CN107801286A - 一种基于介质阻挡放电预电离的微波等离子体激发系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种基于介质阻挡放电预电离的微波等离子体激发系统，属于微波等离子体源、微波材料处理技术领域，包括设有非金属微波放电管的微波谐振等离子体炬发生装置和由介质阻挡放电(DBD)射流电源、非金属预电离射流管、预电离气体存放瓶、气流和水冷设备及工作气体存放瓶构成的DBD预电离系统；气流和水冷设备的气流接口一端与微波放电管上端连通、另一端与工作气体存放瓶连接；预电离射流管下部位于非金属预电离射流管内，且中部缠绕有与DBD射流电源连接的铜箔层；预电离射流管上端与预电离气体存放瓶连接。本系统能保证微波在腔体中顺利激发微波等离子体，解决了一般微波波导谐振腔内等离子体在大气压下难于激发的问题。

Description

一种基于介质阻挡放电预电离的微波等离子体激发系统

技术领域

本发明涉及一种基于介质阻挡放电预电离的微波等离子体激发系统，属于微波等离子体源、微波材料处理技术领域。

背景技术

微波等离子体是一种能够产生无极放电的等离子体，具有高电子密度、高等离子体温度的特点。由于微波等离子体可以在没有电极的条件下产生，因此避免了电极烧蚀、电极污染等方面的问题，具有很多优点和特殊性，获得了非常广泛的应用。特别是在新材料的制备、加工，等离子体化学化工，废弃固体及废气处理，冶金，金属焊接冶炼，锅炉点火燃烧，薄膜沉积等方面等具有非常大的应用潜力。

对于微波放电而言，普遍在低气压下(几帕至几百帕)范围内，容易激发产生微波等离子体，而在大气压环境中，在没有引入外界点火器置于微波波导谐振腔内的情况下，往往无法激发。而一般的金属丝或金属喷头形式的点火器，如中国专利CN104507249A，微波等离子体在矩形波导谐振腔中产生，通过在矩形波导谐振腔的反应区设置一个金属铜制探针激发微波等离子体，由于矩形波导谐振腔的反应区温度高达3000K—5000K，引起金属污染，因此带来了金属烧蚀和金属污染方面的问题。

又如已有文献《常压微波等离子体炬装置的模拟与设计》(刘繁等.强激光与离子束,2011,23(6):1054～1058)公开了一种常压微波等离子体炬装置，该装置包括由主频2.45GHz的微波功率源及磁控管构成的微波功率和总控制系统，由环形器水负载、WR340标准矩形波导和矩形渐变波导构成的能量传输系统，由微波矩形耦合腔、喷嘴和短路活塞构成的微波反应器及附属系统。该装置也采用金属喷嘴，同样存在金属灼烧和金属污染方面的问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种基于介质阻挡放电预电离的微波等离子体激发系统。本发明提出了一种利用介质阻挡放电(DBD)射流，在微波波导谐振腔中引入种子电子，从而实现大气压下微波等离子体的顺利激发，可避免金属电极接触等离子体区域产生的烧蚀和污染问题。

本发明采用以下技术方案：

一种基于介质阻挡放电预电离的微波等离子体激发系统，包括主要由微波发生器、环形器和水负载、双定向耦合器、三销钉调节器以及微波波导谐振腔依次连接构成的微波谐振等离子体炬发生装置；该系统还包括主要由介质阻挡放电射流电源、非金属预电离射流管、预电离气体存放瓶、气流和水冷设备及工作气体存放瓶构成的介质阻挡放电预电离装置，以及设置在所述微波波导谐振腔中微波电场幅值最大处的非金属微波放电管，且该微波放电管两端分别凸出于所述微波波导谐振腔的上下表面；所述气流及水冷设备包括设有气流接口的上部法兰和设有水冷接口的下部金属箱体；其中，

所述下部金属箱体包裹在凸出于微波波导谐振腔上端的非金属微波放电管外侧，所述水冷接口包括一个进水口和一个出水口，通过该进、出水口及管道向下部金属箱体内通入循环的冷却液；设置在上部法兰的气流接口一端与所述非金属微波放电管的上端连通，该气流接口另一端通过带阀门的管道与所述工作气体存放瓶连接；所述预电离射流管的上部位于气流和水冷设备外，该预电离射流管的下部位于所述非金属微波放电管内部；所述非金属预电离射流管中部距离气流和水冷设备上表面2～10cm处缠绕有铜箔层，该铜箔层与介质阻挡放电射流电源的输出端电连接；所述非金属预电离射流管上端通过带阀门的管道与所述预电离气体存放瓶连接。

本发明的特点及有益效果：

本发明在一般微波等离子体谐振装置的基础上，增加了DBD预电离装置，具体的，在DBD射流电源连接在位于预电离石英管的铜箔层上，DBD射流电源能够施加40kHz，数千伏至数十千伏的射频高压，预电离射流管通入预电离气体，能够直接产生DBD等离子体射流，射流中存在大量的预电离电子，可进入微波波导谐振腔体的微波放电管中，微波等离子体可在微波能量作用下直接激发产生。

通过对DBD预电离装置的引进，使得微波波导谐振腔中不需要任何金属点火器，就能够实现微波等离子体的产生和激发，避免了金属材料的损耗和金属污染；本系统能够产生高纯度的等离子体，不会引入金属杂质；此外，由于等离子体不直接和金属部件接触，本系统温度不会升高过多，能够有效降低装置的冷却成本。本系统对微波等离子体的材料处理、微波等离子体化学工业等具有重要意义。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

具体实施方式

本发明提出的一种基于介质阻挡放电预电离的微波等离子体激发系统结合附图及实施例详细说明如下：

本发明的整体结构如图1所示，该系统包括微波谐振等离子体炬发生装置和介质阻挡放电(DBD)预电离装置两部分；

微波谐振等离子体炬发生装置主要由依次连接的微波发生器1、环形器和水负载2、双定向耦合器3、三销钉调节器4以及微波波导谐振腔5构成，在微波波导谐振腔5中微波电场幅值最大处设置非金属微波放电管6，且该微波放电管6两端分别凸出于微波波导谐振腔5的上下表面；

DBD预电离装置包括DBD射流电源7、非金属预电离射流管8、预电离气体存放瓶9、气流和水冷设备10以及工作气体存放瓶12；气流及水冷设备10包括设有气流接口101的上部法兰102和设有水冷接口103的下部金属箱体104；其中，下部金属箱体104包裹在凸出于微波波导谐振腔5上端的非金属微波放电管6外侧，水冷接口103包括一个进水口和一个出水口，通过该进、出水口及管道向下部金属箱体104内通入循环的冷却液(本实施例采用自来水)，对非金属微波放电管6起到冷却效果；设置在上部法兰102的气流接口101一端与非金属微波放电管6的上端连通，气流接口101另一端通过带阀门的管道与工作气体存放瓶12连接；非金属预电离射流管8的上部位于气流和水冷设备10外，该预电离射流管的下部位于非金属微波放电管6内部，非金属预电离射流管8中部距离气流和水冷设备10上表面2～10cm处缠绕有铜箔层11，该铜箔层11通过导线与DBD射流电源7的输出端连接，非金属预电离射流管8上端通过带阀门的管道与预电离气体存放瓶9连接。

本系统各组成器件的具体实现方式及功能说明如下：

微波谐振等离子体炬发生装置的各组成器件均为常规产品；其中，本实施例的微波发生器1采用频率2450MHz的微波功率源，功率可选范围300W-3000W，产生的微波依次通过由环形器和水负载2、双定向耦合器3和三销钉调节器4构成的微波传播组件连接至微波波导谐振腔5输入端；环形器和水负载2、双定向耦合器3和三销钉调节器4分别起到对微波功率源进行保护、检测和微调的作用。非金属微波放电管6处于微波波导谐振腔5中微波电场幅值最大处，即距离微波波导谐振腔末端1/4的微波波导波长处(本实施例中微波波导波长为14.7cm，采用渐变矩形波导谐振腔)，便于激发微波等离子体。非金属微波放电管采用石英、陶瓷、玻璃等各类微波透射且耐高温材料制成，本实施例采用微波放电石英管。

DBD预电离装置中，DBD射流电源7为常规产品，一般可选但不限于频率为40kHz的高频电源，其可输出高压范围一般为几至几十kV。DBD射流电源7通过导线连接在位于非金属预电离射流管8的铜箔层11处，本实施例铜箔层下端至气流和水冷装置10上表面的距离为2cm，非金属预电离射流管8(该预电离射流管可采用石英、陶瓷等制成，本实施例采用预电离石英射流管)下部垂直贯穿气流和水冷装置10，预电离射流管8下端伸至微波波导谐振腔5的上表面处，通过预电离气体瓶9内的预电离气体(可采用氩气、氦气等易电离气体作为DBD预电离气体，本实施例采用氩气作为预电离气体)将预电离射流管8内的射流吹出，进入微波放电管6内，使得预电离产生的种子电子能够顺利进入微波波导谐振腔5内部；同时，微波等离子体需要的工作气体(如氮气、氧气、氦气、空气，但不限于此)通过气流接口101进入微波放电管6，从而在微波放电管6下端顺利激发微波等离子体并可在大气压条件下维持。

本发明的微波等离子体激发系统可在大气压下产生微波等离子体并维持，满足一般工业化的需求。

采用本发明系统进行微波等离子体的激发和维持的步骤如下：

步骤1)打开预电离气体存放瓶9，将预电离气体通过预电离射流管8输送至微波放电管6内；

步骤2)打开DBD射流电源7，调节电压为3kV-4kV，直到产生DBD等离子体射流；

步骤3)打开微波源1，调节微波功率高于800W，以10W为单位步进增加功率至微波等离子体激发；

步骤4)关闭DBD射流电源7，微波等离子体可维持在微波波导谐振腔5的微波放电管6的内部区域；

步骤5)打开工作气体存放瓶12，使得工作气体通过气流接口101进入气流和水冷装置10，通入的预电离气体将微波等离子体带出微波波导谐振腔，并通过工作气体该微波等离子体的长度维持在一定长度(一般大于5cm)；

步骤6)关闭预电离气体存放瓶9，此时微波等离子体已经能够在工作气体12的作用下长期维持。

通过本系统能够可靠实现大气压下大体积微波等离子体的激发和维持，并且避免了一般微波等离子体激发装置中微波点火器的烧蚀和金属污染。这对于微波等离子体材料加工，化学处理工业都具有重要的意义。

Claims (1)

1.一种基于介质阻挡放电预电离的微波等离子体激发系统，包括主要由微波发生器、环形器和水负载、双定向耦合器、三销钉调节器以及微波波导谐振腔依次连接构成的微波谐振等离子体炬发生装置；其特征在于，该系统还包括主要由介质阻挡放电射流电源、非金属预电离射流管、预电离气体存放瓶、气流和水冷设备及工作气体存放瓶构成的介质阻挡放电预电离装置，以及设置在所述微波波导谐振腔中微波电场幅值最大处的非金属微波放电管，且该微波放电管两端分别凸出于所述微波波导谐振腔的上下表面；所述气流及水冷设备包括设有气流接口的上部法兰和设有水冷接口的下部金属箱体；其中，

所述下部金属箱体包裹在凸出于微波波导谐振腔上端的非金属微波放电管外侧，所述水冷接口包括一个进水口和一个出水口，通过该进、出水口及管道向下部金属箱体内通入循环的冷却液；设置在上部法兰的气流接口一端与所述非金属微波放电管的上端连通，该气流接口另一端通过带阀门的管道与所述工作气体存放瓶连接；所述预电离射流管的上部位于气流和水冷设备外，该预电离射流管的下部位于所述非金属微波放电管内部；所述非金属预电离射流管中部距离气流和水冷设备上表面2～10cm处缠绕有铜箔层，该铜箔层与介质阻挡放电射流电源的输出端电连接；所述非金属预电离射流管上端通过带阀门的管道与所述预电离气体存放瓶连接。