基于脊波导匹配的微波等离子体激发装置及尺寸确定方法

摘要

本发明公开了一种基于脊波导匹配的微波等离子体激发装置及尺寸确定方法，它包括等离子体激发腔体（30），其特征在于：矩形波导喇叭（10）与脊波导匹配段（20）连接；脊波导匹配段（20）与等离子体激发腔体（30）连接；等离子体激发腔体（30）中心位置设置有垂直于离子体激发腔体（30）的石英管（60）；解决了现有技术的等离子体激发装置存在的对电场的增强有限、放电区域的电场聚焦不够，电场分布没有有效地集中于放电区域，需要较高的微波输入功率才能激发等离子体，对微波源的要求较高；（3）等离子体激发后无法有效散热，导致微波反射功率较大，进一步导致微波到等离子体的能量转化效率有限等技术问题。

说明书

技术领域

本发明属于等离子技术领域，尤其涉及一种基于脊波导匹配的微波等离子体激发装置及尺寸确定方法。

背景技术

等离子体是一种由大量电子、离子和中性粒子所组成的，宏观呈中性的物质的聚集状态，可由直流、交流、射频和微波激发气体获得。相比于其它三种激发方式，微波等离子体具有无电极、高能量密度、高能量转化效率的优势，并且可以在气压为几帕至几十个大气压下操作。目前，微波等离子体已广泛应用于特殊固体垃圾处理、废气处理、材料表面改性以及纳米材料合成等领域。

为了获得高电子密度、高电子温度和高气体温度的等离子体，工业上多采用基于波导结构的大气压微波等离子体源，其产生的等离子体类似于火炬形状，里面含有大量化学性质活泼的基团和能量较高的电子。相较于微带和同轴结构的微波等离子体源，基于波导结构的微波等离子体源更适用于大功率的高温应用，如特殊垃圾处理、材料表面改性和纳米材料合成等领域。

传统波导结构的微波等离子体源即传统压缩波导都是通过固定波导底部并压缩波导的窄边，来实现放电区域的局部电场增强。然而该结构存在如下不足，造成了大规模应用困难：

（1）对电场的增强有限，压缩高度不够会导致电场场强增幅太小，压缩高度太多将导致微波反射过大，能量利用率降低；

（2）放电区域的电场聚焦不够，电场分布没有有效地集中于放电区域，需要较高的微波输入功率才能激发等离子体，对微波源的要求较高；

（3）等离子体激发后无法有效散热，导致微波反射功率较大，进一步导致微波到等离子体的能量转化效率有限。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于脊波导匹配的微波等离子体激发装置及尺寸确定方法，以解决现有技术的等离子体激发装置存在的：（1）对电场的增强有限，压缩高度不够会导致电场场强增幅太小，压缩高度太多将导致微波反射过大，能量利用率降低；（2）放电区域的电场聚焦不够，电场分布没有有效地集中于放电区域，需要较高的微波输入功率才能激发等离子体，对微波源的要求较高；（3）等离子体激发后无法有效散热，导致微波反射功率较大，进一步导致微波到等离子体的能量转化效率有限等技术问题。

本发明的技术方案是：

一种基于脊波导匹配的微波等离子体激发装置，它包括等离子体激发腔体，矩形波导喇叭与脊波导匹配段连接；脊波导匹配段与等离子体激发腔体连接；等离子体激发腔体中心位置设置有垂直于离子体激发腔体的石英管。

脊波导匹配段内顶部和底部分别固定有第一金属脊和第二金属脊；第一金属脊和第二金属脊设置于脊波导匹配段的中心位置处，第一金属脊和第二金属脊为两个相同的矩形金属块，宽度与脊波导匹配段一致，长度和高度均小于脊波导匹配段的长度和高度。

矩形波导喇叭前端连接有标准BJ-22法兰盘作为标准BJ-22矩形波导口用作微波馈入；所述矩形波导喇叭和脊波导匹配段通过焊接连接；所述矩形波导喇叭渐变压缩并反向放置。

脊波导匹配段与等离子体激发腔体通过矩形法兰盘连接。

等离子体激发腔体中心位置处开有半径大于石英管半径的圆形孔，相较于标准BJ-22矩形波导，其长宽高都进行了压缩。

所述等离子体激发腔体顶部设置有水冷装置，所述水冷装置垂直设置于等离子体激发腔体的正上方；水冷装置的进水口和出水口设置在水冷装置侧面；进水口位于出水口下方；所述水冷装置中心位置处开有半径大于石英管半径的圆形孔，石英管穿过水冷装置中心位置处的圆形孔后伸出水冷装置。

等离子体激发腔体底部设置有进气装置，进气装置包括第一进气口和第二进气口；第一进气口和第二进气口呈一定角度设置实现螺旋进气，用于带走石英管内部及管壁周围的热量；进气装置中心位置处开有半径大于石英管半径的圆形孔。

等离子体激发腔体的中心位置处开有直径为30mm的孔，用于插入束缚等离子体的石英管，石英管直径小于开孔直径；所述石英管外侧设置有圆柱形金属套筒，所述圆柱形金属套筒用于增强等离子体与石英管之间的表面波传播，圆柱形金属套筒高度小于石英管高度；相对BJ-22矩形波导，所述等离子体激发腔体的长宽高同时压缩。

所述的一种基于脊波导匹配的微波等离子体激发装置的尺寸确定方法，微波等离子体激发装置的各个部件尺寸通过有限元算法进行仿真优化确定。

所述微波等离子体激发装置的各个部件尺寸通过有限元算法进行仿真优化确定，具体步骤包括：

步骤a.定义变量：对矩形波导喇叭的长度及横截面的宽度和高度、脊波导匹配段的长度及横截面的宽度和高度、两个金属脊的长度、宽度和高度、等离子体激发腔体的长度、宽度和高度分别定义为不同变量，通过改变这些变量的数值对等离子体激发腔体中的电场进行仿真计算；

步骤b.几何建模：根据步骤a中定义的变量，构建矩形波导喇叭、脊波导匹配段、第一金属脊和第二金属脊、等离子体激发腔体、水冷装置、进水口、出水口、进气装置、第一进气口和第二进气口及石英管的几何模型，即进行参数化建模；

步骤c.创建边界：通过步骤b中构建的几何模型，分别赋予矩形波导喇叭前端波导激励边界，赋予矩形波导喇叭、脊波导匹配段和等离子体激发腔体模型四周电导体边界，赋予进气装置四周壁边界，第一进气口和第二进气口流速边界，石英管顶部出气口边界；

步骤d.定义材料：根据步骤b中构建的模型，定义矩形波导喇叭、脊波导匹配段、第一金属脊和第二金属脊、等离子体激发腔体、水冷装置、进水口、出水口、进气装置、第一进气口和第二进气口的四周的壁为金属材料，内部空间为空气材料、定义石英管为石英材料；

步骤e.设置物理场：设置完材料之后，分别为矩形波导喇叭、脊波导匹配段、第一金属脊和第二金属脊、等离子体激发腔体、水冷装置、进水口、出水口、进气装置、第一进气口、第二进气口和石英管赋予频域电磁波传播物理场，为进气装置、第一进气口和第二进气口赋予湍流流动物理场；

步骤f.划分网格：对矩形波导喇叭、脊波导匹配段、第一金属脊和第二金属脊、等离子体激发腔体、水冷装置、进水口、出水口、进气装置、第一进气口、第二进气口和石英管划分四面体网格，网格尺寸为波长的二十分之一，对等离子体激发腔体及石英管进行网格加密，加密尺寸为波长的三十分之一；

步骤g.扫描计算：在定义变量的所有可能的取值范围内进行扫描计算，计算出所有变量值的排列组合下电场的分布结果，找出等离子体激发腔体内电场分布最聚焦、电场值最大时的变量组合作为最优结果。

一种基于脊波导匹配的微波等离子体激发装置级联结构的实现方法，它包括：将微波等离子体激发装置的石英管顶端与微波等离子体激发装置的石英管底端连接实现级联。

本发明的有益效果是：

本发明仅通过一个渐变压缩并反向放置的矩形波导喇叭、一个加载有矩形金属脊的匹配段和一个窄边和宽边同时压缩的等离子体激发腔体，实现了电场在放电区域中心位置的有效增强和聚焦，并降低了微波反射，在相同功率下，电场幅值是传统压缩波导的2.6倍，可实现等离子体的高效激发。

本发明结构简单，成本低廉，易于加工，可用成熟的车床加工工艺实现，适用于大规模的工业应用。

本发明可级联，即通过将等离子体激发腔体上表面与另一等离子体激发腔体下表面连接，石英管上端与另一石英管下端连接，实现功率的叠加，增加等离子体的长度。

解决了现有技术的等离子体激发装置存在的：（1）对电场的增强有限，压缩高度不够会导致电场场强增幅太小，压缩高度太多将导致微波反射过大，能量利用率降低；（2）放电区域的电场聚焦不够，电场分布没有有效地集中于放电区域，需要较高的微波输入功率才能激发等离子体，对微波源的要求较高；（3）等离子体激发后无法有效散热，导致微波反射功率较大，进一步导致微波到等离子体的能量转化效率有限等技术问题。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明与现有技术的电场仿真对比示意图；

图3为本发明矩形波导喇叭和脊波导匹配段的结构示意图；

图4为本发明水冷装置结构示意图；

图5为本发明进气装置结构示意图；

图6为本发明的级联结构示意图；

图中：10为矩形波导喇叭；20为脊波导匹配段；21为第一金属脊；22为第二金属脊；30为等离子体激发腔体；40为水冷装置；41为进水口；42为出水口；50为进气装置；51为第一进气口；52为第二进气口；60为石英管；70为标准BJ-22法兰盘；80为矩形法兰盘。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明公开的一种基于脊波导匹配的微波等离子体激发装置，包括矩形波导喇叭10、脊波导匹配段20、等离子体激发腔体30、水冷装置40、进气装置50、石英管60、标准BJ-22法兰盘70、矩形法兰盘80；所述脊波导匹配段20还包括上下第一金属脊21和第二金属脊22；所述水冷装置40还包括进水口41和出水口42；所述进气装置50还包括第一进气口51和第二进气口52；所述矩形波导喇叭10前端为标准BJ-22矩形波导，用于微波馈入；所述矩形波导喇叭10和脊波导匹配段20通过焊接工艺连接；所述脊波导匹配段20通过矩形法兰盘80与等离子体激发腔体30连接；所述第一金属脊21和第二金属脊22为两个相同的矩形金属块，分别设置于脊波导匹配段20的顶部和底部，其宽度与脊波导匹配段20一致，长度和高度均小于脊波导匹配段20的长度和高度；所述等离子体激发腔体30中心位置处开有半径略大于石英管60半径的圆形孔，相较于标准BJ-22矩形波导，其长宽高都进行了压缩，从而有效增强了中心位置处的电场强度；所述水冷装置40垂直设置于等离子体激发腔体30的正上方；所述进气装置50垂直设置于等离子体激发腔体30的正下方；所述水冷装置40中心位置处开有半径略大于石英管60半径的圆形孔，且该装置为循环水冷结构，用于带走石英管外部的热量；所述进气装置50中心位置处开有半径略大于石英管60半径的圆形孔，第一进气口51和第二进气口52呈一定角度设置，实现螺旋进气，用于带走石英管内部、特别是管壁周围的热量；角度为60-90度；所述石英管60为中空的石英圆筒，且垂直放置于等离子体激发装置30、水冷装置40及进气装置50中心位置处的圆形孔中，三者位置为同轴关系，其底部和顶部分别用于进气和出气，其插入圆形孔后的高度略高于水冷装置40。

进一步，由于矩形波导喇叭10和脊波导匹配段20的作用，电场能够充分聚焦于等离子体激发腔体30的中心位置；所述等离子体激发腔体30的窄边和宽边都进行了压缩，电场强度得到有效增强；所述矩形波导喇叭10、脊波导匹配段20及等离子体激发腔体30的尺寸通过有限元算法进行仿真优化。

仿真过程：

a.定义变量：对矩形波导喇叭10的长度及其横截面的宽度和高度，脊波导匹配段20的长度及其横截面的宽度和高度、第一金属脊21和第二金属脊22的长度、宽度和高度、等离子体激发腔体30的长度、宽度和高度等分别定义为不同变量，通过改变这些变量的数值对等离子体激发腔体30中的电场进行仿真计算；

b.几何建模：根据a中定义的变量，构建矩形波导喇叭10、脊波导匹配段20、第一金属脊21和第二金属脊22、等离子体激发腔体30、水冷装置40、进水口41、出水口42、进气装置50、第一进气口51和第二进气口52及石英管60的几何模型，即进行参数化建模；

c.创建边界：由b中构建的模型，分别赋予矩形波导喇叭10前端波导激励边界，赋予矩形波导喇叭10、脊波导匹配段20、等离子体激发腔体30模型四周电导体边界，赋予进气装置50四周壁边界，第一进气口51和第二进气口52流速边界，石英管60顶部出气口边界；

d.定义材料：此外，根据b中构建的模型，定义矩形波导喇叭10、脊波导匹配段20、第一金属脊21和第二金属脊22、等离子体激发腔体30、水冷装置40、进水口41、出水口42、进气装置50、第一进气口51和第二进气口52的四周的壁为金属材料，内部空间为空气材料、定义石英管60为石英材料；

e.设置物理场：设置完材料之后，分别为矩形波导喇叭10、脊波导匹配段20、第一金属脊21和第二金属脊22、等离子体激发腔体30、水冷装置40、进水口41、出水口42、进气装置50、第一进气口51和第二进气口52、石英管60赋予频域电磁波传播物理场，为进气装置50、第一进气口51和第二进气口52赋予湍流流动物理场；

f.划分网格：进一步，对矩形波导喇叭10、脊波导匹配段20、第一金属脊21和第二金属脊22、水冷装置40、进水口41、出水口42、进气装置50、第一进气口51和第二进气口52、石英管60划分四面体网格，网格尺寸为波长的二十分之一，对等离子体激发腔体30及石英管60进行网格加密，加密尺寸为波长的三十分之一;

g.扫描计算：最后，在定义变量的所有可能的取值范围内进行扫描计算，计算出所有变量值的排列组合下电场的分布结果，找出等离子体激发腔体30内电场分布最聚焦、电场值最大时的变量组合作为最优结果.

进一步，所述等离子体激发腔体30的中心位置处开有直径为30mm的孔，用于插入束缚等离子体的石英管，石英管直径小于开孔直径。进一步，所述石英管外还设置有圆柱形金属套筒，所述金属套筒的直径大于所述石英管直径，用于增强等离子体与石英管之间的表面波传播，其高度小于石英管高度，便于观察等离子体的状态。

作为优选，所述等离子体激发腔体30可进行级联，具体的是等离子体激发腔体30的上表面与另一等离子体激发腔体的下表面连接，石英管上端与另一石英管下端连接，实现功率的叠加，增加等离子体的长度。

进一步，所述进气装置采用螺旋进气结构，可有效带走石英管内表面的等离子体热量。

进一步，所述水冷装置采用循环水冷方式，在冷却石英管外部的同时，节约了水资源。

如图1本发明的结构示意图所示，微波通过标准矩形BJ-22波导口进入矩形波导喇叭10，其渐变压缩的结构在减小微波反射的同时，增加了电场幅值，平滑渐变的结构更易于加工。为了使微波顺利到达等离子体激发腔体30而不被反射，中间增加了脊波导匹配段20，通过在其顶部和底部分别设置两个相同的矩形金属脊21和22，等效于增加了整个回路的容抗，从而实现了阻抗匹配，脊波导匹配段20的长宽高以及第一金属脊21和第二金属脊22的长宽高通过有限元算法进行了优化。微波传播到等离子体激发腔体30中，电场聚焦于中心位置处，在中心位置处开孔并设置石英管，用于激发和束缚等离子体。通过仿真对比，在相同微波输入功率下，本发明在等离子体激发腔体30中心位置处产生的电场强度最大值是传统压缩波导的2.6倍，由此可以以更低的微波功率激发等离子体，并且提高微波到等离子体的能量转换效率。

如图2本发明与传统压缩波导的电场仿真对比示意图所示。从图中可以看出，在相同微波输入功率下，本发明在等离子体激发腔体30的中心位置处产生的电场强度最大值是传统压缩波导的2.6倍。表明本发明具有更好的增强电场、聚焦电场的特性。

如图3本发明的矩形波导喇叭和脊波导匹配段的结构示意图所示，脊波导匹配段20的横截面与矩形波导喇叭10压缩一侧的横截面一致，上下第一金属脊21和第二金属脊22设置于匹配段中心位置处，金属脊21和22的宽度与匹配段宽度一致，具有电容特性，等效于增加了回路的容抗，从而实现标准BJ-22矩形波导到等离子体激发腔体的阻抗匹配。

如图4所示为本发明的水冷装置结构示意图，采用循环水冷结构，在达到有效冷却石英管外部区域的目的的同时，节约水资源。

如图5所示为本发明的进气装置结构示意图，采用螺旋进气结构，可以有效带走等离子体热量，达到保护石英管内表面不受损坏的目的，同时降低了因无法有效对等离子体降温而导致的微波反射。

如图6所示为本发明的级联结构示意图，通过将等离子体激发腔体30上表面与另一等离子体激发腔体下表面连接，石英管60上端与另一石英管下端连接，实现功率的叠加，增加等离子体的长度。

本发明公开的一种基于脊波导匹配的微波等离子体激发装置，通过压缩并反向放置的矩形波导喇叭10以及优化的脊波导匹配段20实现了标准BJ-22矩形波导到等离子体激发腔体30的阻抗匹配，从而将电场充分聚焦于等离子体激发腔体30的中心位置处，并使电场强度有效提高。在相同的微波功率输入条件下，本发明在放电区域处所产生的电场强度是传统压缩波导的2.6倍，能够实现等离子体的高效激发，提高微波到等离子体的能量转化效率。

本发明并不局限于上述实施方式，如果对发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求的等同技术范围之内，则都应落入本发明的保护范围。