微波等离子体火炬产生装置

1.本公开涉及微波等离子体技术领域，尤其涉及一种微波等离子体火炬产生装置。


背景技术：

2.等离子体是不同于固体、液体和气体的物质第四态。等离子体属于电离气体，主要由中性原子或分子、激发态的原子或分子、自由基、电子或正负离子以及辐射光子组成，它们的负电荷数与正电荷数相同，所以在宏观上呈现出电中性。微波等离子体的产生原理是利用波导装置将微波能量注入气体分子，诱发气体分子产生激发、电离等一系列反应，进而产生高反应活性的等离子体，微波电磁场“空洞结构”的特征能够将激励电离产生的等离子体限定在特定的空间内同时实现对等离子体的传输[1]。相较于其他产生等离子体的方法，微波等离子体具有许多优点，如电离度高、适应压强范围宽、电子密度高、微波和等离子体特性容易调控等，这些特性使得微波等离子体技术的研究具有更大的实际应用价值。
[0003]
在一个大气压下，空气的击穿场强为3
×
106v/m。为了生成等离子体需要的高电场强度，在微波谐振腔中最常用的解决方案包含以下两种：增大微波输入功率或缩小微波谐振腔的尺寸。增加微波的输入功率可以提高单位体积内的微波场强，从而有利于增加电场强度，但微波功率的提升是有限度的。缩小微波谐振腔的尺寸可以使得电场更加集中，极大地增强场强，且便于实现与个性化设计。因此，传统的微波等离子体火炬最常采用的是压缩波导结构，这种结构可以减小谐振腔体积，使电场聚集以增大电场强度；或是有多个输入端的谐振腔结构，以提供更大的微波功率。但这种谐振腔结构产生的等离子体体积小，气体处理距离短，多端口之间的隔离难度较大，要求较高的功率输入，并且通常需要外加机械点火装置进行触发。


技术实现要素：

[0004]
鉴于上述技术问题，本公开实施例提供一种微波等离子体火炬产生装置，包括：输入波导，用于输入微波；渐变波导，包括第一渐变波导段和第二渐变波导段，第一渐变波导段和第二渐变波导段用于对微波的功率进行分配得到第一微波和第二微波，其中，第一微波的功率高于第二微波的功率；同轴谐振腔，用于根据第二微波产生高强度电场；圆柱谐振腔，中心处设有石英玻璃管，石英玻璃管为微波等离子体火焰的反应腔，用于在高强度电场的作用下，根据气体分子产生微波等离子体火焰，圆柱谐振腔用于根据第一微波产生一定强度的电场以维持等离子体火焰。
[0005]
根据本公开的实施例，其中，第一渐变波导段与第二渐变波导段对微波的功率的分配比例为3∶1。
[0006]
根据本公开的实施例，其中，微波等离子体火炬产生装置还包括：连接波导以及耦合口，连接波导一端连接第一渐变波导段，另一端通过耦合口连接至圆柱谐振腔，以将第一微波馈入圆柱谐振腔。
[0007]
根据本公开的实施例，其中，微波等离子体火炬产生装置还包括：短路波导，与第
二渐变波导段连接；耦合探针，与短路波导连接，用于对第二微波进行集中；同轴线内导体和同轴线外导体，同轴线外导体套设在同轴线内导体外部且与同轴线内导体同轴，同轴线内导体和同轴线外导体一端连接至耦合探针，另一端连接至同轴谐振腔，用于将第二微波传输至同轴谐振腔。
[0008]
根据本公开的实施例，其中，同轴谐振腔包括：同轴谐振腔内导体，用于根据第二微波产生高强度电场；其中，同轴谐振腔内导体一端开路，另一端短路，开路的一端插入石英玻璃管；同轴谐振腔外壳用于支撑以固定同轴谐振腔内导体。
[0009]
根据本公开的实施例，其中，沿开路的一端指向短路的一端的方向，同轴谐振腔内导体直径逐渐减小。
[0010]
根据本公开的实施例，其中，石英玻璃管靠近同轴谐振腔的一端还设有进气管，进气管与石英玻璃管的中心轴线成预设角度。
[0011]
根据本公开的实施例，其中，进气管对称分布在石英玻璃管的中心轴线两侧。
[0012]
根据本公开的实施例，其中，石英玻璃管未被圆柱谐振腔覆盖的表面覆盖有金属圆筒。
[0013]
根据本公开的实施例，其中，输入波导和连接波导为矩形波导。
附图说明
[0014]
通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
[0015]
图1示意性示出了根据本公开实施例的微波等离子体火炬产生装置的结构的主视图。
[0016]
图2示意性示出了根据本公开实施例的微波等离子体火炬产生装置的结构的俯视图。
[0017]
【附图标记说明】
[0018]
1-输入波导，2-渐变波导，201-第一渐变波导段，202-第二渐变波导段，3-同轴谐振腔，301-同轴谐振腔内导体，302-同轴谐振腔外壳，4-圆柱谐振腔，5-石英玻璃管，501-进气管，6-连接波导，7-耦合口，8-短路波导，9-耦合探针，10-同轴线内导体，11-同轴线外导体，12-金属圆筒。
具体实施方式
[0019]
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，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，都属于本公开保护的范围。
[0020]
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
[0021]
在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连
接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。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公开中的具体含义。
[0022]
在本公开的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“长度”、“周向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的子系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。
[0023]
贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。另外，在本公开中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对本公开的限制。
[0024]
类似地，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0025]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
[0026]
为了解决现有技术的不足，本公开实施例提供一种微波等离子体火炬产生装置，该装置基于组合式的微波谐振腔实现，主要由波导组件、y形分支波导功率分配器、探针式波导-同轴过渡段、圆柱谐振腔、1/4波长同轴谐振腔、石英管、进气口等组成。下面结合具体实施例进行相似介绍。
[0027]
图1示意性示出了根据本公开实施例的微波等离子体火炬产生装置的结构的主视图。图2示意性示出了根据本公开实施例的微波等离子体火炬产生装置的结构的俯视图。
[0028]
如图1及图2所示，在本公开一实施例中，微波等离子体火炬产生装置例如可以包括输入波导1、渐变波导2、同轴谐振腔3、圆柱谐振腔4和石英玻璃管5。
[0029]
具体的，输入波导1用于输入微波m，优选地，输入波导1例如可以为矩形波导。渐变波导2金属隔片分为上下两个部分，包括第一渐变波导段201和第二渐变波导段202，第一渐变波导段201和第二渐变波导段202均连接至输入波导1的输出端，用于对微波m的功率进行分配得到第一微波和第二微波，第一微波的功率高于第二微波的功率。其中，第一渐变波导段201传输第一微波，第二渐变波导段202传输过来的传输第二微波，也即第一渐变波导段201和第二渐变波导段202相当于功分器。优选地，第一渐变波导段21与第二渐变波导段对微波m的功率的分配比例优选为3∶1。
[0030]
同轴谐振腔3接收第二微波，并根据第二微波产生高强度电场，该高强度电场起到微波等离子体火焰产生的点火触发作用。石英玻璃管5设置于圆柱谐振腔4的中心，作为微
波等离子体火焰的反应腔，用于在高强度电场的电离作用下，根据气体分子产生微波等离子体火焰，圆柱谐振腔4接收第一微波，并根据第一微波产生一定强度的电场以维持等离子体火焰。
[0031]
根据本实施例提供的微波等离子体火炬产生装置，基于单一微波源，通过将渐变波导设置为由功率分配比不同的第一渐变波导段和第二渐变波导段构成的“y”形结构，通过第二渐变波导段将输入波导输入的小部分微波能量馈入同轴谐振腔，同轴谐振腔基于小部分微波能量产生高强度电场对石英玻璃管内的气体分子进行点火，以产生微波等离子体火焰，通过第一渐变波导段将输入波导输入的大部分微波能量馈入圆柱谐振腔内产生一定强度的电场以维持等离子体火焰，进而能够充分利用组合式谐振腔的优点，无需额外的点火装置进行触发便可以持续产生微波等离子体。并且，圆柱谐振腔中心电场强度虽小，但在维持等离子体火焰的同时，能够形成较大体积的等离子体火焰且气体处理距离更长。
[0032]
继续参阅图1和图2，在本公开另一实施例中，微波等离子体火炬产生装置例如还可以包括连接波导6以及耦合口7，连接波导6一端连接第一渐变波导段201，另一端通过耦合口7连接至圆柱谐振腔4，以将第一微波馈入圆柱谐振腔4。圆柱谐振腔4、石英玻璃管5和耦合口7组成维持火炬的组件。优选地，连接波导6例如可以为矩形波导。
[0033]
根据本实施例提供的微波等离子体火炬产生装置，通过设置连接波导及耦合口，能够更好地保证将大部分能量馈入圆柱谐振腔内。
[0034]
在本公开又一实施例中，微波等离子体火炬产生装置例如还可以包括短路波导8、耦合探针9、同轴线内导体10以及同轴线外导体11。其中，短路波导8与第二渐变波导段202连接，用于对第二渐变波导段202传输的微博进行短路，耦合探针9与短路波导8连接，用于对第二微波进行集中，同轴线外导体11套设在同轴线内导体10外部且与同轴线内导体10同轴，同轴线内导体10和同轴线外导体11一端连接至耦合探针9，另一端连接至同轴谐振腔3，用于将第二微波传输至同轴谐振腔3。具体的，第二渐变波导段202将小部分的微波能量先经过波导转同轴接口，再接同轴线内外导体连接至同轴谐振腔3右侧输入口，最后通过环耦合将能量馈入同轴谐振腔3。
[0035]
根据本实施例提供的微波等离子体火炬产生装置，通过设置短路波导、耦合探针、同轴线内导体和同轴线外导体，能够更好地将小部分微波能量集中，以便同轴谐振腔能够产生高强度的电场。
[0036]
在本公开又一实施例中，同轴谐振腔3例如可以包括同轴谐振腔内导体301和同轴谐振腔外壳302，同轴谐振腔内导体301，用于根据第二微波产生高强度电场；其中，同轴谐振腔内导体301一端开路，另一端短路，开路的一端插入石英玻璃管5，同轴谐振腔外壳302用于支撑以固定同轴谐振腔内导体301。优选地，同轴谐振腔3例如可以是1/4波长同轴谐振腔。
[0037]
进一步地，沿开路的一端指向短路的一端的方向，所述同轴谐振腔内导体301直径逐渐减小，也即，同轴谐振腔3采用渐变结构，开路端直径较小，电场比较集中。
[0038]
根据本实施例提供的微波等离子体火炬产生装置，通过将同轴谐振腔内导体一端开路，另一端短路，且开路端的直径小于短路端的直径，使得同轴谐振腔开路端能够产生高强度的电场，充分满足等离子体火炬的点火要求。并且，开路端一小部分插入石英玻璃管，使得场强集中产生尖端打火，激励等离子体火炬的产生与维持。
[0039]
在本公开又一实施例中，石英玻璃管5靠近同轴谐振腔3的一端还设有进气管501，进气管501与石英玻璃管5的中心轴线例如可以成预设角度，一般情况下为锐角。优选地，进气管501对称分布在石英玻璃管5的中心轴线两侧。气体从同轴谐振腔两侧的进气管501进入石英玻璃管5内。
[0040]
根据本实施例提供的微波等离子体火炬产生装置，石英管底部的进气管与中心轴线成一定角度可以产生螺旋气流，防止高温火炬熔融石英管壁。
[0041]
在本公开还一实施例中，石英玻璃管5未被圆柱谐振腔4覆盖的表面例如可以覆盖有金属圆筒12。如图1中所示，在石英玻璃管5上部和下部外侧都覆盖金属圆筒12。
[0042]
根据本实施例提供的微波等离子体火炬产生装置，石英玻璃管未被圆柱谐振腔覆盖的表面覆盖有金属圆筒，可以防止微波泄漏。
[0043]
为了验证上述微波等离子体火炬产生装置的优势，本公开实施例还进行仿真实验。
[0044]
具体地，圆柱谐振腔的工作模式为tm
010
模，电场方向沿轴向不变，且在圆柱中心轴处场值最大。当输入功率为1w时，经过cst仿真模拟得出，同轴谐振腔开路端电场强度峰值大于1
×
105v/m，圆柱谐振腔中轴处电场约为1
×
104v/m。
[0045]
基于此可以看出，本公开实施例提供的微波等离子体火炬产生装置，在较小微波功率输入的情况下，完成大气压下的空气击穿并形成大体积的等离子体火炬，经模拟仿真计算，当输入功率为1.5kw时即可达到设计要求。
[0046]
综上所述，本公开实施例提供的微波等离子体火炬产生装置相较于传统的压缩波导等离子体火炬，组合式谐振腔等离子体火炬等离子体体积更大，气体处理距离更长，无需机械点火装置进行触发且消耗能量更低。
[0047]
需要说明的是，本公开实施例提供的微波等离子体火炬产生装置能够实际应用于垃圾尾气处理，材料表面处理、生物医学等应用方面。
[0048]
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。