一種大氣可調(diào)諧微波等離子炬裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于微波能應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種大氣可調(diào)諧微波等離子炬裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]等離子體又稱電漿，是一種不同于固液氣的第四種物質(zhì)形態(tài)。在足夠高的溫度或其他條件作用下，物質(zhì)原子中電子脫離束縛成為自由電子的過程叫做電離。這時(shí)，由帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子組成的物質(zhì)就是等離子體。電離的方法有射線照射、輝光放電、電暈放電、微波激發(fā)等離子體等方式。等離子體的研究分為低溫等離子體和高溫等離子體。等離子體溫度分別用電子溫度和離子溫度表示，兩者相等時(shí)稱為高溫等離子體，主要應(yīng)用于能源領(lǐng)域的可控核聚變；不等時(shí)則稱為低溫等離子體，可以應(yīng)用在材料表面處理與制備、等離子體冶煉、等離子體焊接、等離子體光譜分析等方面。低溫等離子體又可分為冷等離子體和熱等離子體。熱等離子體通常是稠密氣體電弧放電或高頻放電產(chǎn)生，溫度在上千乃至數(shù)萬K ;而冷等離子體溫度在100K-1000K之間，一般由激光或微波激發(fā)產(chǎn)生。
[0003]在各種等離子體中，微波等離子體具有許多優(yōu)點(diǎn)，如電離度高、適應(yīng)壓強(qiáng)范圍寬、電子密度高、微波和等離子體特性容易調(diào)控等。這些特性使得微波等離子體的研究不僅具有重要的科學(xué)意義，還有巨大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。目前，在微波等離子體表面處理與材料制備、微波等離子體光源、微波等離子體滅菌、微波點(diǎn)火器等方面進(jìn)行了大量研究并取得了顯著成效。在材料制備方面，包括微波等離子體化學(xué)氣相沉積技術(shù)進(jìn)行金剛石薄膜生長與納米碳管生產(chǎn)、微波等離子體產(chǎn)生甲烷制氫的研究等；在微波等離子體光源方面，主要用在原子光譜分析系統(tǒng)中，以ICP為代表的等離子體光源從上世紀(jì)60年代開始作為發(fā)射光譜分析的新光源，隨后發(fā)展起來的MIP、CMP和MPT各有優(yōu)缺點(diǎn)，但是基本都可以分析出元素周期表上大部分元素；在滅菌方面，微波等離子體滅菌技術(shù)是一種嶄新的滅菌方法，以其滅菌速度快、清潔可靠、能源利用率高等優(yōu)點(diǎn)受到人們的關(guān)注和研究應(yīng)用；在微波點(diǎn)火器方面，微波等離子體的應(yīng)用研究時(shí)間比較短，至今才二十多年，但也取得了不錯(cuò)的成績。2001年，Von Hagen J等人對(duì)一種四分之一波長同軸諧振腔進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并顯示出諧振頻率2.45GHz，在輸入功率35W和Ibar氣壓下，可以形成半徑2mm的等離子體火焰。2004年，Klaus Linkenheil等人根據(jù)四分之一波長同軸諧振腔理論設(shè)計(jì)出的一種新型火花塞，實(shí)驗(yàn)表明在輸入功率約50W和Ibar氣壓下可以擊穿空氣，從而產(chǎn)生等離子體。但是這兩種四分之一波長同軸諧振腔都具有功率需求高和缺少頻率調(diào)諧結(jié)構(gòu)等缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實(shí)用新型的目的是設(shè)計(jì)出一種功率需求低、多功能、小型化、大氣可調(diào)諧微波等離子炬裝置。這種微波等離子炬裝置既可取代傳統(tǒng)火花塞成為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火器，也可用于等離子體表面處理與等離子體光譜分析系統(tǒng)中。
[0005]本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是:
[0006]基于傳統(tǒng)四分之一波長同軸諧振腔的基本原理設(shè)計(jì)的一種大氣可調(diào)諧微波等離子炬裝置，包括同軸諧振腔外殼、設(shè)于腔體內(nèi)中軸線上的階梯圓柱形內(nèi)導(dǎo)體、同軸傳輸線以及調(diào)諧結(jié)構(gòu)，其特征在于調(diào)諧結(jié)構(gòu)包括與內(nèi)導(dǎo)體下部固定連接的內(nèi)壁帶螺紋的圓形桶、以及與外殼底面固定連接的外壁帶螺紋的圓形壁，圓形桶的螺紋與圓形壁的螺紋相匹配，通過調(diào)諧結(jié)構(gòu)可以調(diào)節(jié)腔內(nèi)的內(nèi)導(dǎo)體長度，進(jìn)行頻率調(diào)諧，并且還可以起到固定內(nèi)導(dǎo)體的作用。
[0007]所述階梯圓柱形內(nèi)導(dǎo)體為兩段半徑不等的圓柱體連接而成，下半部分圓柱體的半徑小于上半部分圓柱體的半徑，內(nèi)導(dǎo)體為階梯圓柱形使得耦合更好。
[0008]所述同軸傳輸線設(shè)置于同軸諧振腔外殼的下部分，其內(nèi)導(dǎo)體穿過同軸諧振腔外殼，且直角彎折與同軸諧振腔底部相連接，其內(nèi)導(dǎo)體為耦合結(jié)構(gòu)。
[0009]所述同軸諧振腔外殼包含的腔體的下部分為圓柱體，上部分為頂部開口的圓錐體，腔體錐形漸變方式收窄開口端能夠減少輻射損耗，并且使得腔體高度更短，從而減小腔體體積。
[0010]所述同軸諧振腔外殼的上半部分外壁設(shè)置有螺紋，有利于該裝置與其他器件相連接。
[0011]本實(shí)用新型的小型化、大氣可調(diào)諧微波等離子炬裝置繼承了傳統(tǒng)四分之一波長同軸諧振腔的電磁場(chǎng)能量集中與低損耗等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)有的四分之一波長同軸諧振腔，調(diào)諧結(jié)構(gòu)一般采用調(diào)諧活塞進(jìn)行調(diào)諧，但是這種調(diào)諧活塞加工復(fù)雜、難以控制，因此在腔體底部設(shè)計(jì)一個(gè)與階梯圓柱形內(nèi)導(dǎo)體直接相連的調(diào)諧結(jié)構(gòu)，既可以進(jìn)行頻率調(diào)諧，還使得加工簡(jiǎn)便；采用諧振腔體錐形漸變方式可以使得同軸內(nèi)導(dǎo)體尖端電場(chǎng)達(dá)到106v/m量級(jí)的同時(shí)，內(nèi)導(dǎo)體直徑不至于太小，從而增長了其使用壽命。
【附圖說明】
[0012]圖1.為本實(shí)用新型一種大氣可調(diào)諧微波等離子炬裝置實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]附圖標(biāo)號(hào)說明:1.階梯圓柱形內(nèi)導(dǎo)體，2.同軸諧振腔外殼，3.同軸傳輸線，4.調(diào)諧結(jié)構(gòu)。
【具體實(shí)施方式】
[0014]—種大氣可調(diào)諧微波等離子炬裝置包括同軸諧振腔外殼(2)、設(shè)于腔體內(nèi)中軸線上的階梯圓柱形內(nèi)導(dǎo)體(I)、同軸傳輸線⑶以及調(diào)諧結(jié)構(gòu)(4)。
[0015]同軸諧振腔外殼(2)包含的下部分圓柱體腔體的直徑為12.8mm、高度為5mm，上部分圓錐體腔體的底面直徑為12.8mm、高度為21.5mm、腔體頂部開口直徑為7mm，底部及下部分外殼厚度為2mm，外殼材料為紫銅。
[0016]階梯圓柱形內(nèi)導(dǎo)體(I)的上部分直徑為2mm、長度為24.5mm，下部分直徑為1.4mm,長度為12_，材料為紫銅；與階梯圓柱形內(nèi)導(dǎo)體下部相連接的內(nèi)壁帶螺紋的圓形桶調(diào)諧結(jié)構(gòu)⑷的內(nèi)徑為4mm，材料為紫銅。
[0017]同軸傳輸線(3)為50Ω同軸傳輸線，作為耦合結(jié)構(gòu)的內(nèi)導(dǎo)體的直徑為0.6_，其伸進(jìn)腔內(nèi)總長度為4_，直角彎折部分長度2mm。
[0018]采用三維電磁仿真軟件HFSS進(jìn)行建模與仿真，階梯圓柱形內(nèi)導(dǎo)體下部分伸進(jìn)腔內(nèi)部分的長度為2mm，其諧振頻率在2.45GHz附近，反射系數(shù)最小值在_20dB以下。在輸入功率IW時(shí)，內(nèi)導(dǎo)體尖端電場(chǎng)可達(dá)1.34X 106V/m，這個(gè)電場(chǎng)強(qiáng)度已經(jīng)可以在常壓下輕易地?fù)舸┤鐨鍤?、氦氣等氣體，產(chǎn)生微波等離子體火焰。在輸入功率為5W時(shí)，內(nèi)導(dǎo)體尖端電場(chǎng)達(dá)到
3.04X 106V/m就能擊穿空氣，從而產(chǎn)生微波等離子體。隨著輸入功率的增加，電場(chǎng)強(qiáng)度相應(yīng)的增強(qiáng)，當(dāng)輸入功率為300W時(shí)，內(nèi)導(dǎo)體尖端電場(chǎng)強(qiáng)度超過2.25X 107V/m，達(dá)到汽車發(fā)動(dòng)機(jī)10個(gè)大氣壓下內(nèi)燃?xì)鈸舸﹫?chǎng)強(qiáng)。
[0019]綜上所述，本實(shí)用新型一種大氣可調(diào)諧微波等離子炬裝置能夠在低功率下輕易地?fù)舸怏w產(chǎn)生微波等離子體火焰，并且可通過調(diào)諧結(jié)構(gòu)對(duì)諧振頻率進(jìn)行調(diào)諧。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種大氣可調(diào)諧微波等離子炬裝置，包括同軸諧振腔外殼(2)、設(shè)于腔體內(nèi)中軸線上的階梯圓柱形內(nèi)導(dǎo)體(1)、同軸傳輸線(3)以及調(diào)諧結(jié)構(gòu)(4)，其特征在于調(diào)諧結(jié)構(gòu)(4)包括與內(nèi)導(dǎo)體下部固定連接的內(nèi)壁帶螺紋的圓形桶、以及與外殼底面固定連接的外壁帶螺紋的圓形壁，圓形桶的螺紋與圓形壁的螺紋相匹配。2.如權(quán)利要求1所述的一種大氣可調(diào)諧微波等離子炬裝置，其特征在于所述階梯圓柱形內(nèi)導(dǎo)體(I)為兩段半徑不等的圓柱體連接而成，下半部分圓柱體的半徑小于上半部分圓柱體的半徑。3.如權(quán)利要求1所述的一種大氣可調(diào)諧微波等離子炬裝置，其特征在于所述同軸傳輸線(3)設(shè)置于同軸諧振腔外殼的下部分，其內(nèi)導(dǎo)體穿過同軸諧振腔外殼，且直角彎折與同軸諧振腔底部相連接。4.如權(quán)利要求1所述的一種大氣可調(diào)諧微波等離子炬裝置，其特征在于所述同軸諧振腔外殼(2)包含的腔體的下部分為圓柱體，上部分為頂部開口的圓錐體。5.如權(quán)利要求1所述的一種大氣可調(diào)諧微波等離子炬裝置，其特征在于所述同軸諧振腔外殼(2)的上半部分外壁設(shè)置有螺紋。
【專利摘要】該實(shí)用新型公開了基于傳統(tǒng)四分之一波長同軸諧振腔的基本原理設(shè)計(jì)的一種大氣可調(diào)諧微波等離子炬裝置，屬于微波能應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。該裝置包括同軸諧振腔外殼、設(shè)于腔體內(nèi)中軸線上的階梯圓柱形內(nèi)導(dǎo)體、同軸傳輸線以及調(diào)諧結(jié)構(gòu)。該裝置既可取代傳統(tǒng)火花塞成為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火器，也可用于等離子體表面處理與等離子體光譜分析系統(tǒng)中。
【IPC分類】H05H1/32
【公開號(hào)】CN204733448
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520350861
【發(fā)明人】曾葆青, 溫卓賓, 吳喆
【申請(qǐng)人】電子科技大學(xué)
【公開日】2015年10月28日
【申請(qǐng)日】2015年5月27日