本發(fā)明涉及微波等離子，更具體的是涉及一種基于電子回旋共振的等離子體炬及其簡化仿真方法。

背景技術(shù)：

1、低溫等離子體技術(shù)是一種先進的加工和應(yīng)用技術(shù)，利用低能電磁場或微波激發(fā)等離子體狀態(tài)。常見方法包括電容耦合等離子體、電感耦合等離子體、表面等離子體波、螺旋波等離子體和微波等離子體。這些方法在材料加工、表面改性、清潔刻蝕、納米材料合成和環(huán)境治理等方面具有廣泛的應(yīng)用潛力。低溫等離子體技術(shù)具備高效、精準(zhǔn)控制和環(huán)保等優(yōu)勢，因此在科研和工業(yè)應(yīng)用中越來越受到關(guān)注和采用。

2、表面等離子體波(spw)是一種電磁表面波，它在金屬表面附近傳播。這種波動產(chǎn)生于金屬表面的自由電子與光子相互作用，形成電子濃度梯度分布，并被束縛在表面的等離子體震蕩波中。表面等離子體波在納米光電子學(xué)、數(shù)據(jù)存儲、顯微鏡、光波導(dǎo)等領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。在等離子體外面產(chǎn)生的電磁波可以傳播到等離子體中，或者沿著等離子體表面?zhèn)鞑?，直至最終被等離子體吸收，在這些過程中，電磁波的作用是產(chǎn)生和維持等離子體放電，并加熱等離子體中的而電子。

3、其中，微波等離子體(mwp)是一種利用微波頻率(2.45ghz或915mhz)的電磁波激發(fā)等離子體狀態(tài)的先進加工技術(shù)。通過將微波能量引入氣體或液體介質(zhì)中，使其原子或分子電離，從而形成等離子體。這種技術(shù)因其能夠?qū)崿F(xiàn)精確的局部加熱和體積加熱而備受關(guān)注。在材料合成、能源開發(fā)及環(huán)境治理等領(lǐng)域，微波等離子體都展示了廣泛的應(yīng)用前景。電子回旋共振(ecr)微波等離子體電子回旋共振(ecr)微波等離子體是利用高頻微波與直流線圈提供的恒定磁場共同作用，使電子在磁場中回旋并受到微波能量激發(fā)而產(chǎn)生的等離子體。這種技術(shù)產(chǎn)生的等離子體具有較高的密度和溫度，廣泛應(yīng)用于高能量處理和精細材料加工領(lǐng)域。

4、現(xiàn)有的微波等離子體裝置魯棒性差，電子能量密度低，容易刻蝕反應(yīng)腔的外壁，在改變氣體種類、氣體濃度、壓強以及輸入功率等條件時，等離子體形態(tài)易發(fā)生較大的變化，等離子體負(fù)載吸收微波能力變化大，容易產(chǎn)生較大的反射，微波到等離子體的效率低。通過在放電區(qū)添加強磁場可以使電子繞磁力線回旋運動，增加了電子在放電區(qū)域的運動路徑，使得電子與電磁波的相互作用更強，更有助于電子吸收能量并提高等離子體均勻性。然而，目前已有的電子回旋共振等離子體(ecr)中磁場直流線圈位于微波場外，無法提高微波到等離子體的效率。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于：為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于電子回旋共振的等離子體炬及其簡化仿真方法。

2、本發(fā)明為了實現(xiàn)上述目的具體采用以下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明的一個方面提供一種基于電子回旋共振的等離子體炬，包括矩形波導(dǎo)管、對稱設(shè)置在矩形波導(dǎo)管上的兩個圓波導(dǎo)管，矩形波導(dǎo)管的長度方向與圓波導(dǎo)管的中心線正交，圓波導(dǎo)管與矩形波導(dǎo)管內(nèi)部貫通，還包括微波等離子體放電管，微波等離子體放電管貫穿矩形波導(dǎo)管和兩個圓波導(dǎo)管的石英管，石英管上等間距纏繞有直流線圈，石英管內(nèi)為等離子體放電區(qū)；

4、矩形波導(dǎo)管內(nèi)部遠離微波入口一側(cè)滑動設(shè)置有可調(diào)節(jié)短路面，矩形波導(dǎo)管端部設(shè)置有調(diào)節(jié)可調(diào)節(jié)短路面位置的位置調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。

5、具體來說，在微波輸入的情況下(微波源的功率選用1w)，無直流線圈時系統(tǒng)中的電場分布如圖2，微波從矩形波導(dǎo)管的輸入端口饋入，可以發(fā)現(xiàn)矩形波導(dǎo)的te10模式在諧振腔中呈現(xiàn)出駐波分布的特點，此時石英管的放置位置正好處于電場最強的波腹位置。此時產(chǎn)生的場強值較小，僅有103數(shù)量級。

6、本方案是基于微波等離子體放電模型，結(jié)合電子回旋共振的思路，通過在電磁場中引入等間距的直流線圈來提高局部電場，從而增加等離子體的激發(fā)效率。此外，為直流線圈提供直流電還可以引入恒定磁場，從而約束電子運動軌跡，提高等離子體的均勻性。此外，通過對直流線圈中電流與電壓的調(diào)制，還可以提高等離子體的維持效率。

7、為了提高石英管中的電場強度，因此，在上述結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上添加直流線圈并進行優(yōu)化，調(diào)整直流線圈纏繞的匝數(shù)與相鄰兩匝之間的間距。如圖3所示；

8、在一個實施方式中，矩形波導(dǎo)管一端為微波入口，微波入口與磁控管連接。

9、具體來說，磁控管是一種用來產(chǎn)生微波能的電真空器件，實質(zhì)上是一個置于恒定磁場中的二極管。其作用是在相互垂直的恒定磁場和恒定電場的控制下，使管內(nèi)電子與高頻電磁場發(fā)生相互作用，把從恒定電場中獲得的能量轉(zhuǎn)變成微波能量。

10、在一個實施方式中，矩形波導(dǎo)管的起始頻率為1.72ghz，終止頻率為2.61ghz，截面長為109.22mm，寬為54.61mm。

11、具體來說，矩形波導(dǎo)管為規(guī)格為中國標(biāo)準(zhǔn)bj22的矩形波導(dǎo)管，其起始頻率為1.72ghz，終止頻率為2.61ghz，截面長109.22mm，寬54.61mm。

12、在一個實施方式中，位于圓波導(dǎo)管與磁控管之間的矩形波導(dǎo)管上設(shè)置有多個用于調(diào)節(jié)阻抗匹配和改善傳輸效率的調(diào)節(jié)銷釘。

13、具體來說，調(diào)節(jié)銷釘?shù)闹饕饔冒ㄕ{(diào)節(jié)阻抗匹配、改善傳輸效率、微調(diào)工作頻率以及拓寬頻響范圍。相關(guān)參考內(nèi)容如下所示：

14、阻抗匹配，改善傳輸效率：微波系統(tǒng)通常由多個不同特性的部件組成，不同部件之間可能存在阻抗不匹配的情況。調(diào)節(jié)銷釘通過調(diào)整其在傳輸線中的位置和深度，可以改變傳輸線的等效阻抗，從而實現(xiàn)與前后級電路或器件的阻抗匹配。當(dāng)系統(tǒng)達到阻抗匹配狀態(tài)時，微波能量能夠最大限度地從一個部件傳輸?shù)搅硪粋€部件，減少反射和能量損耗，提高傳輸效率。減少駐波比：阻抗不匹配會導(dǎo)致微波在傳輸線上產(chǎn)生駐波。駐波比是衡量駐波程度的指標(biāo)，駐波比越大，說明系統(tǒng)中的反射波越強，傳輸效果越差。調(diào)節(jié)銷釘可以對駐波進行調(diào)節(jié)，通過調(diào)整銷釘?shù)膮?shù)，使得駐波比減小，使微波在傳輸線上的分布更加均勻，降低反射波的影響，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

15、微調(diào)工作頻率：微波系統(tǒng)的工作頻率可能會受到環(huán)境因素(如溫度、濕度)或器件老化等影響而發(fā)生偏移。調(diào)節(jié)銷釘可以對系統(tǒng)的頻率特性進行微調(diào)，使其回到設(shè)計的工作頻率。通過改變?nèi)N釘在腔體中的位置，可以調(diào)整腔體的諧振頻率，從而實現(xiàn)對整個微波系統(tǒng)工作頻率的調(diào)節(jié)。拓寬頻率響應(yīng)范圍：在一些應(yīng)用中，需要微波系統(tǒng)具有一定的頻率響應(yīng)范圍。調(diào)節(jié)銷釘可以在一定程度上改變系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性，使其能夠適應(yīng)不同頻率的微波信號輸入，拓寬系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

16、在一個實施方式中，直流線圈的兩端分別與直流電源發(fā)生器的正負(fù)極通過導(dǎo)線連接，石英管一端為進氣口，另一端連接有真空泵。

17、具體來說，真空泵用于提供等離子體放電所需的低壓環(huán)境，(有，無真空泵均可以放電，有真空泵為低壓放電，無真空泵為大氣壓放電)。

18、在一個實施方式中，位置調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)調(diào)整可調(diào)節(jié)短路面到微波等離子體放電管之間的距離，當(dāng)距離為(2*n+1)*λg/4時，電場最大，其中，n為自然數(shù)，λg為空氣中的波導(dǎo)波長，在2.45ghz下，λg約為171.8mm。

19、在一個實施方式中，石英管的厚度為2mm，是等離子體的放電區(qū)域，可以將等離子體束縛在管內(nèi)。

20、在一個實施方式中，圓波導(dǎo)管的直徑為32mm。

21、具體來說，為避免電磁波從圓波導(dǎo)管泄露，需限制圓波導(dǎo)管尺寸，該設(shè)備中圓波導(dǎo)管的直徑為32mm，從圖2仿真可知，此時微波在圓波導(dǎo)管中快速衰減。

22、本發(fā)明的另一個方面提供一種用于分析電子回旋共振的等離子體炬的簡化仿真方法，適用于上述的一種基于電子回旋共振的等離子體炬，包括如下步驟：

23、步驟s1、基于電場的亥姆赫茲方程，建立三維電場模型，分析電場分布，具體為確定矩形波導(dǎo)管的長度，圓波導(dǎo)管的直徑和長度，直流線圈的匝數(shù)與直流線圈間距；

24、

25、其中，e是電場強度，μr是相對磁導(dǎo)率，k0是電磁波波數(shù)，εr為相對介電常數(shù)，σ為電導(dǎo)率，ω為電磁波角頻率，ε0為真空中介電常數(shù)；

26、步驟s2、建立二維軸對稱磁場模型，將直流線圈參數(shù)帶入到磁場模型中，計算在不同的輸入功率下產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度：

27、

28、

29、其中，h為磁場強度，b為磁感應(yīng)密度，a為磁矢勢，j為電流密度；

30、步驟s3、耦合電磁仿真中參數(shù)，結(jié)合drude模型進行三維仿真，研究加入直流線圈前后微波到等離子體的能量效率；

31、步驟s4、建立二維微波-等離子體耦合聯(lián)合仿真模型，通過將中磁場參數(shù)和中電場參數(shù)，帶入到聯(lián)合仿真模型中計算直流線圈與磁場對微波等離子體產(chǎn)生的影響。

32、具體來說，目前沒有將磁場直流線圈放置在微波場內(nèi)的等離子體裝置的設(shè)計，該設(shè)計可以克服微波等離子體存在的放電不均勻的現(xiàn)象，同時直流線圈對電磁場有聚焦作用，有利于等離子體的激發(fā)。

33、另外，將直流線圈放置在微波場中的等離子體放電裝置結(jié)構(gòu)，結(jié)合comsol仿真程序，通過對電磁場，靜磁場(即對直流線圈中的電流或直流線圈兩端的電壓)進行調(diào)制實現(xiàn)等離子體的高效激發(fā)與維持，通過上述結(jié)構(gòu)提高等離子體的均勻性。

34、為什么要進行簡化仿真，自洽的三維電子回旋共振的等離子體模型計算量大，收斂性差，計算成本高，無法進行大范圍參數(shù)化掃描，難以用于指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。可以將該復(fù)雜的建模過程分成若干簡單模型，最終利用單項耦合方式將不同變量體現(xiàn)在同一模型中，大大降低模型計算成本。

35、本發(fā)明的有益效果如下：

36、本發(fā)明是基于微波等離子體放電模型，結(jié)合電子回旋共振的思路，通過在電磁場中引入等間距的直流線圈來提高局部電場，從而增加等離子體的激發(fā)效率。此外，為直流線圈提供直流電還可以引入恒定磁場，從而約束電子運動軌跡，提高等離子體的均勻性。此外，通過對直流線圈中電流與電壓的調(diào)制，還可以提高等離子體的維持效率。