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《大气压微波等离子体炬的仿真设计与实验》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。
1、第22卷第2期强激光与粒子束Vol.22,No.22010年2月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSFeb,2010文章编号:1001-4322(2010)02-0315-04*大气压微波等离子体炬的仿真设计与实验张庆,张贵新,王黎明,王淑敏(清华大学电机工程与应用电子技术系,北京100084)摘要:设计了一个低成本、高稳定性的基于BJ22矩形波导的微波等离子体炬源。整个系统由1~10kW主频2.45GHz的磁控管微波功率源、环形器、调谐器和微波反应腔体组成。通过特殊设计的调谐装置,在气体喷嘴处产生高幅值的电场强
2、度,使工作气体电离形成大气压开放式微波等离子体炬。对影响电场强度的几个关键因素进行了仿真,得出各个参数对场强的影响规律;根据仿真参数设计了微波反应腔体,该系统可以在大气压下激发和维持开放的稳定氩气、氦气、氮气和空气等离子体炬。对等离子体炬的基本特性和基本参数进行了研究,验证了设计参数的正确性,讨论了其可扩展性及潜在的工业应用。关键词:微波等离子体炬;矩形波导;大气压;开放式运行中图分类号:O531文献标志码:Adoi:10.3788/HPLPB20102202.0315[1-5]等离子体以其特有的物理和化学特性被广泛应用到纳米材料合成、
3、材料表面处理和杀菌等工业领域。用微波电磁能量产生等离子体相比电极放电,不存在电极的蒸发污染问题,等离子体的生成空间不受电极间隙[6]的限制,而且产生的等离子体和能量源分离,可以实现大气压开放式等离子体,不需要放电管。这些优势使得微波等离子体在工业应用中越来越广泛。微波等离子体炬是一种很重要的等离子体发生形式。目前的发生[7]装置以易电离的惰性气体为工作气体,产生的等离子体炬体积较小,效率较低。本文设计了一个低成本、高稳定性的基于BJ22矩形波导的微波等离子体炬源,不仅可以产生大气压开放式稳定的氩气、氦气等离子体炬,也可以使难以电离的氮气
4、和空气电离形成等离子体炬,而且体积比较大,性能稳定,微波能量利用率高,可扩展性好。1微波传输系统与反应腔体设计实验系统由1~10kW主频2.45GHz的磁控管微波功率源、环行器、可变衰减器、四螺钉调谐器、T型波导、带有短路活塞的矩形波导终端和微波反应腔体(等离子体腔)组成,如图1所示。微波反应腔体由直线矩形波导、调谐装置、短路活塞组成。整个实验系统基于BJ22矩形波导,结构尺寸109.2mm@54.6mm,对应的主模频率范围1.72~2.61GHz。Fig.1Transmission,tuning,monitoringandprotec
5、tionsystemsofanatmosphericpressuremicrowaveplasma图1微波能量传输、调谐监测保护系统框图微波在直线波导中传输,经过短路活塞,形成反射电磁波,与入射电磁波相互叠加,在直线波导中形成电压驻波和电流驻波,如图2所示,其中实线表示的是不同时刻t1~t5的电压驻波,虚线表示相应时刻的电流驻波,图下方的两排数字表示不同调谐位置时的场强(单位:V/m)。可以看到,BJ22矩形波导微波能量以TE10模式单模传输,且其传导波长为147.8mm。根据气体击穿理论,当微波电场的有效值达到气体击穿场强时,气体激发
6、形成等离子体。为了在大气压下产生等离子体,必须通过调谐装置调节,使得工作气体喷嘴处产生大于击穿场强的电场,所以调谐装置的结构设计很重要。我们采用大圆柱和顶端逐渐缩小的小圆柱组成的结构,如图3所示,大圆柱可以上下调节深入矩*收稿日期:2009-07-17;修订日期:2009-10-29基金项目:国家自然科学基金项目(50477005);清华大学科研创新基金项目(JCpy2005053)作者简介:张庆(1980)),男,博士研究生,从事微波等离子体源,等离子体参数诊断及应用研究;q-z06@mails.tsinghua.edu.cn。通信作
7、者:张贵新(1963)),男,副教授,主要研究等离子体物理,高电压技术,光电测量;guixin@mail.tsinghua.edu.cn。316强激光与粒子束第22卷形波导内的深度,小圆柱可以相对大圆柱上下调节距离直线波导辐射孔的距离,小圆柱末端为半径逐渐缩小的同轴圆柱,这样可以实现微波反应腔阻抗的连续变化,从而找到一个最合适的位置,在小圆柱末端和波导辐射孔处形成高幅值的电场。Fig.2VoltageandcurrentstandingwavesinsideFig.3Schematicdiagramofmicrowaveplasmaca
8、vityrectangularwaveguide,andelectricfieldatdifferent图3微波反应腔体框图tuningpositionawayfromshort-circuitadjust
