CN2582330Y - 大功率微波等离子体炬 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种大功率微波等离子体炬，包括可调谐同轴谐振腔、矩形波导，所述矩形波导内设波导/同轴转换装置，所述波导/同轴转换装置为门扭块和介质单线上下扣合的门扭结构，所述波导/同轴转换装置分别与矩形波导上下表面紧密接触连接，所述可调谐同轴谐振腔由位于波导上下两侧并与波导/同轴转换装置同轴的上腔、下腔，以及波导/同轴转换装置共同构成，内导体一端插装于下腔，另一端依次贯穿介质单线、门扭块、上腔，上腔的内外导体之间沿轴线方向设有谐振腔短路活塞，所述矩形波导一端设有微波源，另一端设有波导短路活塞。本实用新型解决了激发维持机构复杂、调节不方便、功率水平低等问题，可应用于气相化学反应、材料的合成和加工等。

Description

大功率微波等离子体炬

技术领域

本实用新型涉及等离子炬领域，具体为一种大功率微波等离子体炬。

背景技术

等离子体按照激发的方法可以分为常规直流(交流)等离子体、高频或射频等离子体、微波诱导等离子体、激光等离子体和热激发等离子体。等离子体技术在材料的制备加工、热核反应、有毒有害废弃物的处理等方面得到广泛的应用。常规直流(交流)等离子体的激发是通过一对电极间形成强的电场强度(对于空气为3000V/毫米)使气体击穿。在实际应用中，常规直流(交流)等离子体存在电极寿命短以及存在由于电极高温汽化而导致的电极污染的缺点。虽然通过强制水冷可以提高电极寿命(目前达到数百小时)，但由于电极污染仍然限制了直流(交流)等离子体的应用范围。高频(射频)等离子体是无极放电，不存在电极污染的问题，在材料的洁净制备(如大规模集成电路的刻蚀、气相沉积等)领域得到应用，但是高频(射频)等离子体的电效率很低，等离子体最多只能耦合40-50％的射频能量，而且射频功率越高，能量效率越低。另外射频电源的能量对空辐射也造成环境电磁污染，在使用过程中必须采取相应的保护措施。激光诱导等离子体虽然也是无极放电过程，但是设备造价高、能量利用效率低也限制了大规模应用的可行性。

微波诱导等离子体是另外一种无极放电过程。已有的微波放电结构概括起来可以分为以下几种：(1)电容耦合微波等离子体的激励技术(CMP)；(2)同轴基表面波微波等离子体的激励技术(Surfatron)；(3)波导基表面波微波等离子体的激励技术(Surfaguide)；(4)TM₀₁₀谐振腔(MIP)微波等离子体的激励技术。这些等离子体的激发机构通常都是在小功率(≤1千瓦)条件下工作，目前主要作为光谱分析的等离子体光源。随着等离子体技术在材料洁净加工、有毒有害废弃物处理和等离子体化学合成工业应用的需求不断增强，研究适合各种工作气体介质、大功率、高的能量利用率的微波等离子体炬成为工业界普遍感兴趣的课题。从微波等离子体激发原理来说，目前大多数的微波等离子体的激发是采用微波谐振腔的方法，通过微波应用器的谐振，从而在微波应用器中的局部区域形成很高的电场强度，利用局部区域的高电场使气体介质击穿，形成等离子体。由于是采用微波谐振腔原理设计等离子体激发机构，当等离子体形成后，必然引起微波谐振腔的有效负载量和微波谐振腔腔体的谐振频率发生变化。为了使产生微波等离子体后，整个微波系统的阻抗匹配以及腔体谐振频率与微波源频率的匹配，必须有一个有效的调节手段对腔体进行调节。近来美国麻省里工学院采用两套微波系统来实现微波等离子体的稳定激发和维持。一套微波系统是微波谐振腔，负责等离子体的激发；另一套微波系统是微波行波腔，负责维持等离子体，通过两套微波系统的优化组合，使微波的能量利用率提高到95％，该系统可以适合各种气体工作介质和大功率系统工作(大于4千瓦)。英国利物辅大学报道了一种大功率微波等离子体的激发装置。该装置采用压缩矩型波导窄边的方法使在波导中形成局部的高电场强度区域，通过调整波导压缩的程度和等离子体激发气体喷嘴的位置使得气体喷嘴处的场强达到最大值，在一定的微波功率下(1-6千瓦)使激发气体电离形成等离子体。利用高速气流将等离子体冲出微波波导宽边上的窄缝。综合已有的大功率微波等离子体激发装置，普遍存在激发维持机构复杂，调节不方便的缺点，另外目前所达到的功率水平比较低。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种能够解决激发维持机构复杂、调节不方便、功率水平低等问题的大功率微波等离子体炬。

本实用新型的技术方案是：

一种大功率微波等离子体炬，包括可调谐同轴谐振腔、矩形波导，所述矩形波导内设波导/同轴转换装置，所述波导/同轴转换装置为门扭块和介质单线上下扣合的门扭结构，所述波导/同轴转换装置分别与矩形波导上下表面紧密接触连接，所述可调谐同轴谐振腔由位于波导上下两侧并与波导/同轴转换装置同轴的上腔、下腔，以及波导/同轴转换装置共同构成，上、下腔为外导体和内导体构成的同轴线，内导体一端插装于下腔，另一端依次贯穿介质单线、门扭块、上腔，上腔的内外导体之间沿轴线方向设有谐振腔短路活塞，所述矩形波导一端设有微波源，另一端设有波导短路活塞；

所述介质单线由内导体与其周围的电介质构成，介质材料的介电常数ε小于或等于10；

所述介质材料为空气、氮化硼、聚四氟乙烯、氧化铝、石英之一或其复合体；

所述微波源的频率为2450MHz、915MHz或314MHz。

本实用新型的有益效果是：

1.激发维持机构简单、调节方便、微波入射功率大。本实用新型根据微波学原理，在分析已有等离子体激发装置的基础上，设计了一种新的微波等离子体激发方案。利用可调谐同轴谐振腔实现等离子体的激发和等离子体产生后腔体的谐振频率的调整，利用波导短路活塞调节解决由于等离子体产生而引起的阻抗不匹配的问题，两套调节机构各自独立工作，相互之间不干扰。为了适合大功率和各种工作气体介质应用的需要采用了门扭结构的波导/同轴转换装置和气体密封结构，该装置能够在20千瓦的功率下长期稳定工作，利用介质单线实现微波的矩形波导/可调谐同轴谐振腔的能量耦合以及气体的密封，使得本装置能够在大功率条件下稳定工作，同时适合于需要进行非氧气氛的工作环境。

2.利用可调谐同轴谐振腔容易获得高品质因素谐振腔的特点，采用可调谐同轴谐振腔能够实现任何工作气体的微波等离子体的激发。利用可调谐同轴谐振腔的短路活塞对谐振腔的谐振频率由于等离子体的产生引起的腔体谐振频率的漂移进行实时修正，使可调谐同轴谐振腔的谐振频率始终与微波电源的工作频率相吻合。

3.利用可调谐同轴谐振腔的短路活塞可以调节波导/同轴转换的效率，通过门扭结构适当压缩矩形波导的窄边的宽度，为装置在冷态的强耦合提供保障，门扭结构与矩形波导的短路活塞配合，能够保证等离子体激发前后整个系统的能量耦合达到较高的效率，在极限情况下能够实现使微波以行波态的方式向等离子体供能。

4.本实用新型所采用的设计方案适合任何频率的微波系统。

5.本装置可应用于气相化学反应(如：天然气直接转化制乙烯、乙炔，有毒有害工业废气的净化等)，化学气相沉积(如金刚石膜的沉积等)，材料的合成和加工(如金属、陶瓷颗粒的等离子体合成、材料的等离子体切割、钻孔等)以及固体废弃物(如生活垃圾、核废料等)的处理。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图。

图2为图1中各部分的结构尺寸示意图。

图3为图1的等效电路示意图。

图4为微波的能量效率与短路活塞和阻抗匹配调节装置位置的关系曲线示意图。

具体实施方式

本实用新型所涉及到的是一种大功率、高效微波等离子激发装置，图1是本装置的结构示意图，包括可调谐同轴谐振腔1、矩形波导2，所述矩形波导2内设波导/同轴转换装置12，所述波导/同轴转换装置12为门扭块121和介质单线122上下扣合的门扭结构，所述波导/同轴转换装置12分别与矩形波导2上下表面紧密接触连接，所述可调谐同轴谐振腔1由位于波导2上下两侧并与波导/同轴转换装置12同轴的上腔11、下腔15，以及波导/同轴转换装置12共同构成，上、下腔为外导体13和内导体14构成的同轴线，内导体14一端插装于下腔15，另一端依次贯穿介质单线122、门扭块121、上腔11，上腔11的内外导体之间沿轴线方向设有谐振腔短路活塞111，所述矩形波导2一端设有微波源，另一端设有波导短路活塞21进行阻抗匹配调节。

图2是图1中各部分的结构尺寸标注示意图。其中L1为内导体14插装于下腔15中的长度，L2为谐振腔短路活塞111至波导2上表面的间距，L3为波导短路活塞21至内导体14的中心距，L4为介质单线122的长度，L5为门扭块121厚度，D0为内导体14外径，D1为介质单线122外径。

图3是本装置的等效电路，即可调谐同轴谐振腔/波导正交耦合等离子体炬等效电路。其中G_r1是可调谐同轴谐振腔1的开路端，由圆截止波导包围的辐射电导，在未放电时G_r2甚小，放电增强后逐步增大；G_r2是向后部波导的辐射电导；G_p是等离子体引发后的等离子体电导，随着等离子体增强而增大；J_Xp是等离子体引发后的等离子体电抗，随着等离子体增强而增大；jZ_01cotβl₁是可调谐同轴谐振腔1开路端的电抗量；jZ₀₂tanβl₂是谐振腔短路活塞端的电抗量；jZ₀tanβ_wl₃是波导短路活塞21在波导中的电抗；jX_D是门扭结构在波导2中呈现的电抗；Rr是后波导系统的阻抗；标号3为微波源，标号4为可调谐同轴谐振腔的耦合结构，标号5为后波导系统的耦合结构，闭合开关K，表示已产生放电，形成并加强等离子体；

等离子体的激发是通过可调谐同轴谐振腔1中形成具有一定品质因素的谐振，在可调谐同轴谐振腔1的开路末端引发等离子体，可调谐同轴谐振腔1的谐振频率可以通过谐振腔短路活塞111的位置(改变L3)进行调节，在引发等离子体前调节谐振腔短路活塞111使可调谐同轴谐振腔1的谐振频率与微波电源的频率相同，等离子体产生后，腔体的谐振频率必然要发生漂移，频率漂移的大小与腔体中的等离子态状态有关，通过谐振腔短路活塞111可以根据等离子体的状态实时跟踪使可调谐同轴谐振腔1的谐振频率始终与电源频率一致。

可调谐同轴谐振腔1的微波能量通过贯穿波导2中央位置，并立于外导体13之上的延伸内导体在矩形波导2中获得拾取电动势，在内导体14上建立感生电流，从而激励起可调谐同轴谐振腔1中功率传输。为了实现工作气体与外界空气的隔离，利用低损耗的介质材料与可调谐同轴谐振腔构成介质单线122，介质单线122是本结构设计的一个关键结构单元，它有如下几方面的作用：

(1)承担从波导到可调谐同轴谐振腔1的能量耦合；

(2)与上、下腔构成可调谐同轴谐振腔1；

(3)可以利用它进行气体的密封。

介质单线的尺寸(D1、L4)选择与所使用的微波频率(f)、介质材料的种类(ε)以及可调谐同轴谐振腔1的阻抗(Z)设计等有关，设计的原则是保证介质单线的长度L4等于微波源3工作波长的0.25n(n＝1，2，3，....)倍，介质单线的介质内径与可调谐同轴谐振腔1的内导体14直径相同，外直径D1的选择以保持阻抗与可调谐同轴谐振腔1的阻抗相匹配，波导和同轴系统的耦合度与介质单线122在波导中的跨度有关。

门扭块121的主要作用是控制微波系统在冷态情况下减小矩形波导/可调谐同轴谐振腔的耦合度，便于建立等离子体激发所需要的高电场强度的需要，门扭块121的厚度L5根据介质单线122的长度与波导2的窄边的尺寸选择，数值上等于波导2窄边尺寸减去介质单线122的长度。

波导短路活塞21的作用是调节系统冷态和热态(等离子体产生前后)的阻抗匹配。在门扭结构中，介质单线在矩形波导中的跨度决定波导/同轴耦合的理论耦合量，但是由于系统的负载阻抗在等离子体体激发前后发生很大的变化，由于阻抗的失配，直接影响波导/同轴耦合的效率。采用波导短路活塞的调节可以阻抗后波导段的电抗，使等离子体激发前后的阻抗达到最佳匹配，从而达到微波能量全部耦合给等离子体。

在此结构中，改变波导短路活塞21位置，可以改变转换程度，就借用这种转换程度，可以作为一种改变波导和同轴系统耦合度的方法。

若是以改变波导短路活塞21位置的方法，改变耦合度，改变成较小耦合度做不到，可以用约束介质单线跨度的办法来改变耦合度。

整个装置的工作原理如下：通过波导/同轴转换装置12将微波能量从矩形波导2传输系统耦合到可调谐同轴谐振腔1中，利用合适的介质单线122长度降低冷态波导/同轴转换的耦合，使得可调谐同轴谐振腔1在引发的初期形成必要的高Q谐振状态，积累能量，并引起工作气体的放电；随着等离子体的延拓和加强，通过谐振腔短路活塞111调整由于等离子体的存在引起的谐振频率的漂移，使可调谐同轴谐振腔1的谐振频率与微波源3的工作频率一致；通过波导短路活塞21调节等离子体产生后的波导/同轴转换的耦合度使系统逐步转换到低Q谐振状态，进而转换到行波的工作状态。通过这一系列的调节过程实现大功率、高效率的等离子体的激发与维持。

1.对于工作频率为2450MHz的微波，介质单线中介质材料采用氮化硼时，等离子炬装置的主要尺寸为：D₀＝17mm，D₁＝57mm，L₁＝165mm，L₄＝37mm，L₅＝17mm。

2.对于工作频率为915MHz的微波，介质单线中介质材料采用氮化硼时，等离子炬装置的主要尺寸为：D₀＝31mm，D₁＝140mm，L₁＝650mm，L₄＝82mm，L₅＝42mm。

3.对于工作频率为2450MHz的微波，介质单线中介质材料采用氧化铝时，等离子炬装置的主要尺寸为：D₀＝17mm，D₁＝35mm，L₁＝165mm，L₄＝28mm，L₅＝27mm。

4.对于工作频率为2450MHz的微波，介质单线中介质材料采用聚四氟乙烯时，等离子炬装置的主要尺寸为：D₀＝17mm，D₁＝63mm，L₁＝165mm，L₄＝42mm，L₅＝12mm。

5.对于工作频率为2450MHz的微波，介质单线中介质材料采用石英时，等离子炬装置的主要尺寸为：D₀＝17mm，D₁＝52mm，L₁＝165mm，L₄＝40mm，L₅＝15mm。

6.微波等离子体激发后，调整L₂及L₃的尺寸，微波能耦合效率的变化如图4所示，实验中微波入射功率为1000～6000W(本实施例为4000W)，工作气体介质为氢气，利用反射与入射微波能量计算微波能耦合效率。

Claims (4)

1.一种大功率微波等离子体炬，其特征在于：包括可调谐同轴谐振腔(1)、矩形波导(2)，所述矩形波导(2)内设波导/同轴转换装置(12)，所述波导/同轴转换装置(12)为门扭块(121)和介质单线(122)上下扣合的门扭结构，所述波导/同轴转换装置(12)分别与矩形波导(2)上下表面紧密接触连接，所述可调谐同轴谐振腔(1)由位于波导(2)上下两侧并与波导/同轴转换装置(12)同轴的上腔(11)、下腔(15)，以及波导/同轴转换装置(12)共同构成，上、下腔为外导体(13)和内导体(14)构成的同轴线，内导体(14)一端插装于下腔(15)，另一端依次贯穿介质单线(122)、门扭块(121)、上腔(11)，上腔(11)的内外导体之间沿轴线方向设有谐振腔短路活塞(111)，所述矩形波导(2)一端设有微波源，另一端设有波导短路活塞(21)。

2.按照权利要求1所述的大功率微波等离子体炬，其特征在于：所述介质单线(122)由内导体(14)与其周围的电介质构成，介质材料的介电常数ε小于或等于10。

3.按照权利要求2所述的大功率微波等离子体炬，其特征在于：所述介质材料为空气、氮化硼、聚四氟乙烯、氧化铝、石英之一或其复合体。

4.按照权利要求1或2所述的大功率微波等离子体炬，其特征在于：所述微波源的频率为2450MHz、915MHz或314MHz。

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