一种高效微波激励气体放电设备的制作方法

1.本发明涉及一种高效微波激励气体放电设备。具体地说，是涉及一种利用双态工作的耦合结构实现气体等离子体放电设备低功率自动点火并工作的高效气体放电设备。


背景技术：

2.在大功率微波作用下，气体将被电离，产生等离子体并且发光。利用微波点亮的无极紫外灯，具有高亮度、长寿命和高发光效率等优点，可以广泛用于空气和饮用水杀菌，还可以用于工业废气和工业废水处理等领域。利用微波电离气体产生的等离子体火炬利用微波电离气体实现的微波等离子体火炬具有高温、无污染、可以迅速启停的特点，在机动车发动机点火、大型锅炉点火、金属切割、表面清洁，甚至外科手术方面都有广泛的用途。微波等离子体推进器利用微波电离气体产生等离子体，可望为的太空飞行提供一种新的动力。
3.但是，大部分微波等离子体器件的输入阻抗呈现出很强的非线性，属于强非线性器件。在小信号时，气体未被电离，对微波的吸收很弱。大部分投射到气体上的微波将会被反射。为了电离气体，需要很强的微波场强。比如，在一个大气压下，空气的击穿场强为每米三百万伏。在大功率微波作用下，气体被电离后形成的等离子体会很好地吸收微波。早期方案为了点燃等离子体器件，需要大功率微波。当器件被点燃后，由于负载出现显著变化引起严重阻抗失配，大部分微波能量被反射，被等离子体吸收的微波功率很小，器件的能量效率很低。微波等离子体器件的强非线性也会使小功率的微波等离子体器件难以实现。
4.yong c.hong等人于2011年报道了一种微波等离子体火炬【ieee transactions on plasma science,vol.39,no.10,october 2011，pp.1958
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1962】。其中采用移动钨丝手动方式点燃微波等离子体器件。这种方法，不利于设备的自动化运行。christoph schopp和holger heuermann于2013年提出了一种双态匹配方案【2013年，proceedings of the 43rd european microwave conference，pp.881
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884】。该方案采用集总参数匹配电路，利用频率切换，一定程度地解决了气体放电灯的自动点火并提高了气体放电灯的能量效率。但是，这种方法具有以下几个缺点：1)该匹配电路的插损比较大，严重降低了该方案的能量效率。2)在常用的2450mhz的微波频段，集总参数电路的功率容量比较小。该方案在工业和环保领域的应用受到功率容量的限制。3)对于加工误差和元器件的参数误差，该方案缺乏可调性，很难达到最佳工作状态。4)该方案需要微波源在点火和工作中进行频率切换，增加了微波源的制造成本。5)对于目前单位功率价格最低的高功率磁控管，由于其很宽的频谱和不稳定的工作频率，该匹配电路由于工作带宽不够进一步导致能量效率的降低。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种结构简单、插损低、效率高的微波等离子体设备。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
6.一种高效微波激励气体放电设备，包括依次连通的一个工作频率为f0的微波源和一个非线性器件；在所述微波源和所述非线性器件之间设置有至少一个耦合结构；所述非
线性器件根据所述微波源输出微波信号的大小具有两种状态，小信号状态和大信号状态；所述耦合结构具有两个状态，所述耦合结构的第一状态对应着弱耦合状态，所述耦合结构的第二个状态对应着强耦合状态；在所述非线性器件从小信号状态变为大信号状态后，所述耦合结构在第一状态和第二状态之间切换。
7.所述耦合结构的第二个状态对应的强耦合状态，可以是所述微波源和所述非线性器件直接相连的状态，相当于是将耦合结构全部去除的状态。对于耦合螺钉，相当于将其从非线性器件中全部退出。
8.本发明中，所谓“点火”，也就是所述非线性器件内的气体被击穿变成等离子体。
9.所述非线性器件的输入阻抗随所述微波源输出功率大小而显著变化。比如，在所述微波源输出功率为1毫瓦时，所述非线性器件处于小信号模式，其输入阻抗几乎为纯电抗。在所述微波源输出功率为100瓦时，所述非线性器件处于大信号模式，其输入阻抗与所述微波源的输出端的特性阻抗接近。这里的非线性器件可以包括内部设置有放电气体的等离子体放电器件，比如气体放电灯灯泡、无极紫外灯、内部有气体流过的介质管等。
10.以微波等离子体非线性器件为例，本发明的工作原理简述如下。一般情况下，气体击穿前，非线性器件对微波吸收很弱，处于小信号状态。非线性器件的输入阻抗几乎为纯电抗。进入非线性器件的微波几乎全部被反射回来。在非线性器件内的气体感受到的微波电场的幅值很小。气体无法被击穿。
11.本发明在非线性器件与微波源之间设置一个耦合结构，与非线性器件一起形成一个谐振腔。在气体击穿前，这个谐振腔的损耗很小，其q值很高。为了有效击穿其中的气体，我们需要满足两个条件：第一，所述微波源的频率与这个谐振腔的频率相等，都为f0，或者尽量接近。第二，所述微波源与该谐振腔在谐振时的阻抗尽量匹配。对于第二个要求，我们需要适当设置耦合结构的耦合系数。由于该谐振腔的q值很高，耦合结构的耦合系数将很低。
12.在气体被击穿后，非线性器件处于大信号状态。小信号时匹配的谐振腔不再匹配，大部分微波将被反射。设备的运行效率将很低。本发明安排将所述耦合结构从第一状态变化到第二状态，也就是让所述微波源与所述非线性器件直接连通的状态。由于非线性负载在大信号状态接近与所述微波源匹配，可以很好地吸收微波，将耦合结构变化到其第二状态，可以让该设备高效地运行。
13.一般情况下，所述非线性器件内部有气体，可以在足够高功率的微波作用下击穿产生等离子体。
14.关于所述耦合结构，我们三种设计：
15.第一种设计，所述耦合结构为金属柱，所述耦合结构的第一状态是所述金属柱插入非线性器件内一定深度，所述耦合结构的第二状态是所述金属柱从非线性器件中退出。与所述耦合结构相配合，我们设置有至少一根弹簧；手动压缩弹簧后所述耦合结构处于第一状态，释放弹簧后所述耦合结构处于第二状态。与所述耦合结构相配合，我们也可以设置一个电机。通过电机带动所述金属柱，实现所述耦合结构从其第一状态变化到其第二状态。
16.第二种设计，所述耦合结构为金属螺钉。所述耦合结构的第一状态是所述金属螺钉旋入非线性器件内一定深度，所述耦合结构的第二状态是所述金属螺钉从非线性器件中旋出。
17.在所述耦合结构的第一状态，所述金属柱或者金属螺钉进入所述非线性器件内的深度x大于所述金属柱或者金属螺钉在所述非线性器件内部最大行程的2/3。所述金属柱或者金属螺钉在所述非线性器件内部最大行程定义为所述金属柱或者金属螺钉在所述非线性器件内可以达到的最大长度，条件是所述金属柱或者金属螺钉的顶端和与之相对的所述非线性器件的内表面不能接触。
18.第三种方案，所述耦合结构为横跨于所述非线性器件两个相对的内表面之间的一只二极管，所述二极管的第一状态为一定程度的导通状态，所述二极管的第二状态为全断开状态，两个相对的内表面分别是指微波进入非线性器件的第一截面、和与第一截面相对的第二截面。
19.所述非线性器件还可以是一个一分多路等幅等相的功分器，所述功分器的每一路输出端都连接一个彼此完全相同的非线性子器件。这个方案适合于用较大功率的微波源，比如磁控管同时对多个非线性子器件提供微波能。
20.所述微波源的输出端和所述非线性器件的输入端可以为矩形波导，或者圆波导，或者脊波导，或者同轴线等。
21.在非线性器件中设置有介质管，介质管穿过非线性器件，介质管中有气体通过，该设备为等离子体火炬。
22.本发明的应用可以简单分为三类：
23.第一类应用，所述非线性器件内设置有至少一个气体放电灯。该发明可以提供一类高亮度、寿命长、发光效率高、色谱接近太阳光的优质光源。这时，非线性器件的外壳上开有若干小孔，既能有效阻止微波泄露，又能让可见光充分地发射出来。
24.第二类应用，所述非线性器件中有放电气体通过。该发明可以提供一类高效的等离子体火炬或微波等离子体推进器。
25.第三类应用，所述非线性器件内设置有至少一根无极紫外灯管。采用微波高效地点亮无极紫外灯管，让空气或者水，特别是废弃或废水，在非线性器件中在无极灯管外通过，其中的细菌、病毒和有害物质被紫外光有效地杀灭或降解。这时，非线性器件的外壳上开有至少两个孔，既能有效阻止微波泄露，又能让气体和液体进入和流出所述非线性器件。
26.本发明具有的有益效果：
27.本发明公布了一种高效微波激励气体放电设备的设计方案。本发明在设备中设置有可以切换状态的耦合结构。在点火前让耦合结构工作在弱耦合状态，在非线性器件中形成谐振频率与微波源工作频率相同的强谐振并顺利点火，然后让让耦合结构工作在几乎直通的第二状态，让所述微波源产生的微波几乎全部被非线性器件吸收，让设备高效率地工作。本发明可以被应用到各种气体和液体的消毒杀菌处理，高亮度长寿命的照明灯和微波等离子体火炬中。
附图说明
28.图1为本发明和实施实例1的侧面剖视示意图
29.图2为实施实例2的侧面剖视示意图
30.图3为实施实例3的侧面剖视示意图
31.图4为实施实例4的俯视示意图
32.附图中标号对应名称：1
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微波源，22
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耦合结构，4
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非线性器件，41
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介质管。
具体实施方式
33.实施实例1
34.如图1所示。
35.一种高效微波激励气体放电设备，包括依次连通的一个工作频率为f0的微波源1和一个微非线性器件4；所述微非线性器件4根据所述微波源1输出微波信号的大小具有两种状态，小信号状态和大信号状态；在所述微波源1和所述微非线性器件4之间设置有一个耦合结构22；所述耦合结构22具有两个状态，所述耦合结构22的第一状态对应着弱耦合状态，所述耦合结构22的第二个状态对应着强耦合状态；在所述微非线性器件4从小信号状态变为大信号状态后，所述耦合结构22在第一状态和第二状态之间切换。
36.所述微非线性器件4内部有气体，可以在足够高功率的微波作用下击穿产生等离子体。
37.所述耦合结构22为金属柱，所述金属柱的第一状态是插入微非线性器件4内一定深度，所述金属柱的第二状态是全部从微非线性器件4中退出。
38.这里的耦合结构22从其第一状态到第二状态的变化，是通过手动将所述金属柱从苏所述微非线性器件4中全部退出完成的。
39.实施实例2
40.如图2所示。
41.与实施实例1相比，不同之处仅在于：
42.所述耦合结构22为一只二极管。
43.实施实例3
44.如图3所示。
45.与实施实例1相比，不同之处仅在于：
46.所述高效微波激励气体放电设备为等离子体火炬。所述微波源的输出端和所述非线性器件4均为矩形波导。在所述矩形波导中设置有介质管41，介质管41穿波导。在波导中，气体从介质管41的一端输入，通过介质管41被电离，形成高温等离子体并从介质管41的另一端喷出。
47.实施实例4
48.如图4所示。
49.与实施例1相比，不同之处仅在于：
50.所述非线性器件4由一只h面四路等幅等相矩形波导功分器和四个非线性子器件相连构成。所述微波源的输出端和所述非线性子器件的输入端均为矩形波导。所述四个非线性子器件之间几乎完全相同。
51.以上所述，仅是本发明的较佳实施实例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。为了便于调试本设备，一些常规的技术，比如在所述微波源和非线性器件之间增设阻抗调配器，在非线性器件上设置调谐装置等，可能是有用的。依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施实例所作的任何偏离最佳设计的修改、等同替换、增加任何常规技术等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。