CN117042274A - 一种刷形微波等离子体源及刷形微波等离子体激发方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及等离子体技术领域，具体为一种刷形微波等离子体源及刷形微波等离子体激发方法，等离子体源包括：同轴线，在其长度方向划分为第一同轴段和第二同轴段，同轴线包括同轴设置的导体外壳和内芯，导体外壳的内侧壁和所述内芯的外侧壁在第一同轴段上呈同心的圆形，在第二同轴段上同步渐变为同心的矩形，导体外壳和内芯之间形成离子产生腔；微波接头，连接于所述内芯远离第二同轴段的端部；同轴阻抗匹配器，与所述微波接头连接；气体接头，与所述离子产生腔连通。本申请能有效提高等离子体处理面积，有利于扩大功率容量，有效降低点火困难、维持时间不足等负面工况风险，能够满足各类等离子体应用场景需求，在任意频率下稳定产生等离子体。

Description

一种刷形微波等离子体源及刷形微波等离子体激发方法

技术领域

本发明涉及等离子体技术领域，尤其涉及一种刷形微波等离子体源及刷形微波等离子体激发方法。

背景技术

常压等离子体源具有较高的电子密度和温度，设备成本低、操作简单、不需要昂贵的真空设备等优点，自1933年Engel等首次在常压下利用氢气和空气放电激发以来，常压等离子体源在医疗，材料、环保等领域有着极其广阔的应用前景。然而直流辉光放电等离子体源是有极放电，并且密度和电离度都较低，使其应用范围受到了一定的限制。而随之发展的射频等离子体源虽然是无极放电，解决了内部电极污染的问题，但其等离子体的密度和电离度仍较低。

随着微波等离子体技术的不断发展，常压微波等离子体源因其具有更高的能量利用率、没有高电压鞘层和伴随的离子壁溅射等优点，越来越接近和满足工业生产和实际应用要求，如杀菌，处理哺乳动物和癌细胞，血液凝固、伤口愈合、三废处理和氢气制备等方，因此微波等离子体源在未来将会成为主流。

现有的微波等离子体源为了形成定向的等离子体射流，将微波等离子体源装置发射口设置为圆孔状或者圆柱状，此类微波等离子体处理面积小，功率容量小，同时，微波等离子体源装置设计复杂，内部电场往往存在不均匀性，在产生等离子体的过程中难以避免能量损耗，使得微波等离子体源存在功率容量不足、维持时间短、等离子体点火困难等情况，因此现有技术至少存在如下缺陷：等离子体处理面积小，功率容量低，容易出现点火困难、维持时间不足等负面工况，不利于满足高功率、高频次应用场景需求。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本申请的目的在于提供一种刷形微波等离子体源及刷形微波等离子体激发方法，旨在解决现有的微波等离子体源发射的等离子体处理面积小，功率容量低，容易出现点火困难、维持时间不足等负面工况，不利于满足高功率、高频次应用场景需求。

第一方面，本申请提供一种刷形微波等离子体源，刷形微波等离子体源包括：

同轴线，包括同轴设置的导体外壳和内芯，所述同轴线在其长度方向划分为第一同轴段和第二同轴段，所述导体外壳的内侧壁和所述内芯的外侧壁，在所述第一同轴段上呈同心的圆形，所述导体外壳的内侧壁和所述内芯的外侧壁的横截面，在所述第二同轴段上沿所述同轴线的长度方向同步渐变，且在远离所述第一同轴段的一端呈同心的矩形，所述导体外壳和所述内芯之间形成离子产生腔；

微波接头，连接于所述内芯的端部，且位于所述第一同轴段上远离所述第二同轴段的一端；

同轴阻抗匹配器，与所述微波接头靠近所述同轴线的一端连接；以及

气体接头，设置在所述导体外壳的外侧壁，且与所述第一同轴段对应的所述离子产生腔连通。

可选地，所述同轴阻抗匹配器呈套筒结构，所述同轴阻抗匹配器沿中轴线开设有插孔，所述微波接头和所述内芯从所述同轴阻抗匹配器两端插入所述插孔内以相互连接，所述同轴阻抗匹配器的外侧壁与所述导体外壳连接，以将所述离子产生腔隔断。

可选地，在所述第二同轴段上，沿所述同轴线的轴线且远离所述第一同轴段的方向，所述导体外壳的内侧壁横截面在第一方向上的尺寸逐渐缩减，在第二方向上的尺寸逐渐扩宽，所述内芯的外侧壁横截面在所述第一方向上的尺寸逐渐缩减，在所述第二方向上的尺寸逐渐扩宽，所述离子产生腔的横截面积逐渐减小或保持不变，其中，所述第一方向、所述第二方向和所述同轴线的同心轴两两垂直。

可选地，所述同轴阻抗匹配器位于所述气体接头和所述微波接头之间。

可选地，所述气体接头绕所述同轴线的周向间隔设置有多个。

可选地，在与所述同轴线的同心轴垂直的平面上，多个所述气体接头的朝向与所述同轴线的径向成角度地设置，且多个所述气体接头呈旋转对称分布。

可选地，所述气体接头远离所述同轴线的一端朝向所述微波接头倾斜。

可选地，所述同轴阻抗匹配器内部填充有绝缘透波材料。

可选地，所述绝缘透波材料包括特氟龙。

第二方面，基于同样的发明构思，本申请还提供一种刷形微波等离子体激发方法，该方法基于前述的刷形微波等离子体源，利用刷形微波等离子体源进行等离子激发得到刷形微波等离子体，所述激发方法包括：

利用所述微波接头输出微波，输出微波时，控制所述微波频率的上下波动范围小于或等于0.5Ghz；

打开一个或多个所述气体接头，通过所述气体接头，以恒定的总气体流速向所述离子产生腔内通入气体；

所述离子产生腔内的气体依次流经所述第一同轴段和所述第二同轴段，并从所述第二同轴段的远离所述气体接头一端，以刷形微波等离子体的形式均匀喷出。

上述一种刷形微波等离子体源及刷形微波等离子体激发方法，通过在同轴线中设置同轴且渐变的第二同轴段，使得同轴线内的离子产生腔从圆形渐变为矩形，从而在同轴线的出口形成均匀的宽幅状电场驻波，使得产生的微波等离子体面积大且均匀分布，能够有效提高等离子体处理面积，有利于扩大功率容量，有效降低点火困难、维持时间不足等负面工况的发生风险，能够满足各类等离子体应用场景需求。

附图说明

图1为本申请一示例性实施例示出的刷形微波等离子体源的整体结构示意图；

图2为本申请一示例性实施例示出的刷形微波等离子体源的剖面示意图；

图3为本申请一示例性实施例示出的刷形微波等离子体源的内部轴测结构图；

图4为图1示出的刷形微波等离子体源在A-A方向的截面图；

图5为图1示出的刷形微波等离子体源在B-B方向的截面图；

图6为图1示出的刷形微波等离子体源在C-C方向的截面图；

图7本申请另一示例性实施例示出的刷形微波等离子体源的气体接头分布位置示意图。

附图标记说明：

1-同轴线；100-离子产生腔；101-第一同轴段；102-第二同轴段；11-导体外壳；12-内芯；2-微波接头；3-同轴阻抗匹配器；4-气体接头；5-保护壳。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的较佳实施方式。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本申请的公开内容理解的更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。

在实施例一中，本申请提供一种刷形微波等离子体源，请参阅图1-图6，该刷形微波等离子体源包括同轴线1、微波接头2、同轴阻抗匹配器3和气体接头4，各部分具体说明如下：

同轴线1是可以无频率限制传输微波的同轴双层的传输线，在本实施例中，同轴线1包括同轴设置的导体外壳11和内芯12，不难理解，作为传输微波、以及发射气体与等离子体的基体结构，同轴线1自身是两端开口的同轴结构，且同轴线1在其长度方向划分为第一同轴段101和第二同轴段102；请参阅图3，导体外壳11的内侧壁和内芯12的外侧壁，在第一同轴段101上呈同心的圆形；请参阅图5和图6，导体外壳11的内侧壁和内芯12的外侧壁的横截面，在第二同轴段102上沿同轴线1的长度方向同步渐变，且在远离第一同轴段101的一端呈同心的矩形，导体外壳11和内芯12之间形成离子产生腔100，可以理解的是，同步渐变指的是导体外壳11的内侧壁和内芯12的外侧壁具有同步的变化趋势，一起从圆形渐变为矩形，使得导体外壳11的内侧壁和内芯12的外侧壁之间的离子产生腔100自下往上也由圆形渐变为矩形。

微波接头2连接于内芯12的端部，且位于第一同轴段101上远离第二同轴段102的一端，微波接头2是用于与外部产生微波信号的微波源连接的接头，微波源可以但不限于是各种现有的微波发射装置或设备，微波接头2可以视为微波发射装置的发射微波的一部分。

同轴阻抗匹配器3与微波接头2靠近同轴线1的一端连接，在本实施例中，同轴阻抗匹配器3是与同轴线1同轴设置的，可以理解的是，阻抗匹配器是用于确保微波信号在传播过程中保持较低的信号反射量的零件或装置，常用于确保和提升微波在传播过程中的能源效益。

气体接头4设置在导体外壳11的外侧壁，且与第一同轴段101对应的离子产生腔100连通，用于从外部向离子产生腔100内通入氢气、氧气、氮气、氩气等现有可以产生等离子体的气体以及混合气体。

可以理解的是，实施例中所描述的“上”、“下”等方位是基于附图所示出的内容所采用的便于理解的描述，而非用于对技术特征的限定。

值得说明的是，在上述实施方式中，内芯12一方面参与同轴线1从圆形到矩形的过渡转化，另一方面，设置在导体外壳11内部空间的内芯12，引导微波传递，起到保障微波能量的连续性和高效能量传输率的作用，因此内芯12在第一同轴段101可以视为一段径向尺寸恒定的阻抗匹配器，在第二同轴段102内可以视为一端径向尺寸渐变的阻抗匹配器。

上述实施例的主要原理包括：微波接头2向离子产生腔100内输出微波，气体从气体接头4进入离子产生腔100后，依次流经第一同轴段101和第二同轴段102后从同轴线1内向外定向喷出，在此过程中，气体在腔内受微波激发发生电离产生电子和离子相互碰撞和反应，形成等离子体，由于同轴线1内部内芯12的存在，微波在传输过程中保持能量连续稳定，故等离子体能够在同轴线1上方的矩形开口以刷形稳定喷出。

可见，上述实施例示出的刷形微波等离子体源，通过在同轴线1中设置同轴且渐变的第二同轴段102，使得同轴线1内的离子产生腔100从圆形渐变为矩形，从而在同轴线1的出口形成均匀的宽幅状电场驻波，使得产生的微波等离子体面积大且均匀分布，能够有效提高等离子体处理面积，有利于扩大功率容量，有效降低点火困难、维持时间不足等负面工况的发生风险，能够满足各类等离子体应用场景需求。

在本实施例中，同轴阻抗匹配器3呈套筒结构，同轴阻抗匹配器3沿中轴线开设有插孔，微波接头2和内芯12从同轴阻抗匹配器3两端插入插孔内以相互连接，进一步地，请参阅图2，在本实施例中，微波接头2和内芯12之间设置有插接结构，通过插接结构插接连接；同轴阻抗匹配器3的外侧壁与导体外壳11连接，以将离子产生腔100隔断，上述结构中，同轴阻抗匹配器3能够隔断离子产生腔100从而隔离气体，让放电气体能够均匀且高效的从同轴线1上方喷出。

在本实施例中，请参阅图5和图6，在第二同轴段102上，沿同轴线1的轴线且远离第一同轴段101的方向，导体外壳11的内侧壁横截面在第一方向上的尺寸逐渐缩减，在第二方向上的尺寸逐渐扩宽，内芯12的外侧壁横截面在第一方向上的尺寸逐渐缩减，在第二方向上的尺寸逐渐扩宽，离子产生腔100的横截面积逐渐减小或保持不变，值得说明的是，此处将离子产生腔100的横截面积设置为逐渐减小或保持不变，其目的在于确保等离子体喷射时能够集中喷出，覆盖矩形的喷射出口，确保等离子体的高能量密度和均匀性，避免离子产生腔100在远离气体接头4的一端，也即喷射出口一端的截面积太大导致等离子体能量密度不足，以致喷出的宽幅刷形等离子体能量分布不均匀，其中，第一方向、第二方向和同轴线1的同心轴两两垂直，具体地，在本实施例中，同轴线1竖直放置，同心轴为竖直方向的轴线，第一方向和第二方向为水平面上相互垂直的两个方向。

在本实施例中，同轴阻抗匹配器3位于气体接头4和微波接头2之间，也即气体接头4设置在同轴阻抗匹配器3上方，而微波接头2设置在同轴阻抗匹配器3下方，确保气体进入离子产生腔100后能够被微波覆盖从而充分激发，有利于提高产生等离子体的稳定性。

在本实施例中，气体接头4绕同轴线1的周向间隔设置有多个例如两个，有利于满足充入多种气体产生不同类型等离子体的需求。

在本实施例中，气体接头4水平设置，而在其他实施例中，为提高等离子体的均匀性和稳定性，还可以采用其他设置方式：

在实施例二中，请参阅图7，其他结构同实施例一，差异在于，在与同轴线1的同心轴垂直的平面上，多个气体接头4的朝向与同轴线1的径向成角度地设置，且多个气体接头4呈旋转对称分布，此结构中，当多个气体接头4同时向离子产生腔100内充入气体时，多股气体汇流成环绕内芯12的螺旋气流，有利于提高气体汇流的均匀性，避免多股气体同时充入发生气体对流干涉导致内部气体组分紊乱不均，有效提高等离子体的均匀性。

在实施例三中，其他结构同实施例一，差异在于，气体接头4远离同轴线1的一端朝向微波接头2倾斜也即向下倾斜，气体斜向上喷射，有利于减少离子产生腔100内气体对流，提高气体喷射稳定性。

在实施例一中，同轴阻抗匹配器3内部填充有绝缘透波材料，具体地，本实施例中采用的绝缘透波材料为特氟龙，特氟龙具有较低的介电常数，有利于进一步减少微波在传输过程中的损耗，而在其他一些实施方式中，也可以基于成本、微波频率等设计需求选择其他绝缘透波材料例如刚玉、石英玻璃等。

在实施例一中，同轴线1的导体外壳11是由多个部分例如四个部分拼接形成的拼接结构，以便于拆装，而在同轴线1的底端还设置有保护壳5，保护壳5罩盖同轴阻抗匹配器3和微波接头2，起到安装固定其他部件和以及保护的作用，在其他实施例中，导体外壳11也可以是一体成形的结构。

在另一实施例中，基于同样的发明构思，本申请还提供一种刷形微波等离子体激发方法，该方法基于前述的刷形微波等离子体源，利用刷形微波等离子体源进行等离子激发得到刷形微波等离子体，激发方法包括：

利用微波接头输出微波，输出微波时，控制微波频率的上下波动范围小于或等于0.5Ghz；

打开一个或多个气体接头，通过气体接头，以恒定的总气体流速向离子产生腔内通入气体；

离子产生腔内的气体依次流经第一同轴段和第二同轴段，并从第二同轴段的远离气体接头一端，以刷形微波等离子体的形式均匀喷出。

对于上述步骤，值得说明的是，微波接头输出微波的频率，根据等离子体激发需求可以按需选取，例如在本实施例中，微波频率为2.45Ghz，在输出微波时，控制微波频率的上下波动范围小于或等于0.5Ghz，有利于提高微波激发等离子体的均匀性。

值得说明的是，在上述实施例示出的刷形微波等离子体源以及刷形微波等离子体激发方法中，并未限制微波的频率的设定范围，这是由于在不同实施方式中，当刷形微波等离子体源的整体结构尺寸变更时，其内部空间尺寸随之变化，适配微波的波长也会发生变化，故而通过改变刷型微波等离子体源的结构尺寸，即可对应地匹配不同的微波频段，从而获得最优的微波传递效果，因此，本申请所示出的实施例所示出的刷形微波等离子体激发方法，可以在任意频率下实现稳定等离子体喷射。

在本实施例示出的方法中，仍可采用前述实施例示出的刷形微波等离子体源，通过在同轴线中设置同轴且渐变的第二同轴段，使得同轴线内的离子产生腔从圆形渐变为矩形，从而在同轴线的出口形成均匀的宽幅状电场驻波，使得产生的微波等离子体面积大且均匀分布，能够有效提高等离子体处理面积，有利于扩大功率容量，有效降低点火困难、维持时间不足等负面工况的发生风险，能够满足各类等离子体应用场景需求。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种刷形微波等离子体源，其特征在于，包括：

同轴线，包括同轴设置的导体外壳和内芯，所述同轴线在其长度方向划分为第一同轴段和第二同轴段，所述导体外壳的内侧壁和所述内芯的外侧壁，在所述第一同轴段上呈同心的圆形，所述导体外壳的内侧壁和所述内芯的外侧壁的横截面，在所述第二同轴段上沿所述同轴线的长度方向同步渐变，且在远离所述第一同轴段的一端呈同心的矩形，所述导体外壳和所述内芯之间形成离子产生腔；

微波接头，连接于所述内芯的端部，且位于所述第一同轴段上远离所述第二同轴段的一端；

同轴阻抗匹配器，与所述微波接头靠近所述同轴线的一端连接；以及

气体接头，设置在所述导体外壳的外侧壁，且与所述第一同轴段对应的所述离子产生腔连通。

2.如权利要求1所述的刷形微波等离子体源，其特征在于，所述同轴阻抗匹配器呈套筒结构，所述同轴阻抗匹配器沿中轴线开设有插孔，所述微波接头和所述内芯从所述同轴阻抗匹配器两端插入所述插孔内以相互连接，所述同轴阻抗匹配器的外侧壁与所述导体外壳连接，以将所述离子产生腔隔断。

3.如权利要求1所述的刷形微波等离子体源，其特征在于，在所述第二同轴段上，沿所述同轴线的轴线且远离所述第一同轴段的方向，所述导体外壳的内侧壁横截面在第一方向上的尺寸逐渐缩减，在第二方向上的尺寸逐渐扩宽，所述内芯的外侧壁横截面在所述第一方向上的尺寸逐渐缩减，在所述第二方向上的尺寸逐渐扩宽，所述离子产生腔的横截面积逐渐减小或保持不变，其中，所述第一方向、所述第二方向和所述同轴线的同心轴两两垂直。

4.如权利要求3所述的刷形微波等离子体源，其特征在于，所述同轴阻抗匹配器位于所述气体接头和所述微波接头之间。

5.如权利要求1所述的刷形微波等离子体源，其特征在于，所述气体接头绕所述同轴线的周向间隔设置有多个。

6.如权利要求5所述的刷形微波等离子体源，其特征在于，在与所述同轴线的同心轴垂直的平面上，多个所述气体接头的朝向与所述同轴线的径向成角度地设置，且多个所述气体接头呈旋转对称分布。

7.如权利要求1所述的刷形微波等离子体源，其特征在于，所述气体接头远离所述同轴线的一端朝向所述微波接头倾斜。

8.如权利要求1任一项所述的刷形微波等离子体源，其特征在于，所述同轴阻抗匹配器内部填充有绝缘透波材料。

9.如权利要求8所述的刷形微波等离子体源，其特征在于，所述绝缘透波材料包括特氟龙。

10.一种刷形微波等离子体激发方法，其特征在于，利用如权利要求1-9任一项所述的刷形微波等离子体源进行等离子激发得到刷形微波等离子体，所述激发方法包括：

利用所述微波接头输出微波，输出微波时，控制所述微波频率的上下波动范围小于或等于0.5Ghz；

打开一个或多个所述气体接头，通过所述气体接头，以恒定的总气体流速向所述离子产生腔内通入气体；

所述离子产生腔内的气体依次流经所述第一同轴段和所述第二同轴段，并从所述第二同轴段的远离所述气体接头一端，以刷形微波等离子体的形式均匀喷出。