CN115568081B - 一种宽幅射流等离子体炬及其射流方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽幅射流等离子体炬及其射流方法，属于微波技术领域，包括矩形波导、超材料体和陶瓷管；所述矩形波导左端设有微波馈入口，且矩形波导前后侧为窄面，位于前侧的窄面内壁设有超材料体；所述超材料体包括第一介电常数介质板和第二介电常数介质板；所述第一介电常数介质板从左往右材料前后方向厚度逐渐增大；所述第二介电常数介质板从左往右材料前后方向的厚度保持不变，且等于第一介电常数介质板最右端材料前后方向的厚度；所述陶瓷管嵌入在第二介电常数介质板内，且陶瓷管整体位于第二介电常数介质板的后表面前侧。本发明能有效解决现有等离子体激发装置不能同时解决无法产生均匀宽幅射流等离子体、使用不便利和成本高等问题。

Description

一种宽幅射流等离子体炬及其射流方法

技术领域

本发明涉及微波技术领域，具体涉及一种宽幅射流等离子体炬及其射流方法。

背景技术

随着等离子体工业的迅速发展，其在国民经济的各个领域出现更加频繁，对产生等离子体的装置提出了更高的要求。等离子体由离子、电子以及未电离的中性粒子的集合组成，整体呈中性的物质状态，被认为是除去固、液和气外，物质存在的第四态。等离子体炬是依据等离子体产生原理而研制的专门设备，用于生成等离子体。常见等离子体的激发方式有直流高压、射频、微波等，相比于直流高压和射频等离子体，微波等离子体具有更高的电离度、电子密度、离子温度、适应的压强范围宽、高温高压下容易维持等离子体、无电极污染等优点，已在材料合成、材料表面改性、镀膜、半导体清洁等工业中引起广泛关注。

微波等离子体炬的放电管内产生等离子体，要求反应腔的电场强度达到工作气体的击穿场强，才能对工作气体进行电离，产生活跃的等离子体成分。现有技术中，在大气压下激励等离子体所需的电场强度往往远高于维持等离子体的电场强度，尤其在微波等离子体放电中，需要外加高强度的局部电场来激励工作气体放电。所以，往往会通过使用大功率微波源和对反应腔做特殊处理的方法，来达到激励等离子体所需的电场强度。但是，使用大功率微波源，电场强度提升一倍，需要微波功率增加3倍，且大功率微波发生器价格昂贵，微波发生器的价格与微波功率成指数增长，通过使用大功率微波源的方法来提高电场强度，成本极高；对反应腔做特殊处理一般是在反应腔内设置有金属尖的装置，例如在反应腔内放入铜丝，在反应腔内放入铜丝后，电场强度得到提升，足以击穿工作气体形成等离子体，但是电场主要集中在反应腔中心且存在电场在上下方向分布不均匀的缺点，无法产生均匀宽幅射流等离子体，而且铜丝会被烧掉，无法再次回收使用，更换麻烦。现有方案中均无法产生均匀宽幅射流等离子体，均匀宽幅射流等离子体由于其喷出的形状是面状的，处理的量更大，使用更方便，在现实生活中具有更加广泛的应用。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种宽幅射流等离子体炬，拟解决现有等离子体激发装置不能同时解决无法产生均匀宽幅射流等离子体、使用不便利和成本高等问题。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种宽幅射流等离子体炬，包括矩形波导、超材料体和陶瓷管；所述矩形波导左端设有微波馈入口，且矩形波导前后侧为窄面，位于前侧的窄面内壁设有超材料体；所述超材料体包括第一介电常数介质板和第二介电常数介质板；所述第一介电常数介质板设在第二介电常数介质板左侧；所述第一介电常数介质板从左往右材料前后方向厚度逐渐增大；所述第二介电常数介质板从左往右材料前后方向的厚度保持不变，且等于第一介电常数介质板最右端材料前后方向的厚度；所述陶瓷管嵌入在第二介电常数介质板内，且陶瓷管整体位于第二介电常数介质板的后表面前侧；所述陶瓷管的轴心在上下方向延伸，且陶瓷管上端设有上进气口，下端设有下进气口；所述陶瓷管前侧面设有连通外界的条形口；所述条形口平行于陶瓷管的轴心。

进一步的，所述第一介电常数介质板为直四棱柱结构，且上下底面均为左窄右宽的直角梯形；所述第二介电常数介质板为长方体结构，且高度等于第一介电常数介质板的高度。

进一步的，所述矩形波导右侧面设有金属屏蔽板。

进一步的，所述第二介电常数介质板的前表面设有第一开口；所述矩形波导的位于前侧的窄面上设有第二开口；所述条形口、第一开口、第二开口相对应，形成等离子体喷射通道。

进一步的，所述条形口左右两侧设有挡板；所述挡板覆盖第一开口和第二开口的左右两侧，所述挡板为陶瓷材料。

进一步的，还包括转换器；所述转换器包括左矩形波导、右矩形波导和压缩波导；所述左矩形波导、压缩波导、右矩形波导和矩形波导从左往右依次连接；所述压缩波导左端口大于右端口。

进一步的，所述条形口上端延伸至第二介电常数介质板的上底面，条形口下端延伸至第二介电常数介质板的下底面。

进一步的，还包括点火装置；所述点火装置包括气源、上容纳室和下容纳室；所述陶瓷管上端的侧壁上设有上进气口，下端的侧壁上设有下进气口；所述陶瓷管上端设有用于容纳上金属球的上容纳室，下端设有用于容纳下金属球的下容纳室；所述上容纳室顶部设有顶部进气口，底部设有和陶瓷管上端连通的下开口；所述下开口上设有下挡板；所述下容纳室底部设有底部进气口，顶部设有和陶瓷管下端连通的上开口；所述上开口上设有上挡板；所述顶部进气口、上进气口、下进气口、底部进气口分别通过带第一阀门的管路、带第二阀门的管路、带第三阀门的管路、带第四阀门的管路和气源连通。

进一步的，一种宽幅射流等离子体炬射流方法，采用上述的一种宽幅射流等离子体炬，在陶瓷管的上进气口、下进气口分别通入气体，在矩形波导左端设有的微波馈入口馈入微波，激发等离子体；条形口向外界喷射宽幅射流等离子体。

进一步的，一种宽幅射流等离子体炬射流方法，采用上述的一种宽幅射流等离子体炬，包括通气步骤、馈入微波步骤、点火步骤、维持步骤；

所述通气步骤为：打开第二阀门、第三阀门，气源通过上进气口和下进气口向陶瓷管通入气体，气体从条形口喷出；

所述馈入微波步骤为：采用微波源向左矩形波导的左端输入微波，微波经左矩形波导、压缩波导、右矩形波导后传输至矩形波导内，在第二介电常数介质板后表面形成表面波；

所述点火步骤为：第一阀门、第四阀门、下挡板、上挡板同时打开，气源通过顶部进气口向上金属球吹气，气源通过底部进气口向下金属球吹气，使上金属球和下金属球同时向中间运动并发生碰撞点火，激发等离子体；关闭第一阀门和第二阀门，气源通过底部进气口向下金属球吹气，使下金属球将上金属球顶入上容纳室，关闭下挡板，使上金属球回收至上容纳室内，且下金属球在下挡板下方；打开第二阀门，关闭第三阀门和第四阀门，下金属球在上进气口通入的气体作用下落入下容纳室，关闭上挡板，使下金属球回收至下容纳室内；

所述维持步骤为：打开第三阀门，气源通过上进气口和下进气口向陶瓷管通入气体，维持宽幅等离子体从条形口喷出。

本发明的有益效果是：

本发明公开了一种宽幅射流等离子体炬及其射流方法，属于微波技术领域，包括矩形波导、超材料体和陶瓷管；所述矩形波导左端设有微波馈入口，且矩形波导前后侧为窄面，位于前侧的窄面内壁设有超材料体；所述超材料体包括第一介电常数介质板和第二介电常数介质板；所述第一介电常数介质板从左往右材料前后方向厚度逐渐增大；所述第二介电常数介质板从左往右材料前后方向的厚度保持不变，且等于第一介电常数介质板最右端材料前后方向的厚度；所述陶瓷管嵌入在第二介电常数介质板内，且陶瓷管整体位于第二介电常数介质板的后表面前侧；所述陶瓷管的轴心在上下方向延伸，且陶瓷管上端设有上进气口，下端设有下进气口；所述陶瓷管前侧面设有连通外界的条形口；所述条形口平行于陶瓷管的轴心。本发明能有效解决现有等离子体激发装置不能同时解决无法产生均匀宽幅射流等离子体、使用不便利和成本高等问题。

附图说明

图1是本发明宽幅射流等离子体炬整体结构示意图；

图2是本发明转换器结构示意图；

图3是本发明矩形波导结构示意图；

图4是本发明超材料体结构示意图；

图5是本发明陶瓷管结构示意图；

图6是本发明陶瓷管从前往后看的结构示意图；

图7是本发明陶瓷管从右往左看的结构示意图；

图8是本发明陶瓷管从上往下看的结构示意图；

图9是本发明陶瓷管与第二介电常数介质板、矩形波导的位置关系示意图；

图10是本发明点火装置结构示意图；

图11是本发明改变介质与空气占比以改变等效介电常数示意图；

图12是仿真模拟常规方式反应腔YZ平面的电场分布示意图；常规方式指陶瓷管位置在矩形波导前后方向的对称平面上，矩形波导内无超材料体，陶瓷管内无铜丝，YZ平面指矩形波导前后方向的对称平面。

图13是仿真模拟常规方式反应腔XY平面的电场分布示意图；常规方式指陶瓷管位置在矩形波导前后方向的对称平面上，矩形波导内无超材料体，陶瓷管内无铜丝，XY平面指矩形波导上下方向的对称平面。

图14是图13中A处的局部放大图；

图15是仿真模拟加铜丝方式反应腔YZ平面的电场分布示意图；加铜丝方式指陶瓷管位置在矩形波导前后方向的对称平面上，矩形波导内无超材料体，陶瓷管内有铜丝，YZ平面指矩形波导前后方向的对称平面。

图16是仿真模拟加铜丝方式反应腔XY平面的电场分布示意图；加铜丝方式指陶瓷管位置在矩形波导前后方向的对称平面上，矩形波导内无超材料体，陶瓷管内有铜丝，XY平面指矩形波导上下方向的对称平面。

图17是图16中B处的局部放大图；

图18是仿真模拟加超材料体方式反应腔YZ平面的电场分布示意图；加超材料体方式指陶瓷管位置在矩形波导前后方向的对称平面上，矩形波导内有超材料体，且位于矩形波导前侧的窄面内壁，陶瓷管内无铜丝，YZ平面指矩形波导前后方向的对称平面。

图19是仿真模拟加超材料体方式反应腔XY平面的电场分布示意图；加超材料体方式指陶瓷管位置在矩形波导前后方向的对称平面上，矩形波导内有超材料体，且位于矩形波导前侧的窄面内壁，陶瓷管内无铜丝，XY平面指矩形波导上下方向的对称平面。

图20是图19中C处的局部放大图；

图21是仿真模拟采用本发明方案反应腔YZ平面的电场分布示意图；本发明方案指陶瓷管位置在第二介电常数介质板的后表面前侧，矩形波导内有超材料体，且位于矩形波导前侧的窄面内壁，陶瓷管内无铜丝，YZ平面指过陶瓷管轴心的左右和上下方向的平面。

图22是仿真模拟采用本发明方案反应腔XY平面的电场分布示意图；本发明方案指陶瓷管位置在第二介电常数介质板的后表面前侧，矩形波导内有超材料体，且位于矩形波导前侧的窄面内壁，陶瓷管内无铜丝，XY平面指矩形波导上下方向的对称平面。

图23是图22中D处的局部放大图；

附图中：1-转换器、2-矩形波导、3-超材料体、4-陶瓷管、5-第一介电常数介质板、6-第二介电常数介质板、7-条形口、8-金属屏蔽板、9-挡板、10-左矩形波导、11-右矩形波导、12-压缩波导、13-第一开口、14-第二开口、15-气源、16-上容纳室、17-下容纳室、18-上进气口、19-下进气口、20-上金属球、21-下金属球、22-顶部进气口、23-底部进气口、24-下挡板、25-上挡板、26-第一阀门、27-第二阀门、28-第三阀门、29-第四阀门。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式，对本发明进一步详细说明，但是本发明不局限于以下实施例。

实施例一：

见附图1～9。一种宽幅射流等离子体炬，包括矩形波导2、超材料体3和陶瓷管4；所述矩形波导2左端设有微波馈入口，且矩形波导2前后侧为窄面，位于前侧的窄面内壁设有超材料体3；所述超材料体3包括第一介电常数介质板5和第二介电常数介质板6；所述第一介电常数介质板5设在第二介电常数介质板6左侧；所述第一介电常数介质板5从左往右材料前后方向厚度逐渐增大；所述第二介电常数介质板6从左往右材料前后方向的厚度保持不变，且等于第一介电常数介质板5最右端材料前后方向的厚度；所述陶瓷管4嵌入在第二介电常数介质板6内，且陶瓷管4整体位于第二介电常数介质板6的后表面前侧；所述陶瓷管4的轴心在上下方向延伸，且陶瓷管4上端设有上进气口18，下端设有下进气口19；所述陶瓷管4前侧面设有连通外界的条形口7；所述条形口7平行于陶瓷管4的轴心。由上述结构可知，本发明涉及一种宽幅射流等离子体炬，如图3所示，包括矩形波导2、超材料体3和陶瓷管4，矩形波导2为长方体腔室结构，矩形波导2左端设有微波馈入口，微波从矩形波导2左端设有的微波馈入口馈入。矩形波导2前后侧为窄面，矩形波导2由两个尺寸宽点的侧面和两个尺寸窄点的侧面围成，两个尺寸宽点的侧面即宽面，两个尺寸窄点的侧面为窄面。位于前侧的窄面内壁设有超材料体3，超材料体3紧贴着矩形波导2前侧的窄面内壁设置。如图4所示，超材料体3包括第一介电常数介质板5和第二介电常数介质板6，第一介电常数介质板5设在第二介电常数介质板6左侧，第一介电常数介质板5和第二介电常数介质板6在矩形波导2前侧的窄面内壁从左到右连接设置。第一介电常数介质板5从左往右材料前后方向厚度逐渐增大，左端厚度为T1，右端厚度为T2，T1＜T2；第二介电常数介质板6从左往右材料前后方向的厚度保持不变，厚度为T3，且第二介电常数介质板6材料前后方向的厚度等于第一介电常数介质板5最右端材料前后方向的厚度，也即T2＝T3。通过在矩形波导2前侧的窄面内壁设置沿电磁波传播方向介电常数逐渐增大的超材料体3，使得从矩形波导2左端设有的微波馈入口馈入的微波经过第一介电常数介质板5超界面的多次反射最终在第二介电常数介质板6形成表面波，形成表面波的区域电场强度提高，有利于激发等离子体。通过仿真实验图21～23，可知利用超材料体3，可以实现微波在矩形波导2内单向传输，提高能量的利用率，而且我们发现在第二介电常数介质板6形成的表面波在上下方向场强较大且比较均匀，均匀电场的宽度更宽，能均匀激发等离子体的产生。而陶瓷管4嵌入在第二介电常数介质板6内，且陶瓷管4整体位于第二介电常数介质板6的后表面前侧，使陶瓷管4后半部分被第二介电常数介质板6电场强度较大的区域覆盖，将陶瓷管4的轴心设置为在上下方向延伸，能使陶瓷管4后半部分的上下方向的电场分布是均匀且较强的，有利于产生稳定、连续、均匀的宽幅射流等离子体。且陶瓷管4上端设有上进气口18，例如上进气口18可以设置在上端的顶部或侧面，下端设有下进气口19，例如下进气口19可以设置在下端的底部或侧面，气体从在陶瓷管4上下两端设有的上进气口18、下进气口19进入，例如空气或氦气，激发等离子体。陶瓷管4前侧面设有连通外界的条形口7，条形口7平行于陶瓷管4的轴心，当等离子体被激发后，从陶瓷管4前侧面设有的连通外界的条形口7喷出，向外界喷射均匀宽幅射流等离子体。

实施例二：

见附图1～9、11。在实施例一的基础上，所述第一介电常数介质板5为直四棱柱结构，且上下底面均为左窄右宽的直角梯形；所述第二介电常数介质板6为长方体结构，且高度等于第一介电常数介质板5的高度。由上述结构可知，通过在矩形波导2前侧的窄面内壁设置沿电磁波传播方向介电常数逐渐增大的超材料体3，使得从矩形波导2左端设有的微波馈入口馈入的微波经过第一介电常数介质板5超界面的多次反射最终在第二介电常数介质板6形成表面波，形成表面波的区域电场强度提高，有利于激发等离子体。但是，很多时候具有连续变化介电常数的材料很难得到，因此，本发明通过改变波导中一个周期结构中(远小于波导波长)无耗介质和空气的体积之比来近似实现超材料体介电常数沿电磁波传播方向的连续变化。如图11所示，两个部分空气和介质的比例不同，两个部分的等效介电常数也不同。

其中，空气比例与等效介电常数的关系由下式决定：

其中，α为空气所占的比例，ε_r为介质的介电常数，ε_r ^′为空气和介质的等效介电常数，空气介电常数为1。超材料体3包括第一介电常数介质板5和第二介电常数介质板6，第一介电常数介质板5设在第二介电常数介质板6左侧，将第一介电常数介质板5设置为直四棱柱结构，且上下底面均为左窄右宽的直角梯形，能使第一介电常数介质板5从左往右材料前后方向厚度逐渐增大，从而改变第一介电常数介质板5和空气的体积之比来近似实现超材料体介电常数沿电磁波传播方向的连续变化。第二介电常数介质板6为长方体结构，因此第二介电常数介质板6从左往右材料前后方向的厚度保持不变，第一介电常数介质板5的高度H1等于第二介电常数介质板6的高度H2，使得从矩形波导2左端设有的微波馈入口馈入的微波经过第一介电常数介质板5超界面的多次反射最终在第二介电常数介质板6形成表面波，形成表面波的区域电场强度提高，有利于激发等离子体。

所述矩形波导2右侧面设有金属屏蔽板8。由上述结构可知，在矩形波导2右侧面设置金属屏蔽板8，防止从矩形波导2左端设有的微波馈入口馈入的微波泄露。

所述第二介电常数介质板6的前表面设有第一开口13；所述矩形波导2的位于前侧的窄面上设有第二开口14；所述条形口7、第一开口13、第二开口14相对应，形成等离子体喷射通道。由上述结构可知，陶瓷管4前侧面设有连通外界的条形口7，而陶瓷管4嵌入在第二介电常数介质板6内，第二介电常数介质板6又设置在矩形波导2前侧的窄面内壁，因此，为了让条形口7更好地连通外界，在第二介电常数介质板6的前表面设置第一开口13，在矩形波导2的位于前侧的窄面上设置第二开口14。同时，为了便于等离子体喷射，将条形口7、第一开口13和第二开口14相对应设置，即三个口方向一致且成前后方向排列，形成等离子体喷射通道。

所述条形口7左右两侧设有挡板9；所述挡板9覆盖第一开口13和第二开口14的左右两侧；所述挡板9为陶瓷材料。由上述结构可知，条形口7、第一开口13和第二开口14相对应设置，三个口方向一致且成前后方向排列，形成等离子体喷射通道。在条形口7左右两侧设有挡板9，且挡板9覆盖第一开口13和第二开口14的左右两侧，也即是挡板9从陶瓷管4前侧面条形口7左右两侧延伸出来，依次穿过第二介电常数介质板6的第一开口13和矩形波导2的第二开口14。挡板9的设置将从喷射通道喷出的等离子体与矩形波导2和第二介电常数介质板6隔离开，避免喷射的等离子体与矩形波导2直接接触。根据现有资料，陶瓷材料是指用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料，具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点，陶瓷材料的熔点大多在2000℃以上。而矩形波导2一般采用金属或轻质碳纤维复合材料，其熔点低于陶瓷熔点。等离子体炬在工作过程中，从等离子体喷射通道喷出的等离子体温度较高，为了避免较高温度的等离子体与矩形波导2和第二介电常数介质板6直接接触，从而损坏等离子体炬装置，因此将挡板9设置为陶瓷材料。所以，挡板9实现了等离子体导向和保护矩形波导2的双重作用。

还包括转换器1；所述转换器1包括左矩形波导10、右矩形波导11和压缩波导12；所述左矩形波导10、压缩波导12、右矩形波导11和矩形波导2从左往右依次连接；所述压缩波导12左端口大于右端口。由上述结构可知，压缩波导是最为常见的等离子体反应器耦合装置之一，但是，单端口激励的压缩波导仍存在激发场强不够高的问题。针对这一问题，本发明还利用了一种转换器1结构，转换器1包括左矩形波导10、右矩形波导11和压缩波导12，左矩形波导10、压缩波导12、右矩形波导11和矩形波导2从左往右依次连接，压缩波导12左端口大于右端口，微波从左矩形波导10左端馈入，经压缩波导12作用后，馈入右矩形波导11中，最后作为微波源从矩形波导2左端设有的微波馈入口馈入矩形波导2中。而该转换器1结构使微波在进入矩形波导2之前，电场强度就得到提高，能高效地激发产生等离子体。

所述条形口7上端延伸至第二介电常数介质板6的上底面，条形口7下端延伸至第二介电常数介质板6的下底面。由上述结构可知，条形口7长度L4与第二介电常数介质板6的高度H2保持一致。因为第二介电常数介质板6形成的表面波在上下方向场强较大且比较均匀，将条形口7高度与第二介电常数介质板6的高度保持一致，能使喷射的均匀宽幅等离子体宽度更宽。

实施例三：

见附图10。在实施例二的基础上，还包括点火装置；所述点火装置包括气源15、上容纳室16和下容纳室17；所述陶瓷管4上端的侧壁上设有上进气口18，下端的侧壁上设有下进气口19；所述陶瓷管4上端设有用于容纳上金属球20的上容纳室16，下端设有用于容纳下金属球21的下容纳室17；所述上容纳室16顶部设有顶部进气口22，底部设有和陶瓷管4上端连通的下开口；所述下开口上设有下挡板24；所述下容纳室17底部设有底部进气口23，顶部设有和陶瓷管4下端连通的上开口；所述上开口上设有上挡板25；所述顶部进气口22、上进气口18、下进气口19、底部进气口23分别通过带第一阀门26的管路、带第二阀门27的管路、带第三阀门28的管路、带第四阀门29的管路和气源15连通。由上述结构可知，对于连续波工作的微波等离子体放电，只需一次点火然后撤开激发装置便可通过连续的微波输入耦合来维持等离子体的放电过程。因此，要使得微波等离子体炬反应腔内产生气体击穿所需的击穿场强，一般在反应腔内设置有金属尖或是聚集电场的装置，但由于一般的微波等离子体炬反应腔内放入金属尖后，存在电场在上下方向分布不均匀的缺点，无法产生均匀宽幅射流等离子体，而且铜丝会被烧掉，无法再次回收使用，更换麻烦。因此，本发明在陶瓷管4上还设有点火装置，所述点火装置包括气源15，气源15用于向陶瓷管4通入气体，例如气泵或者储气瓶。陶瓷管4上端设有用于容纳上金属球20的上容纳室16，下端设有用于容纳下金属球21的下容纳室17，即上容纳室16和下容纳室17分为位于陶瓷管4上端和下端，用于容纳一颗金属球，上容纳室16和下容纳室17与陶瓷管4可以一体制造也可以单独制造再连接在一块。所述上容纳室16顶部设有顶部进气口22，底部设有和陶瓷管4上端连通的下开口，上容纳室16是一个空心的腔室结构，并且下开口上设有下挡板24，下挡板24将上容纳室16与陶瓷管4其他部分隔开，下挡板24是可以开启与关闭的，例如通过电动伸缩杆控制下挡板24插入或拔出。所述下容纳室17底部设有底部进气口23，顶部设有和陶瓷管4下端连通的上开口，所述上开口上设有上挡板25，陶瓷管4上端和下端是对称的设置，下容纳室17也是一个空心的腔室结构，上挡板25将下容纳室17与陶瓷管4其他部分隔开，上挡板25是可以开启与关闭的，例如通过电动伸缩杆控制上挡板25插入或拔出。所述陶瓷管4上端的侧壁上设有上进气口18，下端的侧壁上设有下进气口19，通过上进气口18、下进气口19以及顶部进气口22、底部进气口23向陶瓷管4通入气体，上进气口18紧邻下挡板24且位于下挡板24下方，下进气口19紧邻上挡板25且位于上挡板25上方。所述顶部进气口22、上进气口18、下进气口19、底部进气口23分别通过带第一阀门26的管路、带第二阀门27的管路、带第三阀门28的管路、带第四阀门29的管路和气源15连通，气源15与陶瓷管4共有4条管路连通，分别是带第一阀门26的管路、带第二阀门27的管路、带第三阀门28的管路、带第四阀门29的管路，每条管路独立连通，通过其所在的阀门控制管路的开启和关闭。点火时，第一阀门26、第四阀门29、下挡板24、上挡板25同时打开，气源15通过顶部进气口22向上金属球20吹气，气源15通过底部进气口23向下金属球21吹气，使上金属球20和下金属球21同时向中间运动并发生碰撞点火，激发等离子体；碰撞完成之后，关闭第一阀门26和第二阀门27，气源15通过底部进气口23向下金属球21吹气，使下金属球21将上金属球20顶入上容纳室16，关闭下挡板24，使上金属球20回收至上容纳室16内，由于下挡板24设置为平板结构，而金属球为球状结构，且上容纳室16只能容纳一颗金属球，因此在关闭下挡板24时，只会将上金属球20顶入上容纳室16，下金属球21在下挡板24下方；打开第二阀门27，关闭第三阀门28和第四阀门29，上进气口18紧邻下挡板24且位于下挡板24下方，上进气口18通入气体后，通入的气体会向下挡板24的表面吹，下金属球21位于下挡板24下方，向下挡板24的表面吹的气体会作用于下金属球21，下金属球21在其作用下被吹入下容纳室17，关闭上挡板25，使下金属球21回收至下容纳室17内，此时，第二阀门27是处于打开状态，能保证气源15通过上进气口18向陶瓷管4通入气体，维持宽幅等离子体从条形口7射出。点火装置实现了宽幅射流等离子体的点火与金属球回收，既满足了等离子体炬需点火、提高场强的需求，又解决了金属球回收问题，实现回收使用，不用频繁更换，使宽幅等离子体炬既能产生均匀宽幅射流在使用上更加便利。

实施例四：

见附图1～10、12-23。一种宽幅射流等离子体炬射流方法，采用上述的一种宽幅射流等离子体炬，在陶瓷管4的上进气口18、下进气口19分别通入气体，在矩形波导2左端设有的微波馈入口馈入微波，激发等离子体；条形口7向外界喷射宽幅射流等离子体。

基于上述宽幅射流等离子体炬结构和射流方法，在仿真软件中构建了一个宽幅射流等离子体炬。转换器1的左端左矩形波导10左端口作为微波能量的输入端口，输入电磁波的频率为2.45GHz，输入功率为100W。转换器1、矩形波导2和陶瓷管4内均设为空气，其介电常数为1。

对比实验1，在相同的输入频率和输入功率下，使用常规方式，矩形波导内电场分布如图12-14所示，可以看出，此时矩形波导内XY平面电场最大值为19500V/m，电场在陶瓷管上下方向分布均匀，但场强小。

对比实验2，在相同的输入频率和输入功率下，使用加铜丝方式，矩形波导内电场分布如图15-17所示，可以看出，在陶瓷管内放入铜丝后，此时矩形波导内XY平面电场最大值为294000V/m，电场强度得到提升，足以击穿工作气体形成等离子体，但是电场在陶瓷管中心且电场在上下方向分布不均匀的缺点，无法产生均匀宽幅射流等离子体。

对比实验3，在相同的输入频率和输入功率下，使用加超材料体方式，矩形波导内电场分布如图18-20所示，从图19可以看出，此时矩形波导内XY平面电场最大值为30200V/m。

采用本发明方案时，矩形波导内电场分布如图21-23所示，从图22中可以看出，此时，矩形波导内XY平面的电场强度最大值为38300V/m。相较于对比实验1的情况，本发明方案电场强度得到了增大，这是陶瓷管4周围电磁波在超材料体3的影响下变为表面波所导致；相较于对比实验2的情况，从图21中可以看出，本发明方案在沿陶瓷管4长度方向上电场分布比较均匀，有利于产生均匀宽幅的等离子体；相较于对比实验3的情况，本发明方案矩形波导内XY平面的电场强度最大值为38300V/m，大于对比实验3的场强。本发明能产生均匀宽幅射流等离子体。

实施例五：

见附图1-10。一种宽幅射流等离子体炬射流方法，采用上述的一种宽幅射流等离子体炬点火，包括通气步骤、馈入微波步骤、点火步骤、维持步骤；

所述通气步骤为：打开第二阀门27、第三阀门28，气源15通过上进气口18和下进气口19向陶瓷管4通入气体，气体从条形口7喷出；

所述馈入微波步骤为：采用微波源向左矩形波导10的左端输入微波，微波经左矩形波导10、压缩波导12、右矩形波导11后传输至矩形波导2内，在第二介电常数介质板6后表面形成表面波；

所述点火步骤为：第一阀门26、第四阀门29、下挡板24、上挡板25同时打开，气源15通过顶部进气口22向上金属球20吹气，气源15通过底部进气口23向下金属球21吹气，使上金属球20和下金属球21同时向中间运动并发生碰撞点火，激发等离子体；关闭第一阀门26和第二阀门27，气源15通过底部进气口23向下金属球21吹气，使下金属球21将上金属球20顶入上容纳室16，关闭下挡板24，使上金属球20回收至上容纳室16内，且下金属球21在下挡板24下方；打开第二阀门27，关闭第三阀门28和第四阀门29，下金属球21在上进气口18通入的气体作用下落入下容纳室17，关闭上挡板25，使下金属球21回收至下容纳室17内；

所述维持步骤为：打开第三阀门28，气源15通过上进气口18和下进气口19向陶瓷管4通入气体，维持宽幅等离子体从条形口7喷出。

宽幅射流等离子体炬工作过程为：

打开第二阀门27、第三阀门28，气源15通过上进气口18和下进气口19向陶瓷管4通入气体，气体从条形口7喷出，此时气体从上进气口18和下进气口19进入陶瓷管4内，又从条形口7喷出，形成一个流通。然后，采用微波源向左矩形波导10的左端输入微波，微波经左矩形波导10、压缩波导12、右矩形波导11后传输至矩形波导2内，在第二介电常数介质板6后表面形成表面波。之后点火，其过程是：第一阀门26、第四阀门29、下挡板24、上挡板25同时打开，气源15通过顶部进气口22向上金属球20吹气，气源15通过底部进气口23向下金属球21吹气，使上金属球20和下金属球21同时向中间运动并发生碰撞点火，激发等离子体；碰撞完成之后，关闭第一阀门26和第二阀门27，气源15通过底部进气口23向下金属球21吹气，使下金属球21将上金属球20顶入上容纳室16，关闭下挡板24，使上金属球20回收至上容纳室16内，由于下挡板24设置为平板结构，而金属球为球状结构，且上容纳室16只能容纳一颗金属球，因此在关闭下挡板24时，只会将上金属球20顶入上容纳室16，下金属球21在下挡板24下方；打开第二阀门27，关闭第三阀门28和第四阀门29，上进气口18紧邻下挡板24且位于下挡板24下方，上进气口18通入气体后，通入的气体会向下挡板24的表面吹，下金属球21位于下挡板24下方，向下挡板24的表面吹的气体会作用于下金属球21，下金属球21在其作用下被吹入下容纳室17，关闭上挡板25，使下金属球21回收至下容纳室17内，此时，第二阀门27是处于打开状态，能保证气源15通过上进气口18向陶瓷管4通入气体，保证宽幅等离子体从条形口7射出。最后打开第三阀门28，气源15通过上进气口18和下进气口19向陶瓷管4通入气体，维持宽幅等离子体从条形口7喷出。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种宽幅射流等离子体炬，其特征在于：包括矩形波导(2)、超材料体(3)和陶瓷管(4)；所述矩形波导(2)左端设有微波馈入口，且矩形波导(2)前后侧为窄面，位于前侧的窄面内壁设有超材料体(3)；所述超材料体(3)包括第一介电常数介质板(5)和第二介电常数介质板(6)；所述第一介电常数介质板(5)设在第二介电常数介质板(6)左侧；所述第一介电常数介质板(5)从左往右材料前后方向厚度逐渐增大；所述第二介电常数介质板(6)从左往右材料前后方向的厚度保持不变，且等于第一介电常数介质板(5)最右端材料前后方向的厚度；所述陶瓷管(4)嵌入在第二介电常数介质板(6)内，且陶瓷管(4)整体位于第二介电常数介质板(6)的后表面前侧；所述陶瓷管(4)的轴心在上下方向延伸，且陶瓷管(4)上端的侧壁上设有上进气口(18)，下端的侧壁上设有下进气口(19)；所述陶瓷管(4)前侧面设有连通外界的条形口(7)；所述条形口(7)平行于陶瓷管(4)的轴心；还包括点火装置；所述点火装置包括气源(15)、上容纳室(16)和下容纳室(17)；所述陶瓷管(4)上端设有用于容纳上金属球(20)的上容纳室(16)，下端设有用于容纳下金属球(21)的下容纳室(17)；所述上容纳室(16)顶部设有顶部进气口(22)，底部设有和陶瓷管(4)上端连通的下开口；所述下开口上设有下挡板(24)；所述下容纳室(17)底部设有底部进气口(23)，顶部设有和陶瓷管(4)下端连通的上开口；所述上开口上设有上挡板(25)；所述顶部进气口(22)、上进气口(18)、下进气口(19)、底部进气口(23)分别通过带第一阀门(26)的管路、带第二阀门(27)的管路、带第三阀门(28)的管路、带第四阀门(29)的管路和气源(15)连通。

2.根据权利要求1所述的一种宽幅射流等离子体炬，其特征在于：所述第一介电常数介质板(5)为直四棱柱结构，且上下底面均为左窄右宽的直角梯形；所述第二介电常数介质板(6)为长方体结构，且高度等于第一介电常数介质板(5)的高度。

3.根据权利要求2所述的一种宽幅射流等离子体炬，其特征在于：所述矩形波导(2)右侧面设有金属屏蔽板(8)。

4.根据权利要求3所述的一种宽幅射流等离子体炬，其特征在于：所述第二介电常数介质板(6)的前表面设有第一开口(13)；所述矩形波导(2)的位于前侧的窄面上设有第二开口(14)；所述条形口(7)、第一开口(13)、第二开口(14)相对应，形成等离子体喷射通道。

5.根据权利要求4所述的一种宽幅射流等离子体炬，其特征在于：所述条形口(7)左右两侧设有挡板(9)；所述挡板(9)覆盖第一开口(13)和第二开口(14)的左右两侧；所述挡板(9)为陶瓷材料。

6.根据权利要求5所述的一种宽幅射流等离子体炬，其特征在于：还包括转换器(1)；所述转换器(1)包括左矩形波导(10)、右矩形波导(11)和压缩波导(12)；所述左矩形波导(10)、压缩波导(12)、右矩形波导(11)和矩形波导(2)从左往右依次连接；所述压缩波导(12)左端口大于右端口。

7.根据权利要求6所述的一种宽幅射流等离子体炬，其特征在于：所述条形口(7)上端延伸至第二介电常数介质板(6)的上底面，条形口(7)下端延伸至第二介电常数介质板(6)的下底面。

8.一种宽幅射流等离子体炬射流方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的一种宽幅射流等离子体炬，在陶瓷管(4)的上进气口(18)、下进气口(19)分别通入气体，在矩形波导(2)左端设有的微波馈入口馈入微波，激发等离子体；条形口(7)向外界喷射宽幅射流等离子体。

9.一种宽幅射流等离子体炬射流方法，其特征在于：采用如权利要求7所述的一种宽幅射流等离子体炬，包括通气步骤、馈入微波步骤、点火步骤、维持步骤；

所述通气步骤为：打开第二阀门(27)、第三阀门(28)，气源(15)通过上进气口(18)和下进气口(19)向陶瓷管(4)通入气体，气体从条形口(7)喷出；

所述馈入微波步骤为：采用微波源向左矩形波导(10)的左端输入微波，微波经左矩形波导(10)、压缩波导(12)、右矩形波导(11)后传输至矩形波导(2)内，在第二介电常数介质板(6)后表面形成表面波；

所述点火步骤为：第一阀门(26)、第四阀门(29)、下挡板(24)、上挡板(25)同时打开，气源(15)通过顶部进气口(22)向上金属球(20)吹气，气源(15)通过底部进气口(23)向下金属球(21)吹气，使上金属球(20)和下金属球(21)同时向中间运动并发生碰撞点火，激发等离子体；关闭第一阀门(26)和第二阀门(27)，气源(15)通过底部进气口(23)向下金属球(21)吹气，使下金属球(21)将上金属球(20)顶入上容纳室(16)，关闭下挡板(24)，使上金属球(20)回收至上容纳室(16)内，且下金属球(21)在下挡板(24)下方；打开第二阀门(27)，关闭第三阀门(28)和第四阀门(29)，下金属球(21)在上进气口(18)通入的气体作用下落入下容纳室(17)，关闭上挡板(25)，使下金属球(21)回收至下容纳室(17)内；

所述维持步骤为：打开第三阀门(28)，气源(15)通过上进气口(18)和下进气口(19)向陶瓷管(4)通入气体，维持宽幅等离子体从条形口(7)喷出。

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