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 PDF

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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
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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

环形分布纵向排列等离子激发装置
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：
Figure BDA0003352780320000021
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：
Figure BDA0003352780320000022
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：
Figure BDA0003352780320000023
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：
Figure BDA0003352780320000031
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:
Figure BDA0003352780320000051
其中：Ez、Eρ、
Figure BDA0003352780320000052
分别为谐振腔电场延z、ρ、
Figure BDA0003352780320000053
方向分量；Hρ、 
Figure BDA0003352780320000054
分别为谐振腔磁场延ρ、
Figure BDA0003352780320000055
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
Figure BDA0003352780320000056
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：
Figure BDA0003352780320000061
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：
Figure BDA0003352780320000062
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
Figure BDA0003352780320000071
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
Figure BDA0003352780320000072
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：
Figure BDA0003352780320000073
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
Figure BDA0003352780320000074
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
Figure BDA0003352780320000075
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：
Figure BDA0003352780320000076
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：
Figure BDA0003352780320000081
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
Figure BDA0003352780320000082
即
Figure BDA0003352780320000083
以此条件得到切槽角 度为：
Figure BDA0003352780320000084
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
Figure BDA0003352780320000085
凹槽2宽度为
Figure BDA0003352780320000086
凹槽2深度为
Figure BDA0003352780320000087
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。
2.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：
Figure FDA0003352780310000011
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。
3.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，所述凹槽的最大宽度为：
Figure FDA0003352780310000012
其中，λ为电磁波波长。
4.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：
Figure FDA0003352780310000013
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。
5.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，相邻两个所述凹槽的间隔角度为：
Figure FDA0003352780310000021
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。
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。
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