專利名稱：一種基于耦合窗輻射的大體積微波等離子體發(fā)生裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于耦合窗輻射的大體積微波等離子體發(fā)生裝置，屬于微波應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
材料科學(xué)與技術(shù)作為21世紀(jì)人類三大關(guān)鍵科技之一，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)及國(guó)防事業(yè)中起到至關(guān)重要的作用，而納米技術(shù)的出現(xiàn)則開創(chuàng)了材料科學(xué)研究的新時(shí)代。與宏觀尺寸的材料不同，納米材料(尺度為O. riOOnm)表面的電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，產(chǎn)生表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)和界面效應(yīng)等；并表現(xiàn)出優(yōu)異的光、電、磁和化學(xué)特性，因而在諸多領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。目前制備納米材料的方法很多，但各種方法都有其自身客觀的缺點(diǎn)。如傳統(tǒng)濕法，工藝過程復(fù)雜、粒子表面化學(xué)狀態(tài)難以控制、無氧條件很難創(chuàng)造、無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)化和自動(dòng)化 批量生產(chǎn)；氣相-液相法化學(xué)活性低、反應(yīng)速度慢、廣譜性差、只能制備少數(shù)幾種納米粒子；直流等離子體和介質(zhì)阻擋放電等離子體法存在電極且其電場(chǎng)具有極性和不均勻性、易使生成的納米磁性粒子發(fā)生鏈狀化而團(tuán)聚并最終使正負(fù)極相連導(dǎo)致電極之間發(fā)生擊穿現(xiàn)象；化學(xué)氣相沉積法(CVD)和射頻等離子體法溫度過高、需要真空條件、而且能耗大。微波等離子體由于具有眾多優(yōu)點(diǎn)，有望合成純度更高、粒度可控、粒徑分布更窄、無硬團(tuán)聚的納米材料。其優(yōu)點(diǎn)為電子溫度高，工作氣壓可更低、電離度高(大約高10倍)；反應(yīng)平衡常數(shù)高、溫度梯度大、均相成核速率高、粉末更細(xì)；高頻電磁場(chǎng)的波動(dòng)作用和大的溫度梯度引起的對(duì)流作用使顆粒粒徑更趨均勻；沒有內(nèi)部電極，等離子體純凈；激發(fā)態(tài)粒子壽命長(zhǎng)，化學(xué)活性物種多；微波能量對(duì)反應(yīng)物分子均勻迅速地加熱，通過微波的“瞬時(shí)加熱”及“瞬時(shí)停止加熱”的特性可以人為控制結(jié)晶速度；微波等離子體可被控制在特定的空間，應(yīng)用方便。在城市化和工業(yè)化進(jìn)程中，世界經(jīng)濟(jì)突飛猛進(jìn)地發(fā)展，同時(shí)也帶來了眾多環(huán)境污染問題，如工業(yè)廢氣和汽車尾氣的排放給環(huán)境及人類身心健康均帶來了嚴(yán)重的危害?？茖W(xué)分析表明，汽車尾氣中含有上百種不同的化合物，其中的污染物有固體懸浮微粒、一氧化碳、二氧化碳、碳?xì)浠衔?、氮氧化合物、鉛及硫氧化合物等。一輛轎車一年排出的有害廢氣比自身重量大3倍。英國(guó)空氣潔凈和環(huán)境保護(hù)協(xié)會(huì)曾發(fā)表研究報(bào)告稱，與交通事故遇難者相比，英國(guó)每年死于空氣污染的人要多出10倍。因此這些廢氣的處理已經(jīng)成為亟待解決的問題。微波等離子體由于其電子溫度高、電離度高、激發(fā)態(tài)粒子壽命長(zhǎng)、化學(xué)活性物種多及微波技術(shù)成熟等諸多優(yōu)點(diǎn)，也成為了廢氣處理方式的首要選擇。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提出一種基于耦合窗輻射的大體積微波等離子體發(fā)生裝置，以用于納米材料的制備和工業(yè)廢氣及汽車尾氣的處理，并使其能夠在常壓下長(zhǎng)時(shí)間工作，便于大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用。
本發(fā)明提出的基于耦合窗輻射的大體積微波等離子體發(fā)生裝置，包括矩形波導(dǎo)、電感式耦合窗、諧振腔外殼、矩形石英玻璃框、短路活塞、吸收物質(zhì)和手柄；所述的矩形波導(dǎo)通過電感式耦合窗與諧振腔的一端連通，諧振腔外殼上設(shè)有氣壓測(cè)量口、工作氣體進(jìn)氣口和工作氣體出氣口 ；所述的矩形石英玻璃框置于諧振腔內(nèi)，矩形石英玻璃框的兩端部鑲嵌在諧振腔的側(cè)壁上，矩形石英玻璃框與兩側(cè)的諧振腔側(cè)壁形成封閉空間；所述的短路活塞置于諧振腔的另一端，短路活塞與諧振腔外殼成滑動(dòng)配合；所述的吸收物質(zhì)固定在短路活塞的前端部，并位于諧振腔內(nèi)，所述的手柄固定在短路活塞的后端部，并位于諧振腔外。本發(fā)明提出的基于耦合窗輻射的大體積微波等離子體發(fā)生裝置，其優(yōu)點(diǎn)是能夠在常溫常壓下產(chǎn)生大體積的微波等離子體，高效率地制備納米材料和處理廢氣尾氣。本發(fā)明的等離子體方式裝置，相對(duì)于已有的其它微波耦合方式，如孔耦合和狹縫耦合，本發(fā)明采用的電感式耦合窗的耦合效率極高，基本消除了微波傳輸和耦合的損耗，能夠在密封環(huán)境中形成大體積微波等離子體，一方面在納米材料制備中保證材料純度較高，另一方面在廢 氣尾氣處理過程中能夠防止廢氣尾氣擴(kuò)散到其它區(qū)域。本發(fā)明的等離子體發(fā)生裝置中，安裝在矩形諧振腔尾部的可調(diào)式滑動(dòng)短路活塞能夠自由調(diào)節(jié)諧振腔長(zhǎng)度以使微波達(dá)到最佳諧振狀態(tài)；矩形諧振腔由多塊金屬板拼接而成，既能保證微波不泄露造成人身危害，同時(shí)方便裝置的拆卸及安裝。


圖I是本發(fā)明提出的基于耦合窗輻射的大體積微波等離子體發(fā)生裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖I的A-A剖面圖。圖3是圖2的B-B剖面圖。圖4是與圖I相對(duì)應(yīng)剖面的電場(chǎng)分布圖。圖5是與圖2相對(duì)應(yīng)剖面的電場(chǎng)分布圖。圖f 3中，I是連接法蘭，2是矩形波導(dǎo)，3是電感式耦合窗，4是諧振腔外殼，5是矩形石英玻璃框，6是氣壓測(cè)量口，7是工作氣體進(jìn)氣口，8是短路活塞，9是吸收物質(zhì)，10是手柄，11是工作氣體出氣口。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提出的基于耦合窗輻射的大體積微波等離子體發(fā)生裝置，其結(jié)構(gòu)如圖I所示，包括矩形波導(dǎo)2、電感式耦合窗3、諧振腔外殼4、矩形石英玻璃框5、短路活塞8、吸收物質(zhì)9和手柄10。矩形波導(dǎo)2通過電感式耦合窗3與諧振腔的一端連通，諧振腔外殼4上設(shè)有氣壓測(cè)量口 6、工作氣體進(jìn)氣口 7和工作氣體出氣口 11。矩形石英玻璃框5置于諧振腔內(nèi)，矩形石英玻璃框5的兩端部鑲嵌在諧振腔的側(cè)壁上，矩形石英玻璃框5與兩側(cè)的諧振腔側(cè)壁形成封閉空間。短路活塞8置于諧振腔的另一端，短路活塞8與諧振腔外殼4成滑動(dòng)配合。吸收物質(zhì)9固定在短路活塞8的前端部，并位于諧振腔內(nèi)。手柄10固定在短路活塞8的后端部,并位于諧振腔外。本發(fā)明提出的等離子體發(fā)生裝置，其中的矩形波導(dǎo)的型號(hào)為BJ22。其中的微波耦合器件由法蘭、和電感式耦合窗依次焊接相連而成，并通過法蘭與外部標(biāo)準(zhǔn)微波器件相連，這種微波耦合器件是基于電感式耦合窗，這種電感式耦合窗可以最大程度上使微波封閉在矩形諧振腔內(nèi)部，使微波自由無障礙地饋入到矩形諧振腔中，當(dāng)微波在矩形諧振腔內(nèi)部諧振時(shí)，僅有極少量的微波能夠通過耦合窗反射到微波源，其中耦合窗也可以設(shè)計(jì)為電容式或者諧振式耦合窗。矩形諧振腔由三部分組成，分別為矩形諧振腔外殼、圓角矩形石英玻璃框及焊接在矩形諧振腔前后銅板上的進(jìn)、出氣口及氣壓測(cè)量接口。矩形諧振腔本質(zhì)上是一個(gè)長(zhǎng)方體，其長(zhǎng)度、寬度和高度均不同，它由六塊銅板拼接而成，這樣設(shè)計(jì)是為了可以方便的拆卸及安裝，在矩形諧振腔前后銅板上開多個(gè)氣孔，分別為工作氣體進(jìn)氣口、出氣和氣壓測(cè)量口。圓角矩形石英玻璃框鑲嵌在矩形諧振腔內(nèi)部，圓角矩形石英玻璃框僅有四個(gè)面，另外兩個(gè)面是矩形諧振腔的前后銅板，這樣的設(shè)計(jì)既能保證形成一個(gè)密封的工作氣體空間，這個(gè)密封工作空間對(duì)產(chǎn)生不同氣壓或者不同工作氣體的微波等離子體是極其重要的，又能方便工作氣體的進(jìn)出及測(cè)量圓角矩形石英玻璃框內(nèi)的工作氣體氣壓，圓角矩形石英玻璃框提供的一個(gè)密封空間在制備納米材料和廢氣尾氣處理中是至關(guān)重要的。矩形諧振腔與微波耦合器件以焊接或者螺絲固定的形式相連，微波通過電感式耦合窗饋入到矩形諧振腔內(nèi)部并進(jìn)一步輻射到圓角矩形石英玻璃框內(nèi)部。諧振腔也可以設(shè)計(jì)為圓柱形諧振腔?？烧{(diào)式滑 動(dòng)短路活塞直接以滑動(dòng)配合的方式插入矩形諧振腔的后端部銅板上，它可以在一定距離內(nèi)自由滑動(dòng)以調(diào)節(jié)矩形諧振腔的長(zhǎng)度，使微波能夠在矩形諧振腔內(nèi)部產(chǎn)生良好的諧振，產(chǎn)生大體積的強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)，進(jìn)而在圓角矩形石英玻璃框里面產(chǎn)生大體積的微波等離子體，提高納米材料制備和廢氣尾氣處理的效率。以下結(jié)合附圖，詳細(xì)介紹本發(fā)明裝置的工作原理本發(fā)明涉及的用于制備納米材料和處理工業(yè)廢氣及汽車尾氣的微波等離子體發(fā)生裝置，包括微波耦合器件、矩形諧振腔和可調(diào)式滑動(dòng)短路活塞。法蘭I、BJ22矩形波導(dǎo)2與電感式耦合窗3依次焊接在一起，然后電感式耦合窗與矩形諧振腔4的左邊銅板焊接在一起，六塊銅板通過螺絲緊固形成矩形諧振腔4，可調(diào)式滑動(dòng)短路活塞直接插入矩形諧振腔4的右邊銅板的正中間，圓角矩形石英玻璃框鑲嵌在矩形諧振腔4的前后面銅板中以形成封閉空間，氣壓測(cè)量接口 6、工作氣體的進(jìn)氣口 7、工作氣體的出氣口 11分別焊接在矩形諧振腔4的前后銅板上。整個(gè)微波等離子體發(fā)生裝置通過法蘭I與外部標(biāo)準(zhǔn)微波器件以螺絲相連。微波通過BJ22矩形波導(dǎo)2傳輸，經(jīng)過電感式耦合窗3耦合到矩形諧振腔4內(nèi)部，由于圓角矩形石英玻璃框5對(duì)微波的傳輸基本沒有影響，微波能夠饋入到圓角矩形石英玻璃框5內(nèi)部，通過調(diào)節(jié)可調(diào)式滑動(dòng)短路活塞的位置可以改變矩形諧振腔4的長(zhǎng)度，使微波在矩形諧振腔4內(nèi)部諧振，并在圓角矩形石英玻璃框5內(nèi)部形成大體積的強(qiáng)微波電場(chǎng)，等離子體發(fā)生裝置的剖面電場(chǎng)分布如圖4、5所示，微波強(qiáng)電場(chǎng)使圓角矩形石英玻璃框5內(nèi)部的工作氣體電離產(chǎn)生大體積微波等離子體。對(duì)于制備納米材料，進(jìn)氣口 7通入反應(yīng)混合氣體，出氣口 11接入用戶自定的材料收集器，氣壓測(cè)量接口 6接入氣壓表以測(cè)量圓角矩形石英玻璃框內(nèi)部的工作氣體氣壓，反應(yīng)混合氣體通過微波等離子體后形成的納米材料可以通過氣流由出氣口 11進(jìn)入收集器。通過調(diào)節(jié)工作氣體的氣壓大小和微波功率，可以用來制備特性不同的納米材料。對(duì)于處理工業(yè)廢氣和汽車尾氣，進(jìn)氣口 7通入廢氣或尾氣，出氣口 11接入下一步處理程序的裝置或者直接與大氣相連，廢氣或尾氣通過微波等離子體處理后由出氣口 11進(jìn)入下步處理程序或者直接通入大氣中，不同的廢氣或尾氣的氣壓和微波功率對(duì)應(yīng)著不同的廢氣或尾氣的處
理效 率。
權(quán)利要求
1.ー種基于耦合窗輻射的大體積微波等離子體發(fā)生裝置，其特征在于該等離子體發(fā)生裝置包括矩形波導(dǎo)、電感式耦合窗、諧振腔外殼、矩形石英玻璃框、短路活塞、吸收物質(zhì)和手柄；所述的矩形波導(dǎo)通過電感式 耦合窗與諧振腔的一端連通，諧振腔外殼上設(shè)有氣壓測(cè)量ロ、工作氣體進(jìn)氣口和工作氣體出氣ロ ；所述的矩形石英玻璃框置于諧振腔內(nèi)，矩形石英玻璃框的兩端部鑲嵌在諧振腔的側(cè)壁上，矩形石英玻璃框與兩側(cè)的諧振腔側(cè)壁形成封閉空間；所述的短路活塞置于諧振腔的另一端，短路活塞與諧振腔外殼成滑動(dòng)配合；所述的吸收物質(zhì)固定在短路活塞的前端部，并位于諧振腔內(nèi)，所述的手柄固定在短路活塞的后端部，并位于諧振腔外。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于耦合窗輻射的大體積微波等離子體發(fā)生裝置，屬于微波應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。該發(fā)生裝置包括包括矩形波導(dǎo)、電感式耦合窗、諧振腔外殼、矩形石英玻璃框、短路活塞、吸收物質(zhì)和手柄。矩形波導(dǎo)通過電感式耦合窗與諧振腔的一端連通，諧振腔外殼上設(shè)有氣壓測(cè)量口、工作氣體進(jìn)氣口和工作氣體出氣口。矩形石英玻璃框置于諧振腔內(nèi)，其兩端部鑲嵌在諧振腔的側(cè)壁上，與兩側(cè)的諧振腔側(cè)壁形成封閉空間。短路活塞置于諧振腔的另一端，短路活塞與諧振腔外殼成滑動(dòng)配合。吸收物質(zhì)固定在短路活塞的前端部，手柄固定在短路活塞的后端部。本裝置能夠在常溫常壓下產(chǎn)生大體積的微波等離子體，高效率地制備納米材料和處理廢氣尾氣。
文檔編號(hào)H05H1/46GK102869182SQ201210337129
公開日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2012年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月12日
發(fā)明者王仲, 張貴新 申請(qǐng)人:清華大學(xué)