大功率微波等離子體炬的製作方法
2023-06-30 05:33:56
專利名稱：大功率微波等離子體炬的製作方法
技術領域：
本發明涉及等離子炬領域，具體為一種大功率微波等離子體炬。
背景技術：
等離子體按照激發的方法可以分為常規直流(交流)等離子體、高頻或射頻等離子體、微波誘導等離子體、雷射等離子體和熱激發等離子體。等離子體技術在材料的製備加工、熱核反應、有毒有害廢棄物的處理等方面得到廣泛的應用。常規直流(交流)等離子體的激發是通過一對電極間形成強的電場強度(對於空氣為3000V/毫米)使氣體擊穿。在實際應用中，常規直流(交流)等離子體存在電極壽命短以及存在由於電極高溫汽化而導致的電極汙染的缺點。雖然通過強制水冷可以提高電極壽命(目前達到數百小時)，但由於電極汙染仍然限制了直流(交流)等離子體的應用範圍。高頻(射頻)等離子體是無極放電，不存在電極汙染的問題，在材料的潔淨製備(如大規模集成電路的刻蝕、氣相沉積等)領域得到應用，但是高頻(射頻)等離子體的電效率很低，等離子體最多只能耦合40-50％的射頻能量，而且射頻功率越高，能量效率越低。另外射頻電源的能量對空輻射也造成環境電磁汙染，在使用過程中必須採取相應的保護措施。雷射誘導等離子體雖然也是無極放電過程，但是設備造價高、能量利用效率低也限制了大規模應用的可行性。
微波誘導等離子體是另外一種無極放電過程。已有的微波放電結構概括起來可以分為以下幾種(1)電容耦合微波等離子體的激勵技術(CMP)；(2)同軸基表面波微波等離子體的激勵技術(Surfatron)；(3)波導基表面波微波等離子體的激勵技術(Surfaguide)；(4)TM010諧振腔(MIP)微波等離子體的激勵技術。這些等離子體的激發機構通常都是在小功率(≤1千瓦)條件下工作，目前主要作為光譜分析的等離子體光源。隨著等離子體技術在材料潔淨加工、有毒有害廢棄物處理和等離子體化學合成工業應用的需求不斷增強，研究適合各種工作氣體介質、大功率、高的能量利用率的微波等離子體炬成為工業界普遍感興趣的課題。從微波等離子體激發原理來說，目前大多數的微波等離子體的激發是採用微波諧振腔的方法，通過微波應用器的諧振，從而在微波應用器中的局部區域形成很高的電場強度，利用局部區域的高電場使氣體介質擊穿，形成等離子體。由於是採用微波諧振腔原理設計等離子體激發機構，當等離子體形成後，必然引起微波諧振腔的有效負載量和微波諧振腔腔體的諧振頻率發生變化。為了使產生微波等離子體後，整個微波系統的阻抗匹配以及腔體諧振頻率與微波源頻率的匹配，必須有一個有效的調節手段對腔體進行調節。近來美國麻省裡工學院採用兩套微波系統來實現微波等離子體的穩定激發和維持。一套微波系統是微波諧振腔，負責等離子體的激發；另一套微波系統是微波行波腔，負責維持等離子體，通過兩套微波系統的優化組合，使微波的能量利用率提高到95％，該系統可以適合各種氣體工作介質和大功率系統工作(大於4千瓦)。英國利物輔大學報導了一種大功率微波等離子體的激發裝置。該裝置採用壓縮矩型波導窄邊的方法使在波導中形成局部的高電場強度區域，通過調整波導壓縮的程度和等離子體激發氣體噴嘴的位置使得氣體噴嘴處的場強達到最大值，在一定的微波功率下(1-6千瓦)使激發氣體電離形成等離子體。利用高速氣流將等離子體衝出微波波導寬邊上的窄縫。綜合已有的大功率微波等離子體激發裝置，普遍存在激發維持機構複雜，調節不方便的缺點，另外目前所達到的功率水平比較低。
發明內容
本發明的目的是提供一種能夠解決激發維持機構複雜、調節不方便、功率水平低等問題的大功率微波等離子體炬。
本發明的技術方案是一種大功率微波等離子體炬，其特徵在於包括可調諧同軸諧振腔、矩形波導，所述矩形波導內設波導/同軸轉換裝置，所述波導/同軸轉換裝置為門扭塊和介質單線上下扣合的門扭結構，所述波導/同軸轉換裝置分別與矩形波導上下表面緊密接觸連接，所述可調諧同軸諧振腔由位于波導上下兩側並與波導/同軸轉換裝置同軸的上腔、下腔，以及波導/同軸轉換裝置共同構成，上、下腔為外導體和內導體構成的同軸線，內導體一端插裝於下腔，另一端依次貫穿介質單線、門扭塊、上腔，上腔的內外導體之間沿軸線方向設有諧振腔短路活塞，所述矩形波導一端設有微波源，另一端設有波導短路活塞；所述介質單線由內導體與其周圍的電介質構成，介質材料的介電常數ε小於或等於10；所述介質材料為空氣、氮化硼、聚四氟乙烯、氧化鋁、石英之一或其複合體；所述微波源的頻率為2450MHz、915MHz或314MHz；當微波源的頻率為2450MHz，其介質單線中介質材料採用氮化硼時，等離子炬裝置的主要尺寸為內導體外徑D0＝4～30mm，介質單線外徑D1＝14～100mm，內導體插裝於下腔中的長度L1＝30～300mm，介質單線長度L4＝20～54.6mm，門扭塊厚度L5＝0～34.6mm；當微波源的頻率為245MHz，其介質單線中介質材料採用氧化鋁時，等離子炬裝置的主要尺寸為內導體外徑D0＝4～30mm，介質單線外徑D1＝10～60mm，內導體插裝於下腔中的長度L1＝30～300mm，介質單線長度L4＝15～40mm，門扭塊厚度L5＝14～40mm；當微波源的頻率為2450MHz，其介質單線中介質材料採用聚四氟乙烯時，等離子炬裝置的主要尺寸為內導體外徑D0＝4～30mm，介質單線外徑D1＝18～108mm，內導體插裝於下腔中的長度L1＝30～300mm，介質單線長度L4＝30～54.6mm，門扭塊厚度L5＝0～24.6mm；當微波源的頻率為2450MHz，其介質單線中介質材料採用石英，等離子炬裝置的主要尺寸為內導體外徑D0＝4～30mm，介質單線外徑D1＝14～90mm，內導體插裝於下腔中的長度L1＝30～300mm，介質單線長度L4＝25～54.6mm，門扭塊厚度L5＝0～30mm；當微波源的頻率為915MHz，其介質單線中介質材料採用氮化硼，等離子炬裝置的主要尺寸為內導體外徑D0＝12～50mm，介質單線外徑D1＝60～220mm，內導體插裝於下腔中的長度L1＝100～1200mm，介質單線長度L4＝40～124mm，門扭塊厚度L5＝0～84mm。
本發明的有益效果是1.激發維持機構簡單、調節方便、微波入射功率大。本發明根據微波學原理，在分析已有等離子體激發裝置的基礎上，設計了一種新的微波等離子體激發方案。利用可調諧同軸諧振腔實現等離子體的激發和等離子體產生後腔體的諧振頻率的調整，利用波導短路活塞調節解決由於等離子體產生而引起的阻抗不匹配的問題，兩套調節機構各自獨立工作，相互之間不幹擾。為了適合大功率和各種工作氣體介質應用的需要採用了門扭結構的波導/同軸轉換裝置和氣體密封結構，該裝置能夠在20千瓦的功率下長期穩定工作，利用介質單線實理微波的矩形波導/可調諧同軸諧振腔的能量耦合以及氣體的密封，使得本裝置能夠在大功率條件下穩定工作，同時適合於需要進行非氧氣氛的工作環境。
2.利用可調諧同軸諧振腔容易獲得高品質因素諧振腔的特點，採用可調諧同軸諧振腔能夠實現任何工作氣體的微波等離子體的激發。利用可調諧同軸諧振腔的短路活塞對諧振腔的諧振頻率由於等離子體的產生引起的腔體諧振頻率的漂移進行實時修正，使可調諧同軸諧振腔的諧振頻率始終與微波電源的工作頻率相吻合。
3.利用可調諧同軸諧振腔的短路活塞可以調節波導/同軸轉換的效率，通過門扭結構適當壓縮矩形波導的窄邊的寬度，為裝置在冷態的強耦合提供保障，門扭結構與矩形波導的短路活塞配合，能夠保證等離子體激發前後整個系統的能量耦合達到較高的效率，在極限情況下能夠實現使微波以行波態的方式向等離子體供能。
4.本發明所採用的設計方案適合任何頻率的微波系統。
5.本裝置可應用於氣相化學反應(如天然氣直接轉化制乙烯、乙炔，有毒有害工業廢氣的淨化等)，化學氣相沉積(如金剛石膜的沉積等)，材料的合成和加工(如金屬、陶瓷顆粒的等離子體合成、材料的等離子體切割、鑽孔等)以及固體廢棄物(如生活垃圾、核廢料等)的處理。
圖1為本發明結構示意圖。
圖2為圖1中各部分的結構尺寸示意圖。
圖3為圖1的等效電路示意圖。
圖4為微波的能量效率與短路活塞和阻抗匹配調節裝置位置的關係曲線示意圖。
具體實施例方式
本發明所涉及到的是一種大功率、高效微波等離子激發裝置，圖1是本裝置的結構示意圖，包括可調諧同軸諧振腔1、矩形波導2，所述矩形波導2內設波導/同軸轉換裝置12，所述波導/同軸轉換裝置12為門扭塊121和介質單線122上下扣合的門扭結構，所述波導/同軸轉換裝置12分別與矩形波導2上下表面緊密接觸連接，所述可調諧同軸諧振腔1由位于波導2上下兩側並與波導/同軸轉換裝置12同軸的上腔11、下腔15，以及波導/同軸轉換裝置12共同構成，上、下腔為外導體13和內導體14構成的同軸線，內導體14一端插裝於下腔15，另一端依次貫穿介質單線122、門扭塊121、上腔11，上腔11的內外導體之間沿軸線方向設有諧振腔短路活塞111，所述矩形波導2一端設有微波源，另一端設有波導短路活塞21進行阻抗匹配調節。
圖2是圖1中各部分的結構尺寸標註示意圖。其中L1為內導體14插裝幹下腔15中的長度，L2為諧振腔短路活塞111至波導2上表面的間距，L3為波導短路活塞21至內導體14的中心距，L4為介質單線122的長度，L5為門扭塊121厚度，D0為內導體14外徑，D1為介質單線122外徑。
圖3是本裝置的等效電路，即可調諧同軸諧振腔/波導正交耦合等離子體炬等效電路。其中Gr1是可調諧同軸諧振腔1的開路端，由圓截止波導包圍的輻射電導，在未放電時Gr2甚小，放電增強後逐步增大；Gr2是向後部波導的輻射電導；Gp是等離子體引發後的等離子體電導，隨著等離子體增強而增大；JXp是等離子體引發後的等離子體電抗，隨著等離子體增強而增大；jZ01cotβl1是可調諧同軸諧振腔1開路端的電抗量；jZ02cotβl2是諧振腔短路活塞端的電抗量；jZ0tanβwl3是波導短路活塞21在波導中的電抗；jXD是門扭結構在波導2中呈現的電抗；Rr是後波導系統的阻抗；標號3為微波源，標號4為可調諧同軸諧振腔的耦合結構，標號5為後波導系統的耦合結構，閉合開關K，表示已產生放電，形成並加強等離子體；等離子體的激發是通過可調諧同軸諧振腔1中形成具有一定品質因素的諧振，在可調諧同軸諧振腔1的開路末端引發等離子體，可調諧同軸諧振腔1的諧振頻率可以通過諧振腔短路活塞111的位置(改變L3)進行調節，在引發等離子體前調節諧振腔短路活塞111使可調諧同軸諧振腔1的諧振頻率與微波電源的頻率相同，等離子體產生後，腔體的諧振頻率必然要發生漂移，頻率漂移的大小與腔體中的等離子態狀態有關，通過諧振腔短路活塞111可以根據等離子體的狀態實時跟蹤使可調諧同軸諧振腔1的諧振頻率始終與電源頻率一致。
可調諧同軸諧振腔1的微波能量通過貫穿波導2中央位置，並立於外導體13之上的延伸內導體在矩形波導2中獲得拾取電動勢，在內導體14上建立感生電流，從而激勵起可調諧同軸諧振腔1中功率傳輸。為了實現工作氣體與外界空氣的隔離，利用低損耗的介質材料與可調諧同軸諧振腔構成介質單線122，介質單線122是本結構設計的一個關鍵結構單元，它有如下幾方面的作用(1)承擔從波導到可調諧同軸諧振腔1的能量耦合；(2)與上、下腔構成可調諧同軸諧振腔1；(3)可以利用它進行氣體的密封。
介質單線的尺寸(D1、L4)選擇與所使用的微波頻率(f)、介質材料的種類(ε)以及可調諧同軸諧振腔1的阻抗(Z)設計等有關，設計的原則是保證介質單線的長度L4等於微波源3工作波長的0.25n(n＝1，2，3，....)倍，介質單線122的介質內徑與可調諧同軸諧振腔1的內導體14直徑相同，外直徑D1的選擇以保持阻抗與可調諧同軸諧振腔1的阻抗相匹配，波導和同軸系統的耦合度與介質單線122在波導中的跨度有關。
門扭塊121的主要作用是控制微波系統在冷態情況下減小矩形波導/可調諧同軸諧振腔的耦合度，便於建立等離子體激發所需要的高電場強度的需要，門扭塊121的厚度L5根據介質單線122的長度與波導2的窄邊的尺寸選擇，數值上等于波導2窄邊尺寸減去介質單線122的長度。
波導短路活塞21的作用是調節系統冷態和熱態(等離子體產生前後)的阻抗匹配。在門扭結構中，介質單線在矩形波導中的跨度決定波導/同軸耦合的理論耦合量，但是由於系統的負載阻抗在等離子體體激發前後發生很大的變化，由於阻抗的失配，直接影響波導/同軸耦合的效率。採用波導短路活塞的調節可以阻抗後波導段的電抗，使等離子體激發前後的阻抗達到最佳匹配，從而達到微波能量全部耦合給等離子體。
在此結構中，改變波導短路活塞21位置，可以改變轉換程度，就借用這種轉換程度，可以作為一種改變波導和同軸系統耦合度的方法。
若是以改變波導短路活塞21位置的方法，改變耦合度，改變成較小耦合度做不到，可以用約束介質單線跨度的辦法來改變耦合度。
整個裝置的工作原理如下通過波導/同軸轉換裝置12將微波能量從矩形波導2傳輸系統耦合到可調諧同軸諧振腔1中，利用合適的介質單線122長度降低冷態波導/同軸轉換的耦合，使得可調諧同軸諧振腔1在引發的初期形成必要的高Q諧振狀態，積累能量，並引起工作氣體的放電；隨著等離子體的延拓和加強，通過諧振腔短路活塞111調整由於等離子體的存在引起的諧振頻率的漂移，使可調諧同軸諧振腔1的諧振頻率與微波源3的工作頻率一致；通過波導短路活塞21調節等離子體產生後的波導/同軸轉換的耦合度使系統逐步轉換到低Q諧振狀態，進而轉換到行波的工作狀態。通過這一系列的調節過程實現大功率、高效率的等離子體的激發與維持。
1.對於工作頻率為2450MHz的微波，介質單線中介質材料採用氮化硼時，等離子炬裝置的主要尺寸為D0＝17mm，D1＝57mm，L1＝165mm，L4＝37mm，L5＝17mm。
2.對於工作頻率為915MHz的微波，介質單線中介質材料採用氮化硼時，等離子炬裝置的主要尺寸為D0＝31mm，D1＝140mm，L1＝650mm，L4＝82mm，L5＝42mm。
3.對於工作頻率為2450MHz的微波，介質單線中介質材料採用氧化鋁時，等離子炬裝置的主要尺寸為D0＝17mm，D1＝35mm，L1＝165mm，L4＝28mm，L5＝27mm。
4.對於工作頻率為245MHz的微波，介質單線中介質材料採用聚四氟乙烯時，等離子炬裝置的主要尺寸為D0＝17mm，D1＝63mm，L1＝165mm，L4＝42mm，L5＝12mm。
5.對於工作頻率為2450MHz的微波，介質單線中介質材料採用石英時，等離子炬裝置的主要尺寸為D0＝17mm，D1＝52mm，L1＝165mm，L4＝40mm，L5＝15mm。
6.微波等離子體激發後，調整L2及L3的尺寸，微波能耦合效率的變化如圖4所示，實驗中微波入射功率為1000～6000W(本實施例為4000W)，工作氣體介質為氫氣，利用反射與入射微波能量計算微波能耦合效率。
權利要求
1.一種大功率微波等離子體炬，其特徵在於包括可調諧同軸諧振腔(1)、矩形波導(2)，所述矩形波導(2)內設波導/同軸轉換裝置(12)，所述波導/同軸轉換裝置(12)為門扭塊(121)和介質單線(122)上下扣合的門扭結構，所述波導/同軸轉換裝置(12)分別與矩形波導(2)上下表面緊密接觸連接，所述可調諧同軸諧振腔(1)由位于波導(2)上下兩側並與波導/同軸轉換裝置(12)同軸的上腔(11)、下腔(15)，以及波導/同軸轉換裝置(12)共同構成，上、下腔為外導體(13)和內導體(14)構成的同軸線，內導體(14)一端插裝於下腔(15)，另一端依次貫穿介質單線(122)、門扭塊(121)、上腔(11)，上腔(11)的內外導體之間沿軸線方向設有諧振腔短路活塞(111)，所述矩形波導(2)一端設有微波源，另一端設有波導短路活塞(21)。
2.按照權利要求1所述的大功率微波等離子體炬，其特徵在於所述介質單線(122)由內導體(14)與其周圍的電介質構成，介質材料的介電常數ε小於或等於10。
3.按照權利要求2所述的大功率微波等離子體炬，其特徵在於所述介質材料為空氣、氮化硼、聚四氟乙烯、氧化鋁、石英之一或其複合體。
4.按照權利要求1或2所述的大功率微波等離子體炬，其特徵在於所述微波源的頻率為2450MHz、915MHz或314MHz。
5.按照權利要求4所述的大功率微波等離子體炬，其特徵在於所述微波源的頻率為2450MHz，其介質單線(122)中介質材料採用氮化硼，內導體(14)外徑D0＝4～30mm，介質單線(122)外徑D1＝14～100mm，內導體(14)插裝於下腔(15)中的長度L1＝30～300mm，介質單線(122)長度L4＝20～54.6mm，門扭塊(121)厚度L3＝0～34.6mm。
6.按照權利要求4所述的大功率微波等離子體炬，其特徵在於所述微波源的頻率為2450MHz，其介質單線(122)中介質材料採用氧化鋁，內導體(14)外徑D0＝4～30mm，介質單線(122)外徑D1＝10～60mm，內導體(14)插裝於下腔(15)中的長度L1＝30～300mm，介質單線(122)長度L4＝15～40mm，門扭塊(121)厚度L5＝14～40mm。
7.按照權利要求4所述的大功率微波等離子體炬，其特徵在於所述微波源的頻率為245OMHz，其介質單線(122)中介質材料採用聚四氟乙烯，內導體(14)外徑D0＝4～30mm，介質單線(122)外徑D1＝18～108mm，內導體(14)插裝於下腔(15)中的長度L1＝30～300mm，介質單線(122)長度L4＝30～54.6mm，門扭塊(121)厚度L5＝0～24.6mm。
8.按照權利要求4所述的大功率微波等離子體炬，其特徵在於所述微波源的頻率為2450MHz，其介質單線(122)中介質材料採用石英，內導體(14)外徑D0＝4～30mm，介質單線(122)外徑D1＝14～90mm，內導體(14)插裝於下腔(15)中的長度L1＝30～300mm，介質單線(122)長度L4＝25～54.6mm，門扭塊(121)厚度L5＝0～30mm。
9.按照權利要求4所述的大功率微波等離子體炬，其特徵在於所述微波源的頻率為915MHz，其介質單線(122)中介質材料採用氮化硼，內導體(14)外徑D0＝12～50mm，介質單線(122)外徑D1＝60～220mm，內導體(14)插裝於下腔(15)中的長度L1＝100～1200mm，介質單線(122)長度L4＝40～124mm，門扭塊(121)厚度L5＝0～84mm。
全文摘要
本發明涉及一種大功率微波等離子體炬，包括可調諧同軸諧振腔、矩形波導，所述矩形波導內設波導/同軸轉換裝置，所述波導/同軸轉換裝置為門扭塊和介質單線上下扣合的門扭結構，所述波導/同軸轉換裝置分別與矩形波導上下表面緊密接觸連接，所述可調諧同軸諧振腔由位于波導上下兩側並與波導/同軸轉換裝置同軸的上腔、下腔，以及波導/同軸轉換裝置共同構成，內導體一端插裝於下腔，另一端依次貫穿介質單線、門扭塊、上腔，上腔的內外導體之間沿軸線方向設有諧振腔短路活塞，所述矩形波導一端設有微波源，另一端設有波導短路活塞。本發明解決了激發維持機構複雜、調節不方便、功率水平低等問題，可應用於氣相化學反應、材料的合成和加工等。
文檔編號H05H1/46GK1503614SQ02144899
公開日2004年6月9日 申請日期2002年11月22日 優先權日2002年11月22日
發明者楊永進, 張勁松, 徐興祥 申請人:中國科學院金屬研究所