一种自动激励微波气体放电设备的制作方法

1.本发明涉及一种自动激励微波气体放电设备。具体地说，是涉及一种利用设置于微波源相反方向的激励腔，从而实现气体等离子体放电设备自低功率自动点火再自激励至高效工作的气体放电设备。


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。利用微波激发等离子体实现的高强度气体放电灯具有高亮度、接近太阳光线的优质色谱、长寿命和高发光效率等优点，可以广泛用于汽车大灯、广场照明和大棚蔬菜光源。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。
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。在气体的电场强度的幅值很小时，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，气体中的电场强度的幅值很大，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点火困难也会使小功率的微波等离子体器件难以实现。
4.为了解决这个问题，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
‑
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：
6.一种自动激励微波气体放电设备，包括相互连通的一个工作频率为f0的微波源和至少一条非线性支路。所述任意一条非线性支路包括一个反应段和与所述反应段相互连通的一个激励腔。所述反应段与所述微波源连接的一端为所述非线性支路的输入端。所述非
线性支路还包括至少一个内部设置有气体的密闭壳，至少部分所述密闭壳为介质壳。所述反应段与所述激励腔通过至少一个耦合结构连通。
7.所述非线性支路的输入阻抗随微波源输出功率大小而显著变化。比如，在微波源输出功率为1毫瓦时，所述非线性支路的输入阻抗几乎为纯电抗。在微波源输出功率为100瓦时，所述非线性支路处于大信号模式，其输入阻抗几乎与微波源的输出端的特性阻抗相等。这里的密闭壳为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和无极紫外灯等。
8.本发明的工作原理简述如下。一般情况下，没有激励腔，所述密闭壳全部位于所述反应段内。气体击穿前，该非线性支路处于小信号状态，其输入阻抗几乎为纯电抗。进入该非线性支路的微波经过反应段到达右端的后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。在普通技术中，为了击穿气体，需要增大微波源的输出功率。
9.本发明在所述反应段的右端设置一个激励腔，所述激励腔与所述反应段之间的耦合由一个耦合结构控制。在所述介质壳的右端靠近所述耦合结构或者进入所述激励腔的情况下，在气体击穿前，这个谐振腔的损耗很小，其q值很高。为了采用较小的微波功率在其中产生强电场，我们需要满足两个条件：第一，微波源的频率与这个激励腔的谐振频率相等，都为f0，或者尽量接近。第二，所述反应段与该激励腔在所述激励腔的谐振频率处的阻抗尽量匹配。对于第二个要求，我们需要适当设置所述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。
10.激励腔中的强电场让位于其附近或者位于其中的介质壳内的气体击穿并产生等离子体。然后，位于所述密闭壳内部的所有气体全部被电离并变成等离子体而且强烈地吸收微波。这时，所有微波几乎全部被等离子体吸收并发光。该设备高效地运行。
11.所以本发明可以让等离子体器件自动点火并高效地运行。
12.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。
13.为了便于击穿气体，我们让小信号状态时，激励腔的q值比较高。比如，其q至大于或等于100，小于或等于10000。
14.为此，所述耦合结构设置为弱耦合状态。所述耦合结构的耦合系数应该适当选择，让小信号时激励腔在微波源工作频率f0与所述反应段匹配。
15.所述介质壳可以全部位于所述反应段中。所述介质壳右端相邻于所述激励腔。只要该设备容易被点火。
16.为了更可靠地点火，部分所述介质壳位于所述反应段中，部分所述介质壳位于所述激励腔中：所述介质壳右端位于所述激励腔内。
17.所述反应段和所述激励腔的形状可以是任何三维结构。为了降低制造成本，所述反应段为传输线和所述激励腔为终端短路的横截面与所述反应段横截面相同的传输线。所述密闭壳形状为柱状体，所述密闭壳的轴线与所述传输线的轴线平行。不规则的反应段或激励腔可能导致加工费用的上升。
18.较佳的设计，所述传输线为矩形波导或者为圆波导。
19.在微波源的工作频率不稳定或者微波源输出微波的频谱比较宽的情况下，适当展宽小信号时激励腔的工作带宽将有利于可靠地实现点火。为此，我们将尽量让所述激励腔
工作在其较低次谐振模式，最好是最低谐振模式。我们要求所述激励腔在任意方向上的最大尺寸尽量小于工作频率f0对应的自由空间的波长，最好小于工作频率f0对应的自由空间的波长的一半。
20.采用插入深度可以调整的螺钉实现耦合系数可调的耦合结构是我们的首要选择：因此所述耦合结构为耦合螺钉。所述耦合螺钉进入所述激励腔)内的深度可以从外界调整并通过一定方式(比如通过一颗与所述耦合螺钉相配的螺帽)固定。为了实现弱耦合，我们需要所述耦合螺钉进入所述激励腔)内的深度比较大：所述耦合螺钉进入所述激励腔)内的深度大于所述耦合螺钉在激励腔内部最大行程的2/3。
21.所述耦合螺钉在激励腔内部最大行程定义为所述耦合螺钉在所述激励腔内部可以达到的最大长度，条件是所述耦合螺钉的顶端和与之相对的激励腔的内表面不能接触。
22.本发明的应用可以简单分为两类：
23.第一类应用，所述反应段和激励腔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，反应段和激励腔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，至少一根无极紫外灯管设置在所述非线性支路中。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，在反应段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，反应段和激励腔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支路。
25.为了方便，这里的电磁波源主要采用微波频段。本发明也可以采用频率比微波高的毫米波甚至太赫兹频率，以及频率比微波低的射频频率。
26.本发明具有的有益效果：
27.本发明公布了一种自动激励微波气体放电设备的设计方案。通过在设备的反应段的微波源的相反一端设置一定弱耦合的激励腔实现设备的自动可靠点火并高效率运行。在点火前，微波信号通过反应段到达所述激励腔。由于采取弱耦合，激励腔中也没有强微波吸收材料，所述激励腔的品质因子很高。适当的耦合结构设计可以在微波源的工作频率处在所述激励腔中建立很强的微波电场，击穿位于所述激励腔附近或位于所述激励腔中的设置于密闭壳内的气体并产生等离子体。等离子体沿整个密闭体内部扩散导致所述密闭体内部所有的气体被击穿。这时，几乎所有的微波能被密闭体中的等离子体强烈地吸收并高效地转化为光波能量。本发明可以被应用到各种气体和液体的消毒杀菌处理，高亮度长寿命的广场照明灯和素菜大棚的照明中。
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.图5为实施实例5的俯视示意图。
33.附图中标号对应名称：1
‑
微波源，2
‑
反应段,3
‑
激励腔，31
‑
耦合结构，4
‑
密闭壳，41
‑
介质壳。
具体实施方式
34.实施实例1
35.如图1所示。
36.一种自动激励微波气体放电设备，包括相互连通的一个工作频率为f0的微波源1和一条非线性支路。所述非线性支路包括一个反应段2和与所述反应段2相互连通的一个激励腔3。所述反应段2的与所述微波源1连接的一端为所述非线性支路的输入端。所述非线性支路还包括至少一个内部设置有气体的密闭壳4，至少部分所述密闭壳4为介质壳41。所述反应段2与所述激励腔3通过至少一个耦合结构31连通。
37.在所述小信号状态激励腔的q值均大于100，小于10000。
38.所述耦合结构31为弱耦合。
39.部分所述介质壳41位于所述反应段2中。所述介质壳41右端位于所述激励腔3内。
40.所述激励腔3在任意方向上的最大尺寸小于工作频率f0对应的自由空间的波长。
41.所述耦合结构31为耦合螺钉，所述耦合螺钉进入所述激励腔3)内的深度大于所述耦合螺钉在所述激励腔3内部最大行程的2/3。
42.实施实例2
43.如图2所示。
44.与实施实例1相比，不同之处仅在于：
45.微波源1向两个完全相同的非线性支路提供微波能量。
46.实施实例3
47.如图3所示。
48.与实施实例1相比，不同之处仅在于：
49.所有的介质壳41都设置在反应段2中。没有任何部分介质壳41进入所述激励腔3中。所述的介质壳41的右端靠近所述耦合结构31。
50.实施实例4
51.如图4所示。
52.于是实施例1相比，不同之处仅在于：
53.所述反应段2为传输线，所述激励腔3为终端短路的横截面与所述反应段2横截面相同的传输线。设置有一个柱状体的密闭壳4，所述密闭壳4的轴线与所述传输线的轴线平行。所述传输线为均为矩形波导。所述柱状的密闭壳4置于所述矩形波导中并位于所述矩形波导宽边的中心线上。耦合结构31为一颗耦合螺钉，置于反应段2和激励腔3的连接处。所述耦合螺钉设置在所述矩形波导的宽边上并位于所述矩形波导宽边的中心线的一侧。所述耦合螺钉进入所述激励腔后与所述激励腔中的密闭体有一定间距。
54.实施实例5
55.如图5所示。
56.于是实施例4相比，不同之处仅在于：
57.设置有形状为柱状体的两个密闭壳4。所述密闭壳4的轴线与所述传输线的轴线平行。所述柱状体的密闭壳4设置于所述矩形波导中，相对于所述矩形波导宽边的中心线对称布置。耦合结构31为一颗耦合螺钉，置于反应段2和激励腔3的连接处。所述耦合螺钉设置在所述矩形波导的宽边上并位于所述矩形波导宽边的中心线上。所述耦合螺钉进入所述激励
腔后与所述激励腔中的密闭体有一定间距。
58.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，比如在微波源和反应段之间增设阻抗调配器，在激励腔中增设调谐装置等，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任何修改、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。