冲调制频率20kHz,脉冲调制占空比50％。空心同轴线6通入0.5L/min的Ar，谐振腔中通入0.6L/min的CF4气体。使用微波瑞利散射装置测量了此参数下的等离子体射流的时变电子密度，结果如图6所示。从图6中可以看出，本发明装置下的微波等离子体射流的电子密度可达1020数量级。
综上所述：本发明提供的一种双通道大气压微波等离子体射流装置，不仅能够分离工作气体，还能实现等离子体射流中活性粒子的时空分布调节，并且产生的活性粒子密度大，通过脉冲调制参数的控制可以有效地调节等离子体射流的温度，增大了微波等离子体射流的使用范围。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种双通道大气压微波等离子体射流装置，其特征在于，包括双通同轴谐振器、脉冲调制微波电源和气路输入；所述双通道同轴谐振器由气体管道(1)、大同轴腔(2)和小同轴腔(5)、SMA接口(3)、腔体螺纹接口(4)、空心同轴线(6)组成；所述大同轴腔(2)与小同轴腔(5)通过腔体螺纹接口(4)组合成完整的谐振腔体，空心同轴线(6)固定在谐振器上，工作气体由气体管道(1)通入谐振器和空心同轴线(6)中；所述SMA接口(3)用于微波功率的馈入，并在开口端产生场强；
所述脉冲调制微波电源的微波能量由微波信号发生器(10)产生，其微波参数由脉冲信号调制器(7)进行手动调节，所述微波信号发生器(10)产生的微波能量经功率放大器(9)和定向耦合器(8)传输至SMA接口(3)；
所述气路输入包括气体储存瓶(14)、减压阀(13)、针阀(12)和气体流量计(11)，针阀(11)和气体流量计(12)用于控制工作气体的输入流量大小。
2.如权利要求1所述的一种双通道大气压微波等离子体射流装置，其特征在于：所述大同轴腔(2)和小同轴腔(5)由铜制成，其大同轴腔(2)的外径为24mm,内径为14mm，长20mm，小同轴腔(5)的外径为10mm，内径8mm，长30mm，小同轴腔螺纹接口处的外径为14mm。
3.如权利要求2所述的一种双通道大气压微波等离子体射流装置，其特征在于：所述大同轴腔(2)和小同轴腔(5)组成的谐振器设置为一端短路一端开路，用于微波馈入后在开口端获得最大场强。
4.如权利要求1所述的一种双通道大气压微波等离子体射流装置，其特征在于：所述空心同轴线(6)由铜制成，其内径和外径分别为1mm、2mm。
5.如权利要求1所述的一种双通道大气压微波等离子体射流装置，其特征在于，所述SMA接口(3)距短路端为3mm。
6.如权利要求1所述的一种双通道大气压微波等离子体射流装置，其特征在于，所述气体管道(1)由塑料材料制成，其入气端内径为4mm，外径为6mm，并以胶粘的方式固定在大同轴腔(2)上。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN115584492A (zh) * | 2022-10-19 | 2023-01-10 | 国网安徽省电力有限公司马鞍山供电公司 | 一种高密度大气压碳氟等离子体射流的产生方法 |
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2022
- 2022-05-23 CN CN202210561875.3A patent/CN114867180A/zh active Pending
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| CN115584492A (zh) * | 2022-10-19 | 2023-01-10 | 国网安徽省电力有限公司马鞍山供电公司 | 一种高密度大气压碳氟等离子体射流的产生方法 |
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