CN212278529U - 多馈源微波等离子体装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及等离子体激发装置技术领域，公开了一种多馈源微波等离子体装置，包括反应体、场强辅助增强结构和至少一层微波源组件，反应体内设有微波谐振腔；每层微波源组件均包括多个微波激励源，多个微波激励源沿反应体的周向分布于反应体的侧壁；场强辅助增强结构包括实体锥芯、第一锥形管和第二锥形管，第一锥形管和第二锥形管分别设置于反应体的两端；实体锥芯同轴插设于第一锥形管内，实体锥芯与第一锥形管之间的间隔形成第一气体流道；第二锥形管内设有第二气体流道。该多馈源微波等离子体装置可以提高电场强度，在多个微波激励源同时工作时能够在双尖端结构形成连续贯通的高能量密度等离子体，利于化学反应的完全性。

Description

多馈源微波等离子体装置

技术领域

本实用新型涉及等离子体激发装置技术领域，尤其涉及一种多馈源微波等离子体装置。

背景技术

微波等离子体技术属于微波和化学的交叉领域，微波可以显著地提高某些化学反应的速度，诱导原来难以产生的化学反应使其发生，具有提高产品质量、节能、环保等许多突出优点。目前来说，在实验室激发等离子体方面通常采用的方法是对气体施加外部电场，气体击穿放电得到等离子体，放电的形式主要是直流放电(电晕、辉光、电弧和射流放电)、射频放电、微波放电三种。相对于直流放电装置而言，微波等离子体装置没有电极的存在，避免了电极对制备材料的污染问题，不存在电极蒸发的问题；等离子体的生成空间不受电极间隙的限制，而且产生的等离子体和能量源分离；可以实现大气压开放式等离子体，不需要放电管。相对于射频等离子体装置而言，微波等离子体装置不需要昂贵的射频电源及真空系统装置。另外微波等离子体装置还具有诸多优点，包括：在高气压下实现放电激发等离子体获得高的电离和分解程度，电子温度高，电子碰撞频繁，有利于反应的进行，并且微波发生器易控、稳定、噪声污染小。在制备材料方面，微波等离子体相对于另外两种方法而言，可以制备更高纯度的材料，并且反应活性物种数量多，利于反应的进行。

目前在制备纳米材料方面一般都是利用传统的微波等离子体装置，这种装置仅有单一的微波源，一般能够提供的微波功率较低，导致不能够在微波反应体内激发出具有高能量密度的等离子体，而如果使用具有高功率的微波源，其成本昂贵并且由于其结构限制等离子体束的长度，造成化学反应的不完全性。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种多馈源微波等离子体装置，用以解决现有的微波等离子体装置激发的微波等离子体强度不够、限制等离子体束的长度，导致化学反应不完全的问题。

本实用新型实施例提供一种多馈源微波等离子体装置，包括反应体、场强辅助增强结构和至少一层微波源组件，所述反应体内设有微波谐振腔；每层所述微波源组件均包括多个微波激励源，多个所述微波激励源沿所述反应体的周向分布于所述反应体的侧壁；

所述场强辅助增强结构包括实体锥芯、第一锥形管和第二锥形管，所述第一锥形管和所述第二锥形管分别设置于所述反应体的两端，且所述第一锥形管和所述第二锥形管的尖部均朝向所述微波谐振腔内；所述实体锥芯同轴插设于所述第一锥形管内，所述实体锥芯与所述第一锥形管之间的间隔形成第一气体流道；所述第二锥形管内设有第二气体流道。

其中，所述实体锥芯通过调节杆连接于所述第一锥形管，所述调节杆用于带动所述实体锥芯沿所述微波谐振腔的轴向移动。

其中，所述调节杆为螺杆，所述螺杆连接于所述第一锥形管的端部。

其中，多层所述微波源组件沿所述微波谐振腔的轴向间隔分布，同一层所述微波源组件中的多个所述微波激励源的频率相等。

其中，同一层所述微波源组件中的多个所述微波激励源沿所述微波谐振腔的周向等间隔均匀分布。

其中，所述微波激励源的数量大于或者等于三个。

其中，所述微波激励源包括矩形波导和微波馈源，所述矩形波导的一端连通于所述微波谐振腔，所述矩形波导的另一端连接于所述微波馈源，所述矩形波导用于将所述微波馈源产生的微波引导入所述微波谐振腔。

其中，所述微波谐振腔的谐振频率等于所述微波激励源的频率。

其中，还包括安装于所述反应体的侧壁的探针点火结构，所述探针点火结构的点火端伸入所述微波谐振腔内；每层所述微波源组件均对应设置有至少一个所述探针点火结构，所述探针点火结构的轴线与所述微波源组件位于同一平面内。

其中，所述探针点火结构连接于所述反应体的侧壁，且所述探针点火结构可沿所述探针点火结构的轴向移动，以调节所述探针点火结构的点火端伸入所述微波谐振腔内的长度。

本实用新型实施例提供的多馈源微波等离子体装置，包括反应体、场强辅助增强结构和至少一层微波源组件，每层微波源组件均包括沿周向分布的多个微波激励源，能够实现不同方向的多束微波同时耦合到反应体内，在微波反应体内具有多个相同工作模式的叠加，能够增大微波反应体内的电磁场强度、均匀度及高场强区域的面积；同时在反应体的端部设置场强辅助增强结构，通过两端的第一锥形管和第二锥形管的尖部区域产生高强度的电磁场，从而更容易击穿流经该区域的气体而产生等离子体。该多馈源微波等离子体装置可以提高电场强度，促进等离子体的激发，并在多个微波激励源同时工作时能够在双尖端结构形成连续贯通的高能量密度等离子体，利于化学反应的完全性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例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实用新型的一些实施例，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是本实用新型实施例中的一种多馈源微波等离子体装置的纵向剖视图；

图2是图1中的多馈源微波等离子体装置的横向剖视图。

附图标记说明：

1、反应体； 11、微波谐振腔； 2、实体锥芯；

21、调节杆； 3、第一锥形管； 31、第一气体流道；

32、调节安装座； 4、第二锥形管； 41、第二气体流道；

5、微波激励源； 6、探针点火结构。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”“第二”是为了清楚说明产品部件进行的编号，不代表任何实质性区别。“上”“下”“左”“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型实施例中的具体含义。

需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在实用新型实施例中的具体含义。

如图1至图2所示，本实用新型实施例提供的一种多馈源微波等离子体装置，包括反应体1、场强辅助增强结构和至少一层微波源组件，反应体内设有微波谐振腔11。每层微波源组件均包括多个微波激励源5，多个微波激励源5沿反应体1的周向分布于反应体1的侧壁。

场强辅助增强结构包括实体锥芯2、第一锥形管3和第二锥形管4，第一锥形管3和第二锥形管4分别设置于反应体1的两端，且第一锥形管3和第二锥形管4的尖部均朝向微波谐振腔11内。实体锥芯2同轴插设于第一锥形管3内，实体锥芯2与第一锥形管3之间的间隔形成第一气体流道31。第二锥形管4内设有第二气体流道41。

具体地，微波源组件的层数可以为一层、两层或者以上。如图1和图2所示，在一个具体的实施例中，每层微波源组件的多个微波激励源5的轴线位于同一平面，且可以垂直于微波谐振腔11的轴线，多个微波激励源5沿微波谐振腔11的周向均匀分布于反应体1的侧壁，能够将不同方向的多束微波同时耦合到反应体1内。这样一方面可以尽量避免由不同微波激励源5入射的电磁波发生相干抵消；另一方面还能够减小反应体内的反射电磁波对微波激励源5的损害；在多个微波激励源5同时工作能够使得微波反应体内电场强度更高，形成具有高能量密度的大面积微波等离子体。微波激励源5的频率可以是433MHz、915MHz、2450MHz、5800MHz和22125MHz中的任一种，也可以为其他频率。

第一锥形管3和第二锥形管4均为一变径管，且直径由微波谐振腔11的外部向内部逐渐减小，因而可以在微波谐振腔11的内部形成两个尖部。实体锥芯2为一实心锥体，且实体锥芯2同轴插设于第一锥形管3内，实体锥芯2的外径小于第一锥形管3的内径，在实体锥芯2与第一锥形管3之间的间隔形成第一气体流道31，第二锥形管4内设有第二气体流道41，反应气体可以经过第一气体流道31和第二气体流道41从外部流入或者从内部流出。在一个具体的实施例中，本装置用于制备纳米颗粒，物料腔连接固定在第二锥形管4的下方，真空收粉系统连接固定在第一锥形管3的上方。利用实体锥芯2、第一锥形管3和第二锥形管4形成的尖端结构，有利于等离子体的激发，并在微波谐振腔11内形成上下贯通的等离子体。

本实施例提供的一种多馈源微波等离子体装置，包括反应体1、场强辅助增强结构和至少一层微波源组件，每层微波源组件均包括沿周向分布的多个微波激励源5，能够实现不同方向的多束微波同时耦合到反应体1内，在反应体1内具有多个相同工作模式的叠加，能够增大微波反应体内的电磁场强度、均匀度及高场强区域的面积；同时在反应体1的端部设置场强辅助增强结构，通过两端的第一锥形管3和第二锥形管4的尖部区域产生高强度的电磁场，从而更容易击穿流经该区域的气体而产生等离子体。该多馈源微波等离子体装置可以提高电场强度，促进等离子体的激发，并在多个微波激励源同时工作时能够在双尖端结构形成连续贯通的高能量密度等离子体，利于化学反应的完全性，尤其适用于制备纳米颗粒化学反应。

进一步地，如图1所示，实体锥芯2通过调节杆21连接于第一锥形管3，调节杆21用于带动实体锥芯2沿微波谐振腔11的轴向移动。通过调节调节杆21改变实体锥芯2伸入微波谐振腔11内的位置，有利于实现反应体1内的阻抗匹配和能量耦合。

更进一步地，调节杆21可以采用螺杆，螺杆螺纹连接于第一锥形管3的端部的调节安装座32。调节杆21还可以采用电动推杆等伸缩机构或者其他的升降机构，只要能够实现实体锥芯2的升降即可，此处不做限制。

进一步地，如图1和图2所示，多层微波源组件沿微波谐振腔11的轴向间隔分布，同一层微波源组件中的多个微波激励源5的频率相等。更进一步地，同一层微波源组件中的多个微波激励源5沿微波谐振腔11的周向等间隔均匀分布。微波激励源5的数量大于或者等于三个。优选地，微波激励源5的数量为奇数。通过多个微波激励源5同时工作，一方面可以尽量避免由不同微波激励源5入射的电磁波发生相干抵消；另一方面还能够减小反应体1内的反射电磁波对微波激励源5的损害；同时多个微波激励源5能量耦合能够使微波反应体1内电场强度增强，形成具有高能量密度的微波等离子体。

进一步地，微波激励源5包括矩形波导和微波馈源(图中均未示出)，矩形波导的一端连通于微波谐振腔11，矩形波导的另一端连接于微波馈源，矩形波导用于将微波馈源产生的微波引导入微波谐振腔11。

进一步地，微波谐振腔11的谐振频率等于微波激励源5的频率。有利于在微波传输时能够以最大的效率将微波能量馈入到微波反应体1内。微波谐振腔11可以采用圆柱型微波谐振腔或者矩形微波谐振腔11。

进一步地，如图1和图2所示，多馈源微波等离子体装置还包括安装于反应体1的侧壁的探针点火结构6，探针点火结构6的点火端伸入微波谐振腔11内。每层微波源组件均对应设置有至少一个探针点火结构6，探针点火结构6的轴线与微波源组件位于同一平面内。具体地，探针点火结构6可以位于相邻两个微波激励源5的中间位置，探针点火结构6的轴线与微波激励源5的轴线在同一平面，且探针点火结构6和微波激励源5的轴线延长线可以汇聚到微波谐振腔11内同一焦点。探针点火结构6也可以在局部区域提高电场强度，有利于微波等离子体的激发。

更进一步地，探针点火结构6连接于反应体1的侧壁，且探针点火结构6可沿探针点火结构6的轴向移动，以调节探针点火结构6的点火端伸入微波谐振腔11内的长度。具体地，探针点火结构6可以通过安装套螺纹连接于反应体1的侧壁。

通过以上实施例可以看出，本实用新型提供的多馈源微波等离子体装置，包括反应体1、场强辅助增强结构和至少一层微波源组件，每层微波源组件均包括沿周向分布的多个微波激励源5，能够实现不同方向的多束微波同时耦合到反应体1内，在反应体1内具有多个相同工作模式的叠加，能够增大微波反应体内的电磁场强度、均匀度及高场强区域的面积；同时在反应体1的端部设置场强辅助增强结构，通过两端的第一锥形管3和第二锥形管4的尖部区域产生高强度的电磁场，从而更容易击穿流经该区域的气体而产生等离子体。该多馈源微波等离子体装置可以提高电场强度，促进等离子体的激发，并在多个微波激励源同时工作时能够在双尖端结构形成连续贯通的高能量密度等离子体，利于化学反应的完全性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，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实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种多馈源微波等离子体装置，其特征在于，包括反应体、场强辅助增强结构和至少一层微波源组件，所述反应体内设有微波谐振腔；每层所述微波源组件均包括多个微波激励源，多个所述微波激励源沿所述反应体的周向分布于所述反应体的侧壁；

所述场强辅助增强结构包括实体锥芯、第一锥形管和第二锥形管，所述第一锥形管和所述第二锥形管分别设置于所述反应体的两端，且所述第一锥形管和所述第二锥形管的尖部均朝向所述微波谐振腔内；所述实体锥芯同轴插设于所述第一锥形管内，所述实体锥芯与所述第一锥形管之间的间隔形成第一气体流道；所述第二锥形管内设有第二气体流道。

2.根据权利要求1所述的多馈源微波等离子体装置，其特征在于，所述实体锥芯通过调节杆连接于所述第一锥形管，所述调节杆用于带动所述实体锥芯沿所述微波谐振腔的轴向移动。

3.根据权利要求2所述的多馈源微波等离子体装置，其特征在于，所述调节杆为螺杆，所述螺杆连接于所述第一锥形管的端部。

4.根据权利要求1所述的多馈源微波等离子体装置，其特征在于，多层所述微波源组件沿所述微波谐振腔的轴向间隔分布，同一层所述微波源组件中的多个所述微波激励源的频率相等。

5.根据权利要求4所述的多馈源微波等离子体装置，其特征在于，同一层所述微波源组件中的多个所述微波激励源沿所述微波谐振腔的周向等间隔均匀分布。

6.根据权利要求5所述的多馈源微波等离子体装置，其特征在于，所述微波激励源的数量大于或者等于三个。

7.根据权利要求1所述的多馈源微波等离子体装置，其特征在于，所述微波激励源包括矩形波导和微波馈源，所述矩形波导的一端连通于所述微波谐振腔，所述矩形波导的另一端连接于所述微波馈源，所述矩形波导用于将所述微波馈源产生的微波引导入所述微波谐振腔。

8.根据权利要求1所述的多馈源微波等离子体装置，其特征在于，所述微波谐振腔的谐振频率等于所述微波激励源的频率。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的多馈源微波等离子体装置，其特征在于，还包括安装于所述反应体的侧壁的探针点火结构，所述探针点火结构的点火端伸入所述微波谐振腔内；每层所述微波源组件均对应设置有至少一个所述探针点火结构，所述探针点火结构的轴线与所述微波源组件位于同一平面内。

10.根据权利要求9所述的多馈源微波等离子体装置，其特征在于，所述探针点火结构连接于所述反应体的侧壁，且所述探针点火结构可沿所述探针点火结构的轴向移动，以调节所述探针点火结构的点火端伸入所述微波谐振腔内的长度。

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