專(zhuān)利名稱(chēng)：一種微波等離子體火炬波導(dǎo)激勵(lì)腔的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微波等離子火炬激勵(lì)技術(shù)與裝置領(lǐng)域，特別涉及高壓強(qiáng)下，無(wú)內(nèi)置點(diǎn)火器的 大氣微波等離子火炬(APT)激勵(lì)腔的設(shè)計(jì)與使用。
背景技術(shù)：
微波等離子體是一種無(wú)極放電的高電子密度和溫度的準(zhǔn)平衡的低溫等離子體，它與直流， 射頻等離子體相比，具有很多優(yōu)點(diǎn)和特殊性，因此近十余年來(lái)，獲得了極其廣泛的應(yīng)用，尤 其在微電子技術(shù)，新材料制備與合成，航天技術(shù)，化學(xué)化工，廢物處理、金屬提練、包裝材 料及制藥業(yè)，薄膜沉積、等離子體聚合、微電路制造到焊接、工具硬化、超微粉的合成、等 離子體噴涂、等離子體冶金、等離子體化工。而作為微波等離子體火炬的應(yīng)用也在不斷擴(kuò)展， 如環(huán)境保護(hù)，生化戰(zhàn)爭(zhēng)中的物質(zhì)分析，表面處理與噴塗，消毒，焊接與切割，各種鍋爐內(nèi)燃燒 體的點(diǎn)火等技術(shù)領(lǐng)域。
在微波工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中，目前國(guó)內(nèi)外多采用915MHz和2450MHz兩個(gè)頻段的微波，而尤 其是后者使用得更為普遍，因?yàn)楣β实燃?jí)齊全，價(jià)格低廉，尺寸較小。對(duì)于微波放電來(lái)說(shuō)， 在低氣壓下例如幾百帕至1千多帕是最易激發(fā)的，其微波場(chǎng)強(qiáng)在2450MHz時(shí)約為200v/cm， 而在高氣壓如1個(gè)大氣壓時(shí)，要產(chǎn)生放電的微波場(chǎng)強(qiáng)就超過(guò)了 3xl04 v/cm，兩者相差兩個(gè)數(shù) 量級(jí)之多。因此，為了在大氣壓強(qiáng)(2105帕)下能產(chǎn)生微波等離子體火炬(APT)，就需要較 大的微波功率。故通常采用一端短路，而另一端開(kāi)路的四分之一同軸諧振腔，或一段壓縮波 導(dǎo)形成的駐波場(chǎng)，藉以提高放電位置上的微波電場(chǎng)，這些激發(fā)裝置往往需要在適當(dāng)位置安裝 點(diǎn)火器或引燃極，才能在一定的微波功率下，產(chǎn)生初始放電，再過(guò)渡到整個(gè)火炬的形成，這 就使整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，并增加了成本。

發(fā)明內(nèi)容
如何設(shè)計(jì)微波波導(dǎo)激勵(lì)腔，就能夠在不花費(fèi)太大的微波功率，且無(wú)任何點(diǎn)火器或引燃極 的情況下，激勵(lì)大氣壓強(qiáng)(2105帕)的空氣產(chǎn)生等離子體火炬，是本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn) 題。
本發(fā)明的基本思路是通過(guò)設(shè)計(jì)一高品質(zhì)因數(shù)(高Q。值)的放電室作為等離子體的激勵(lì)腔， 由于諧振腔內(nèi)諧振時(shí)電場(chǎng)的倍增效應(yīng)，就能在無(wú)需任何點(diǎn)火器或引燃極的情況下，激發(fā)大氣 壓強(qiáng)(2105帕)下空氣等離子火炬(APT)的產(chǎn)生與形成。髙Q。腔內(nèi)微波損耗低，諧振時(shí)的
微波場(chǎng)強(qiáng)要比行波或駐波狀態(tài)下的電場(chǎng)強(qiáng)得多，這樣就大大節(jié)省了所需的微波功率，從而提 高了轉(zhuǎn)換效率。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種微波等離子體火炬波導(dǎo)激勵(lì)腔，包括三段固定連接的矩形波導(dǎo)，每段矩形波導(dǎo)的長(zhǎng) 度均為二分之一波導(dǎo)波長(zhǎng)，第一段矩形波導(dǎo)2的寬邊長(zhǎng)為a,窄邊長(zhǎng)為b;第二段矩形波導(dǎo)3 為漸變矩形波導(dǎo)，與第一段矩形波導(dǎo)相連的始端的寬邊長(zhǎng)為a、窄邊長(zhǎng)為b，與第三段矩形波 導(dǎo)4相連的終端的寬邊長(zhǎng)為a、窄邊長(zhǎng)為b,,且b,〈b;第三段矩形波導(dǎo)4為高度壓縮的矩形 窄波導(dǎo)，寬邊長(zhǎng)為a、窄邊長(zhǎng)為b,。
第一段矩形波導(dǎo)2始端通過(guò)波導(dǎo)法蘭盤(pán)1固定連接有一中間開(kāi)孔的金屬膜片5。第三段 矩形波導(dǎo)的終端為封閉的金屬短路板6。第三段矩形波導(dǎo)4寬邊的上下兩面中心線上各開(kāi)有 一圓孔，上端圓孔上方固定連接有窄波導(dǎo)頂部圓筒7，下端圓孔下方固定連接有窄波導(dǎo)底部 同軸線外導(dǎo)體8，同軸線外導(dǎo)體8底部為中心開(kāi)孔的短路板。窄波導(dǎo)底部同軸線外導(dǎo)體8底 部側(cè)壁具有切向氣流入口 12，窄波導(dǎo)底部同軸線外導(dǎo)體8沿中心軸線方向通過(guò)底部短路板的 中心孔放置有中空的同軸線內(nèi)導(dǎo)體9，同軸線內(nèi)導(dǎo)體9頂端為金屬?lài)娮?0，金屬?lài)娮?0位于 第三段矩形波導(dǎo)4中心下端圓孔處。窄波導(dǎo)頂部圓筒7和窄波導(dǎo)底部同軸線外導(dǎo)體8中放置 有一石英玻璃管ll。
如圖2所示，微波等離子體火炬漸變波導(dǎo)激勵(lì)腔工作時(shí)，微波源從第一段矩形波導(dǎo)2始 端金屬膜片5的開(kāi)孔處饋入。在三段波導(dǎo)中均傳輸TEu)波，由于始端膜片及終端短路板的作 用，于是形成了封閉的TEu)3模式的諧振腔，加上第三段波導(dǎo)的高度變窄，因此，在此雙重作 用下，位于第三段波導(dǎo)終端四分之一波長(zhǎng)處，的微波場(chǎng)強(qiáng)要比非諧振狀態(tài)下的場(chǎng)強(qiáng)大大地提 高了。該處電磁仿真計(jì)算表明，該處的微波場(chǎng)強(qiáng)是整個(gè)諧振腔內(nèi)最高的地方，這有利于大氣 進(jìn)入后的微波擊穿引發(fā)的持續(xù)放電，從而形成穩(wěn)定的等離子體火炬。第三段波導(dǎo)下面的同軸 線段在與波導(dǎo)底邊連接處，處于同軸線段電壓駐波的波腹處，其內(nèi)外導(dǎo)體間的微波場(chǎng)強(qiáng)最強(qiáng)， 因此，無(wú)需任何點(diǎn)火器或引燃極即能在該處產(chǎn)生初始電離并放電，從而過(guò)渡到石英管內(nèi)等離 子體火炬的產(chǎn)生與形成。
需要說(shuō)明的是1、石英玻璃管11提供等離子體火炬產(chǎn)生并維持的空間，同時(shí)放置過(guò)高 的等離子體火炬燒壞波導(dǎo)激勵(lì)腔；2、同軸線內(nèi)導(dǎo)體9中開(kāi)有一定孔徑的通孔，以提供空氣從 尾端送入，前端作為氣流的金屬?lài)娮熘茫?、在同軸線外導(dǎo)體8底部沿圓周切線方向開(kāi)有2 至4個(gè)小孔，以便從這些切向孔中送入切向渦旋氣流，使等離子體火炬保持穩(wěn)定并遠(yuǎn)離石英 管壁；4、在金屬短路板6上可開(kāi)3至5個(gè)觀察孔13，觀察孔13同時(shí)可用作等離子體火炬溫
度測(cè)試孔。
本技術(shù)方案的最大特點(diǎn)是:通過(guò)壓縮波導(dǎo)窄邊高度和構(gòu)成TE1G3型諧振腔的雙重提高放電 區(qū)的微波場(chǎng)強(qiáng)措施，從而不僅省去了點(diǎn)火器或引燃極，而且也大大提高了微波功率的利用率 即微波放電的轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明在不采用任何點(diǎn)火器或引燃極的情況下，采用較小的微波功 率，就能借助此激勵(lì)腔能激發(fā)起大氣壓強(qiáng)(2105帕)下的微波等離子火炬(APT),裝置結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)換效率高，火炬電子溫度及電子密度高，工作穩(wěn)定。


圖1為本發(fā)明的微波等離子體火炬波導(dǎo)激勵(lì)腔的結(jié)構(gòu)側(cè)視剖面簡(jiǎn)圖。 圖2為本發(fā)明的微波等離子體火炬波導(dǎo)激勵(lì)腔的工作原理圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖1和實(shí)施案例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
本發(fā)明的實(shí)施案例結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖l所示，其中包括波導(dǎo)法蘭盤(pán)l，第一段矩形波導(dǎo)2，第 二段矩形漸變波導(dǎo)3，第三段高度壓縮窄波導(dǎo)4，帶孔金屬膜片5，金屬短路板6，窄波導(dǎo)頂 部圓筒7，窄波導(dǎo)底部同軸線外導(dǎo)體8，窄波導(dǎo)底部同軸線內(nèi)導(dǎo)體9，金屬?lài)娮霫O，石英玻璃 管ll，底部切向氣流入口12，在短路板中心位置上的觀察孔13，產(chǎn)生的等離子體火炬14。
本實(shí)施案例的各部分具體參數(shù)尺寸說(shuō)明如下-
本施案例是根據(jù)微波源的工作頻率為2450MHz設(shè)計(jì)的，采用S波段BJ26標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)， 其波導(dǎo)內(nèi)壁尺寸為a=86.4mm， b=43.2mm;波導(dǎo)采用高電導(dǎo)率純銅制成，內(nèi)表面要求光潔 度極高，加工完成后，內(nèi)表面鍍銀，以提高諧振腔的固有品質(zhì)因數(shù)(Q。值)。三段波導(dǎo)的長(zhǎng)度 均為半個(gè)波導(dǎo)波長(zhǎng)即86.2mm;第一段矩形波導(dǎo)2由于存在帶孔膜片5，因金屬膜片5具有感 性電納分量，因此根據(jù)金屬膜片5中圓孔直徑大小(20至25mm)需要對(duì)第一段矩形波導(dǎo)2的 長(zhǎng)度作相應(yīng)的調(diào)整，并應(yīng)縮短3至8mm;高度壓縮矩形窄波導(dǎo)4的高度b尸8至20mm;石英 管ll中心離終端短路板6的距離為43mm;石英管11的內(nèi)徑可選擇(p=10至30mm;底部同 軸線8的軸向長(zhǎng)度約為30mm;觀察孔13直徑為3mm，數(shù)量為3至5個(gè)，頂部圓筒7起著截 止圓波導(dǎo)作用，防止微波功率從此處漏出。
在本激勵(lì)腔法蘭盤(pán)1前方應(yīng)連接BJ26的其它波導(dǎo)元件，如三銷(xiāo)釘調(diào)配器，環(huán)行器，定向 耦合器等，這些都是標(biāo)準(zhǔn)的常規(guī)元件，不屬于本發(fā)明的組成部分。
本實(shí)施案例的工作原理為由微波振蕩源(工作頻率f。-2450MHz)輸出的微波功率 (1.5kW)，經(jīng)檢測(cè)及控制元件后進(jìn)入本發(fā)明的激勵(lì)腔法蘭盤(pán)l，微波經(jīng)金屬膜片5的中心圓孔 進(jìn)入第一段矩形波導(dǎo)2，然后向第二段矩形漸變波導(dǎo)3傳輸，再繼續(xù)向第三段高度壓縮矩
窄波導(dǎo)4傳輸，當(dāng)微波抵達(dá)終端金屬短路板6后產(chǎn)生全反射，然后逆向從第三段波導(dǎo)向第二 第一段波導(dǎo)方向傳輸，直至到達(dá)帶孔膜片5，部分功率從孔中漏出，但大量微波功率卻從膜 片5產(chǎn)生反射，于是又向第一、第二、第三波導(dǎo)方向傳輸，當(dāng)三段波導(dǎo)總長(zhǎng)度滿(mǎn)足半波長(zhǎng)整 數(shù)倍時(shí)，即能滿(mǎn)足諧振條件，從而產(chǎn)生諧振，本案例的半波長(zhǎng)數(shù)為n=3，因此諧振模式為T(mén)E1()3。 諧振時(shí)，石英玻璃管中心線上的場(chǎng)強(qiáng)最大，處于諧振后的駐波波腹位置，如圖2所示。當(dāng)空 氣或氮?dú)鈴慕饘賴(lài)娮?0中噴出時(shí)，就會(huì)在噴嘴附近產(chǎn)生初始電離，從而由于雪崩效應(yīng)在石英 管內(nèi)產(chǎn)生并形成等離子體火炬14?；鹁嫘纬珊?，從激勵(lì)腔反射的功率很小，同時(shí)維持火炬的 微波功率也可大大降低，這與理論分析相符。在上述功率下可產(chǎn)生長(zhǎng)為20cm以上的火炬， 溫度在3000k以上。
上述案例僅為舉例說(shuō)明應(yīng)用的個(gè)案，凡依據(jù)本發(fā)明所述結(jié)構(gòu)的其它頻段，如L波段，S 波段，C波段，X波段，或同一頻段的不同波導(dǎo)尺寸如BJ22等的各種具體尺寸的激勵(lì)腔均屬 于本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1、一種微波等離子體火炬波導(dǎo)激勵(lì)腔，包括三段固定連接的矩形波導(dǎo)，每段矩形波導(dǎo)的長(zhǎng)度均為二分之一波導(dǎo)波長(zhǎng)，第一段矩形波導(dǎo)(2)的寬邊長(zhǎng)為a，窄邊長(zhǎng)為b；第二段矩形波導(dǎo)(3)為漸變矩形波導(dǎo)，與第一段矩形波導(dǎo)相連的始端的寬邊長(zhǎng)為a、窄邊長(zhǎng)為b，與第三段矩形波導(dǎo)(4)相連的終端的寬邊長(zhǎng)為a、窄邊長(zhǎng)為b1，且b1<b；第三段矩形波導(dǎo)(4)為高度壓縮的矩形窄波導(dǎo)，寬邊長(zhǎng)為a、窄邊長(zhǎng)為b1；第一段矩形波導(dǎo)(2)始端通過(guò)波導(dǎo)法蘭盤(pán)(1)固定連接有一中間開(kāi)孔的金屬膜片(5)；第三段矩形波導(dǎo)的終端為封閉的金屬短路板(6)；第三段矩形波導(dǎo)(4)寬邊的上下兩面中心線上各開(kāi)有一圓孔，上端圓孔上方固定連接有窄波導(dǎo)頂部圓筒(7)，下端圓孔下方固定連接有窄波導(dǎo)底部同軸線外導(dǎo)體(8)，同軸線外導(dǎo)體(8)底部為中心開(kāi)孔的短路板；窄波導(dǎo)底部同軸線外導(dǎo)體(8)底部側(cè)壁具有切向氣流入口(12)，窄波導(dǎo)底部同軸線外導(dǎo)體(8)沿中心軸線方向通過(guò)底部短路板的中心孔放置有中空的同軸線內(nèi)導(dǎo)體(9)，同軸線內(nèi)導(dǎo)體(9)頂端為金屬?lài)娮?10)，金屬?lài)娮?10)位于第三段矩形波導(dǎo)(4)中心下端圓孔處。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波等離子體火炬波導(dǎo)激勵(lì)腔，其特征在于，所述第三段高度 壓縮矩形窄波導(dǎo)(4)的頂部圓筒(7)和底部同軸線外導(dǎo)體(8)中放置有一石英玻璃管(11)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波等離子體火炬波導(dǎo)激勵(lì)腔，其特征在于，在所述同軸線外 導(dǎo)體(8)底部沿圓周切線方向開(kāi)有2至4個(gè)小孔，以便從這些切向孔中送入切向渦旋氣流， 使等離子體火炬保持穩(wěn)定并遠(yuǎn)離石英玻璃管壁。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微波等離子體火炬波導(dǎo)激勵(lì)腔，其特征在于，在所述金屬短路 板(6)上開(kāi)有3至5個(gè)觀察孔(13)，觀察孔(13)同時(shí)可用作等離子體火炬溫度測(cè)試孔。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波等離子體火炬波導(dǎo)激勵(lì)腔，其特征在于，所述三段矩形波 導(dǎo)采用純銅制成，內(nèi)表面鍍銀。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1至5所述的微波等離子體火炬波導(dǎo)激勵(lì)腔，其特征在于，所述三段矩 形波導(dǎo)采用S波段BJ26標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)，長(zhǎng)度為86.2毫米；其中，第一段矩形波導(dǎo)(2)寬邊 長(zhǎng)『86.4毫米，窄邊長(zhǎng)b-43.2毫米；第二段矩形漸變波導(dǎo)(3)始端寬邊長(zhǎng)a=86.4毫米，窄 邊長(zhǎng)b:43,2毫米；第二段矩形漸變波導(dǎo)(3)終端寬邊長(zhǎng)&=86.4毫米，窄邊長(zhǎng)b尸8至20毫 米；第三段高度壓縮矩形窄波導(dǎo)(4)寬邊長(zhǎng)a=86.4毫米，窄邊長(zhǎng)b產(chǎn)8至20毫米；金屬膜 片(5)中心圓孔直徑為20至25毫米；根據(jù)金屬膜片(5)中心圓孔直徑大小對(duì)對(duì)第一段矩 形波導(dǎo)(2)的長(zhǎng)度作相應(yīng)的調(diào)整，并應(yīng)縮短3至8毫米。
全文摘要
一種微波等離子體火炬波導(dǎo)激勵(lì)腔，屬于微波等離子火炬激勵(lì)技術(shù)領(lǐng)域，涉及高壓強(qiáng)下，無(wú)內(nèi)置點(diǎn)火器的大氣微波等離子火炬(APT)激勵(lì)腔。該激勵(lì)腔由三段波導(dǎo)及一帶孔金屬膜片和一短路板組成。本發(fā)明通過(guò)壓縮波導(dǎo)窄邊高度和構(gòu)成TE₁₀₃型諧振腔的雙重提高放電區(qū)的微波場(chǎng)強(qiáng)措施，從而不僅省去了點(diǎn)火器或引燃極，而且也大大提高了微波功率的利用率即微波放電的轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明在不采用任何點(diǎn)火器或引燃極的情況下，采用較小的微波功率，就能借助此激勵(lì)腔能激發(fā)起大氣壓強(qiáng)下的微波等離子火炬(APT)，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)換效率高，火炬電子溫度及電子密度高，工作穩(wěn)定。本發(fā)明可應(yīng)用于諸多微波工業(yè)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，尤其是作為各種鍋爐內(nèi)燃燒體的點(diǎn)火器之用。
文檔編號(hào)H01J37/32GK101378615SQ20081004626
公開(kāi)日2009年3月4日 申請(qǐng)日期2008年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月13日
發(fā)明者張兆鏜, 玲 童, 彥 陳, 博 高 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)