CN116133223A - 环形分布纵向排列等离子激发装置 - Google Patents
环形分布纵向排列等离子激发装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116133223A CN116133223A CN202111342851.0A CN202111342851A CN116133223A CN 116133223 A CN116133223 A CN 116133223A CN 202111342851 A CN202111342851 A CN 202111342851A CN 116133223 A CN116133223 A CN 116133223A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- cone
- plasma excitation
- excitation device
- grooves
- longitudinally arranged
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
- H05H1/24—Generating plasma
- H05H1/46—Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/10—Nuclear fusion reactors
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Chemical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
本发明提供一种环形分布纵向排列等离子激发装置,通过包括:圆锥体;所述圆锥体环向设置多个凹槽,所述凹槽在靠近所述圆锥体的尖端处聚集,相邻两个所述凹槽之间构成小尖锥,从而形成多个小尖锥覆盖在所述圆锥体外表面的结构。本发明通过设计一种环形分布尖锥等离子激发装置,可使等离子体快速激发,场强稳定,使反应速率大大提升,并且使能量利用率提高。
Description
技术领域
本发明涉及微波技术领域,尤其涉及一种环形分布纵向排列等离 子激发装置。
背景技术
微波能量与等离子体能量的转化很大程度上取决于电场场强和 电场分布,传统的等离子体激发耦合能量很难做到快速,和低功率激 发。限制了微波系统在很多领域的应用,使用环形尖锥分布式等离子 体激发装置,可以在低功率,常压下激发等离子体。这将大大促进微 波系统在很多领域的应用,比如微波等离子体反应系统,微波等离子 体废气处理系统。
微波等离子体激发是电子在电磁波电场的作用下相碰撞原子,使 处于原子轨道上的自由电子脱离原子核,形成自由电子和正离子,正 离子和自由电子又受到电磁波电场作用碰撞其他原子,实现大量等离 子体的激发,然后等离子体之间进行反应生成所需的产物。
在微波等离子体系统中,等离子体激发需要快速、稳定。传统上 采用增加等离子体系统的真空度和增加馈入功率的形式,但是这种方 式等离子体激发数量少,反应速度缓慢,大功率能量馈入,只有少部 分等离子体激发,大量的能量转化为导体损耗,并且一部分能量向外 界空间辐射,造成电磁环境污染、能量浪费。
发明内容
本发明提供一种环形分布纵向排列等离子激发装置,用以解决现 有技术中等离子体激发条件的不足和能量耦合的效率低的缺陷,实现 可迅速激起等离子体,提供能量耦合的效率。
本发明提供一种环形分布纵向排列等离子激发装置,包括:圆锥 体;
所述圆锥体环向设置多个凹槽,所述凹槽在靠近所述圆锥体的尖 端处聚集,相邻两个所述凹槽之间构成小尖锥,从而形成多个小尖锥 覆盖在所述圆锥体外表面的结构。
进一步,根据本发明提供的一种环形分布纵向排列等离子激发装 置,其中,所述凹槽的深度从所述圆锥体的底面处到所述圆锥体的尖 端处渐变为0mm;
其中,所述凹槽的深度在所述圆锥体的底面处的深度为:
其中,ω为电磁波的角频率,μ为所述圆锥体的磁导率,σ为所 述圆锥体的电导率,d为所述圆锥体部的直径。
进一步,根据本发明提供的一种环形分布纵向排列等离子激发装 置,其中,所述凹槽的最大宽度为:
其中,λ为电磁波波长。
进一步,根据本发明提供的一种环形分布纵向排列等离子激发装 置,其中,所述小尖锥的尖端聚集的位置距离所述圆锥体的底面的高 度为:
其中,h为所述圆锥体的高度,θ为所述圆锥体切面尖锥角度的 一半。
进一步,根据本发明提供的一种环形分布纵向排列等离子激发装 置,其中,相邻两个所述凹槽的间隔角度为:
其中,d为所述圆锥体部的直径,h为所述圆锥体的高度,θ为 所述圆锥体切面尖锥角度的一半,λ为电磁波波长。
进一步,根据本发明提供的一种环形分布纵向排列等离子激发装 置,其中,所述凹槽为沿所述圆锥体的中心线对称分布。
进一步,根据本发明提供的一种环形分布纵向排列等离子激发装 置,其中,还包括支撑杆;
所述支撑杆与所述圆锥体底部连接。
进一步,根据本发明提供的一种环形分布纵向排列等离子激发装 置,其中,所述支撑杆与所述圆锥体底部采用高温焊接的方式连接。
进一步,根据本发明提供的一种环形分布纵向排列等离子激发装 置,其中,所述支撑杆为螺纹杆件,所述圆锥体底部中心处开有内螺 纹,用于连接所述螺纹杆件。
进一步,根据本发明提供的一种环形分布纵向排列等离子激发装 置,其中,所述圆锥体为耐高温导体材料制成。
本发明提供的一种环形分布纵向排列等离子激发装置,通过包括: 圆锥体;所述圆锥体环向设置多个凹槽,所述凹槽在靠近所述圆锥体 的尖端处聚集,相邻两个所述凹槽之间构成小尖锥,从而形成多个小 尖锥覆盖在所述圆锥体外表面的结构。本发明通过设计一种环形分布 尖锥等离子激发装置,可使等离子体快速激发,场强稳定,使反应速 率大大提升,并且使能量利用率提高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案,下面将对实 施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍,显而易见 地,下面描述中的附图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的前提下,还可以根据这些附图获得 其他的附图。
图1是本发明提供的环形分布纵向排列等离子激发装置的结构 示意图;
图2是本发明提供的开槽圆锥体与未开槽圆锥体的电场迭加示 意图;
图3是本发明提供的环形分布纵向排列等离子激发装置的凹槽 深度示意图;
图4是本发明提供的环形分布纵向排列等离子激发装置的正视 图;
图5是本发明提供的包含开槽圆锥体的情况下的场强值;
图6是本发明提供的包含不开槽圆锥体的情况下的场强值。
附图标记:
1:圆锥体; 2:凹槽; 3:小尖锥。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发 明中的附图,对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然, 所描述的实施例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作出创造性劳动前提 下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
下面结合图1描述本发明的一种环形分布纵向排列等离子激发 装置,包括:圆锥体1;
所述圆锥体1环向设置多个凹槽2,所述凹槽2在靠近所述圆锥 体1的尖端处聚集,相邻两个所述凹槽2之间构成小尖锥3,从而形 成多个小尖锥3覆盖在所述圆锥体1外表面的结构。
具体地,电磁波进入谐振腔内部后,在圆锥体1附近形成一定的 场强值,电场方向为轴向。由于导体的曲率半径越小,电荷的面密度 越大,所以在电场的作用下尖锥部位产生大量电荷聚集,由于电磁波 处于振荡状态,电场场强方向由+z和-z方向不断变化,因此在尖端 附近产生的大量感应电荷也呈现正电荷聚集和负电荷聚集不断变换。 以圆锥体1处于TM020模式的圆柱谐振腔中为例说明其产生高场强激 发等离子体原理。
当圆柱谐振腔内部不包含圆锥体1结构时,圆柱谐振腔在TM模 式谐振时,其内部电磁场表达式为:
其中:Ez、Eρ、分别为谐振腔电场延z、ρ、方向分量;Hρ、 分别为谐振腔磁场延ρ、方向分量;Emnp为电磁波电场幅值;ω为 电磁波角频率;ε为介质的介电常数;kc为截止波数;Jm(x)为m阶贝 塞尔函数;m为电磁波延方向的半波数;n为电磁波延ρ方向的半 波数;p为电磁波延z方向的半波数;l为谐振腔的长度。
比如,当谐振模式为TM020时,电磁场表达式为:
结合图2所示,由公式得到电场方向为圆柱谐振腔轴向,开槽圆 锥体1受到电场作用产生电荷聚集(如图2左所示),且电荷数量远 远大于未开槽尖端(如图2右所示)。因此聚集电荷形成了更高的电 场强度,同时电荷电场与电磁波电场振荡频率相同且同相,所以两种 场强产生迭加,形成超高场强。这对等离子体连续激发大大有利,使 得电磁场能量与等离子能量转化更加容易。
本发明提供的一种环形分布纵向排列等离子激发装置,通过包括: 圆锥体1;所述圆锥体1环向设置多个凹槽2,所述凹槽2在靠近所 述圆锥体1的尖端处聚集,相邻两个所述凹槽2之间构成小尖锥3, 从而形成多个小尖锥3覆盖在所述圆锥体1外表面的结构。本发明通 过设计一种环形分布尖锥等离子激发装置,可使等离子体快速激发, 场强稳定,使反应速率大大提升,并且使能量利用率提高。
进一步,结合图3所示,根据本发明提供的一种环形分布纵向排 列等离子激发装置,其中,所述凹槽2的深度从所述圆锥体1的底面 处到所述圆锥体1的尖端处渐变为0mm;
其中,所述凹槽2的深度在所述圆锥体1的底面处的深度为:
其中,ω为电磁波的角频率,μ为所述圆锥体1的磁导率,σ为 所述圆锥体1的电导率,d为所述圆锥体1部的直径。
具体地,小尖锥3形成的凹槽2的深度须大于导体的趋肤深度, 若凹槽2深度小于导体的趋肤深度,电磁波可传输到凹槽2内部,电 荷聚集效果差。因此设置凹槽2深度h1大于趋肤深度切槽 后最小剩余厚度必须大于趋肤深度,凹槽尽管可屏蔽电磁波入射到凹 槽内部,但是依旧可传入少量电磁波,因此切槽后剩余厚度必须大于 屈服深度,即h1小于
进一步,根据本发明提供的一种环形分布纵向排列等离子激发装 置,其中,所述凹槽2的最大宽度为:
其中,λ为电磁波波长。
具体地,窄凹槽2阻碍电磁波入射到凹槽2内部,使电荷流动主 要集中在环形尖锥扇面,从而增大环形分布尖锥电荷量聚集。同时防 止凹槽2过窄缝隙存在电势差电荷产生横向爬移。
因此,图4中,本发明中凹槽2宽度非常小,槽宽远小于电磁波 的波长,当宽度小于时,槽就可以将大部分电磁波屏蔽,从而有效 减小尖锥3的导电面积,减小尖锥3的导体损耗,同时槽的宽度不能 太小,槽的两个棱边存在电势差电荷存在横向流动影响尖端的聚集效 果,因此开槽宽度设置为大于
进一步,根据本发明提供的一种环形分布纵向排列等离子激发装 置,其中,所述小尖锥3的尖端聚集的位置距离所述圆锥体1的底面 的高度为:
其中,h为所述圆锥体1的高度,θ为所述圆锥体1切面尖锥角 度的一半。
进一步,根据本发明提供的一种环形分布纵向排列等离子激发装 置,其中,相邻两个所述凹槽2的间隔角度为:
其中,d为所述圆锥体1部的直径,h为所述圆锥体1的高度,θ 为所述圆锥体1切面尖锥角度的一半,λ为电磁波波长。
具体地,电磁波是有相位的,环形分布尖锥必须与主锥处于同相 位环境,感应同种电荷,电荷场强才会累加,所以环尖锥所在位置的 横切面直径l要小于即以此条件得到切槽角 度为:且当l越小,环形尖锥所处的电磁波 幅值越大,电荷聚集量越大。
进一步,根据本发明提供的一种环形分布纵向排列等离子激发装 置,其中,所述凹槽2为沿所述圆锥体1的中心线对称分布。
具体地,使凹槽2在圆锥体1外部均匀分布。
距离说明如下:
在圆锥体1环向凹槽2,凹槽2的数目为整数,为保证在尖端形 成更多小尖锥3,使凹槽2轴向间距夹角为凹槽2宽度为凹槽2深度为切 槽后电流分布和未切槽圆锥的电流分布相同,因此电磁场分布形式也 相同,因此切槽不会影响已经构造好的电磁场分布,反而会提升电场 强度,这可以大大提升微波系统能量的转换率,使电磁波能量到等离 子能量转换更容易。
在实际谐振腔中,分别设置开槽圆锥体(如图5所示)与不开槽 圆锥体(如图6所示),其他条件均相同的情况下电磁波产生谐振后 场强值对比。
仿真计算得到的电场分布对比可以发现开槽后圆锥体1附近的 电力线比不开槽圆锥体1的电力线更聚集,场强值比不开槽的场强提 高了1.5×106V/m,其根本原因就在于多个小尖锥3环形分布,各个小 尖锥3在电磁波的影响下都能聚集大量电荷,且小角锥3和圆锥体1 都处于同一相位的电磁波区域,感应的电荷同为正电荷或负电荷,产 生的场强与都与电磁波同相,因此产生场强的迭加,场强值大大提升。
进一步,根据本发明提供的一种环形分布纵向排列等离子激发装 置,其中,还包括支撑杆;
所述支撑杆与所述圆锥体1底部连接。
具体地,通过支撑杆调节圆柱体的在谐振腔中的位置,圆锥体1 的锥尖处于电磁场的中心位置处。
进一步,根据本发明提供的一种环形分布纵向排列等离子激发装 置,其中,所述支撑杆与所述圆锥体1底部采用高温焊接的方式连接。
具体地,即将支撑杆与圆锥体1的连接方式采用焊接的方式形成 一个整体。
进一步,根据本发明提供的一种环形分布纵向排列等离子激发装 置,其中,所述支撑杆为螺纹杆件,所述圆锥体1底部中心处开有内 螺纹,用于连接所述螺纹杆件。
具体地,用于通过螺纹连接的方式将支撑杆和圆锥体1进行连接, 同时采用螺纹连接可以在需要的时候将二者进行分离,达到重新组合 或者利用的目的。
进一步,根据本发明提供的一种环形分布纵向排列等离子激发装 置,其中,所述圆锥体1为耐高温导体材料制成。
具体地,由于圆锥体1用于聚集电荷,因此圆锥体1的材料为导 体,另一方面,聚集大量电荷,使得圆锥体1需要具有耐高温的作用。 因此,圆锥体1的材料选择为耐高温导电材料制成,比如石墨材料等。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而 非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领 域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技 术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修 改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方 案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种环形分布纵向排列等离子激发装置,其特征在于,包括:圆锥体;
所述圆锥体环向设置多个凹槽,所述凹槽在靠近所述圆锥体的尖端处聚集,相邻两个所述凹槽之间构成小尖锥,从而形成多个小尖锥覆盖在所述圆锥体外表面的结构。
6.根据权利要求1所述的环形分布纵向排列等离子激发装置,其特征在于,所述凹槽为沿所述圆锥体的中心线对称分布。
7.根据权利要求1所述的环形分布纵向排列等离子激发装置,其特征在于,还包括支撑杆;
所述支撑杆与所述圆锥体底部连接。
8.根据权利要求1所述的环形分布纵向排列等离子激发装置,其特征在于,所述支撑杆与所述圆锥体底部采用高温焊接的方式连接。
9.根据权利要求7所述的环形分布纵向排列等离子激发装置,其特征在于,所述支撑杆为螺纹杆件,所述圆锥体底部中心处开有内螺纹,用于连接所述螺纹杆件。
10.根据权利要求1所述的环形分布纵向排列等离子激发装置,其特征在于,所述圆锥体为耐高温导体材料制成。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202111342851.0A CN116133223A (zh) | 2021-11-12 | 2021-11-12 | 环形分布纵向排列等离子激发装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202111342851.0A CN116133223A (zh) | 2021-11-12 | 2021-11-12 | 环形分布纵向排列等离子激发装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN116133223A true CN116133223A (zh) | 2023-05-16 |
Family
ID=86308593
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202111342851.0A Pending CN116133223A (zh) | 2021-11-12 | 2021-11-12 | 环形分布纵向排列等离子激发装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN116133223A (zh) |
-
2021
- 2021-11-12 CN CN202111342851.0A patent/CN116133223A/zh active Pending
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4851788A (en) | Mode suppressors for whispering gallery gyrotron | |
Zhang et al. | Recent advance in long-pulse HPM sources with repetitive operation in S-, C-, and X-bands | |
EP1480250A1 (en) | A high density plasma reactor and RF-antenna therefor | |
EP3449699B1 (en) | Method of use of a microwave electromagnetic field shaping adapter, which heats a toroidal plasma discharge | |
CN116133223A (zh) | 环形分布纵向排列等离子激发装置 | |
Degeling et al. | Characterization of helicon waves in a magnetized inductive discharge | |
CN111511090B (zh) | 微波等离子体反应器 | |
Tsarev et al. | 3-D evaluation of energy extraction in multitube double-gap resonator installed downstream of a multibeam klystron | |
US8508132B1 (en) | Metamaterial cathodes in multi-cavity magnetrons | |
Guan et al. | Design of a 220-GHz continuous frequency-tunable gyrotron with quasi-optical cavity | |
CA1216902A (en) | Multidiameter cavity for reduced mode competition in gyrotron oscillator | |
JPH088159B2 (ja) | プラズマ発生装置 | |
Wydymus et al. | Computer aided modeling of a new microwave plasma cavity with the H-type excitation at microwave frequency | |
US4282457A (en) | Backward wave suppressor | |
CN116133222A (zh) | 基于TM0n0模式的高能聚束获得装置 | |
CN101990352A (zh) | 电浆产生装置 | |
RU2576391C1 (ru) | Электронный свч прибор | |
CN109494142B (zh) | 一种具有脊加载叶片结构的磁绝缘线振荡器 | |
RU2684428C1 (ru) | Широкополосное согласующее устройство замедляющей системы | |
Kato et al. | Effects of fundamental and second harmonic electron cyclotron resonances on ECRIS | |
Volkov et al. | VEPP-2000 single mode cavity | |
RU2630251C1 (ru) | Электронный СВЧ прибор | |
Harris et al. | Magnetic fluctuations in currentless plasmas in the ATF torsatron | |
Balmashnov et al. | Excitation of whistler waves by a helical wave structure | |
Rayner et al. | Travelling modes in wave-heated plasma sources |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination |