一种便携式常压微波等离子体炬产生装置及方法制造方法及图纸

技术编号:19127039 阅读:10 留言:0更新日期:2018-10-10 08:22
本发明专利技术公开了一种便携式常压微波等离子体炬的产生方法及装置,包括:便携式微波炬等离子体发射头、高功率同轴传输线、全固态微波功率源;所述便携式微波炬等离子体发射头由陶瓷环、固体电极、金属喷嘴、绝缘环、适配器、第一进气管、第二进气管组成。实施本发明专利技术提供的方法及装置,产生可提供长距离便携操作的微波等离子体,该装置不需要数千伏的高压直流电,不需要人为操作微波炬系统中的三销钉或短路活塞等传输线元件,自动匹配调整微波传输线的阻抗,使微波耦合进入等离子体的效率达到最佳。

【技术实现步骤摘要】
一种便携式常压微波等离子体炬产生装置及方法
本专利技术属于低温等离子体物理及应用科学研究领域,具体涉及一种便携式常压微波等离子体炬产生装置及方法。
技术介绍
微波等离子体属于低温等离子体源的一个重要分类,因其不需要电极、产生等离子体密度阈值高、电子温度较高、等离子体空间电位较低、工作气压范围宽、活性自由基种类多且浓度高、产生气体温度范围宽,可以是非平衡等离子体也可以是处于局部热平衡态的热等离子体,因此被广泛应用于材料表面清洗、废气治理、材料制备、温室气体转化、氢制备、废气液体或固体材料的治理、含氮物质的制备、医疗美容、灭菌、活化水等的制备、可燃物质的辅助燃烧等。微波等离子体炬因其不需要昂贵而复杂的真空系统,可以使用多种工作气体产生放电进而实现多种用途,具有更突出的特点和优势,因此得到了世界范围的关注和研究。然而,传统的微波炬的存在以下几个缺点:(1)安全性;常规的微波炬磁控管需要使用数千伏的高压激励才能产生电子进而形成电磁波,需要能提供几千伏高压的直流电源。(2)结构较繁冗;传统的微波炬需要使用三销钉或短路活塞,增加了整个系统的复杂性和重量。(3)操作不便捷;通常需要对微波炬系统中的三销钉或短路活塞进行调整,以便对电磁波能量向工作介质中的耦合进行调整,使微波能量耦合更高效。(4)时变调节性能较差;在传统的微波炬系统中,当外界条件稍有变化时则需要对整个微波传输线阻抗进行调整,以使微波耦合效率达到最佳。
技术实现思路
针对微波炬等离子体产生方法和装置的不足之处,本专利技术提供了一种便携式常压微波等离子体炬产生装置及方法,采用本专利技术涉及的方法和装置可以有效产生便携式微波等离子体源,并可用于远距离便携操作,用于材料表面清洗、接枝改性、高纯度薄膜或粉体材料制备、温室气体转化、氢制备、有毒或有害气体或液体或固体材料的治理、含氮物质的制备,也可用于医疗、美容、灭菌、活化水的制备,还可用于可燃物质(如天然气、汽油、柴油、可燃冰、煤炭、液化石油气等)的辅助燃烧技术,本专利技术的突出特点是产生可提供长距离便携操作的微波等离子体,该装置不需要数千伏的高压直流电,可以在特定情况下选择不使用三销钉或短路活塞,利用固态微波源的频率自调谐特性不需要人为操作微波炬系统中的三销钉或短路活塞等传输线元件,利用固态微波源的频率自调谐特性自动匹配调整微波传输线的阻抗,使微波耦合进入等离子体的效率达到最佳,便于更便捷地将其应用于材料制备或表面处理等领域。本专利技术采用的技术方案是:一种便携式常压微波等离子体炬产生装置,其特征在于,包括:全固态微波功率源(01)、同轴传输线(02)、同轴-波导转换器(03)、环形器(04)、水负载(05)、矩形波导(06)、波导-同轴转换器(07)、同轴传输线(08)、微波炬等离子体发射头(09)、短路活塞(10);所述全固态微波功率源(01)通过同轴传输线(02)与同轴-波导转换器(03)连接,后通过矩形波导端口与环形器(04)连接,环形器(04)通过矩形波导端口与水负载(05)连接,环形器(04)的另一端与矩形波导(06)连接,后通过矩形波导端口与波导-同轴转换器(07)连接,波导-同轴转换器(07)通过同轴传输线(08)与微波炬等离子体发射头(09)连接,波导-同轴转换器(07)的另一端通过矩形波导端口与短路活塞(10)连接。一种便携式常压微波等离子体炬产生装置,其特征在于,包括:全固态微波功率源(01)、同轴传输线(11)、同轴式三销钉调配器(12)、同轴式环形器(13)、空气负载(14)、同轴传输线(15)、微波炬等离子体发射头(09);所述全固态微波功率源(01)通过同轴传输线(11)与同轴式三销钉调配器(12)连接,同轴式三销钉调配器(12)另一端与同轴式环形器(13)连接,同轴式环形器(13)的另两端分别直接与空气负载(14)、同轴传输线(15)连接,同轴传输线(15)的另一端与微波炬等离子体发射头(09)连接。一种便携式常压微波等离子体炬产生装置,其特征在于,包括:全固态微波功率源(01)、同轴传输线(11)、微波炬等离子体发射头(09),所述全固态微波功率源(01)通过同轴传输线(11)与微波炬等离子体发射头(09)连接。所述的一种便携式常压微波等离子体炬产生装置,其特征在于,所述微波炬等离子体发射头(09)包括:绝缘环(16)、第一进气管(17)、第二进气管(18)、陶瓷环(19)、固体电极(20)、金属喷嘴(21)、适配器(22)、同轴调配器(23);所述陶瓷环(19)通过平面挤压的方式嵌入所述金属喷嘴(21)内部,适配器(22)通过螺纹固定于金属喷嘴(21)外部,第一进气管(17)固定于适配器(22)上,第二进气管(18)固定于金属喷嘴(21)上,固体电极(20)通过同轴调配器(23)固定于微波炬等离子体发射头(09)底部,绝缘环(16)放置于固体电极(20)与金属喷嘴(21)中间并固定于同轴传输线(08)或同轴传输线(15)或同轴传输线(11)。所述便携式微波炬等离子体发射头设计为可手持结构,不存在过热或高压的风险。所述的一种便携式常压微波等离子体炬产生装置,其特征在于,所述陶瓷环用于提高局部电磁场的电场强度,以击穿工作气体产生微波等离子体,陶瓷环(19)采用耐高温氧化铝陶瓷材料、氧化锆陶瓷材料、石英材料或氮化硅陶瓷材料制成。所述的一种便携式常压微波等离子体炬产生装置,其特征在于,所述固体电极(20)主要用于作为电磁波同轴传输线内导体,所述固体电极采用紫铜、黄铜、金属铝、金属铁或高导电石墨材料制成。所述的一种便携式常压微波等离子体炬产生装置,其特征在于,所述绝缘环用于固定所述同轴调配器和所述固体电极,同时也可用于阻止从所述第一进气管和第二进气管进入腔体内的工作气体反流,同时也用于通过所述全固态微波功率源输出的高功率微波;所述绝缘环(16)采用聚四氟乙烯、石英玻璃、氧化铝陶瓷材料、氧化锆陶瓷材料或氮化硅陶瓷材料制成。所述适配器用于固定第二进气管,以通入一种或是多种混合物质,所述混合物质可以是烷烃类可燃性气体,可以是Ar、He、Ne等惰性气体,可以是N2气体,可以是O2,可以是金属或是非金属颗粒物粉体,可以是金属氧化物或是非金属氧化物颗粒物。所述的一种便携式常压微波等离子体炬产生装置,其特征在于,所述全固态微波功率源(01)内置水负载和环行器,允许功率全发射而不至于毁坏所述全固态微波功率源;所述全固态微波功率源通过RS485通讯端口与控制单元连接,所述控制单元用于使所述全固态微波功率源设置在连续、脉冲模式下运行,可任意调节脉冲模式下运行的占空比和脉宽,可以设置任意调节微波发射功率,可以任意调节发射微波的相位角,可以设置驻波保护,可以设置最大微波频率带宽;所述控制单元同时用于读取实时反馈功率并运算发射功率系数,根据反射功率系数调节所述微波频率带宽,使反射功率降到最低并使微波功率最大化馈入到所述微波等离子体炬中,提高微波能量利用效率。一种便携式常压微波等离子体炬产生方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤S100,安装便携式常压微波等离子体炬产生装置中除固态微波功率源(01)以外的其余微波器件;步骤S101,向微波炬等离子体发射头(09)中通入工作气体,通过流量控制器调节气体流量0.05L/min-1本文档来自技高网...
一种便携式常压微波等离子体炬产生装置及方法

【技术保护点】
1.一种便携式常压微波等离子体炬产生装置,其特征在于,包括:全固态微波功率源(01)、同轴传输线(02)、同轴‑波导转换器(03)、环形器(04)、水负载(05)、矩形波导(06)、波导‑同轴转换器(07)、同轴传输线(08)、微波炬等离子体发射头(09)、短路活塞(10);所述全固态微波功率源(01)通过同轴传输线(02)与同轴‑波导转换器(03)连接,后通过矩形波导端口与环形器(04)连接,环形器(04)通过矩形波导端口与水负载(05)连接,环形器(04)的另一端与矩形波导(06)连接,后通过矩形波导端口与波导‑同轴转换器(07)连接,波导‑同轴转换器(07)通过同轴传输线(08)与微波炬等离子体发射头(09)连接,波导‑同轴转换器(07)的另一端通过矩形波导端口与短路活塞(10)连接。

【技术特征摘要】
1.一种便携式常压微波等离子体炬产生装置,其特征在于,包括:全固态微波功率源(01)、同轴传输线(02)、同轴-波导转换器(03)、环形器(04)、水负载(05)、矩形波导(06)、波导-同轴转换器(07)、同轴传输线(08)、微波炬等离子体发射头(09)、短路活塞(10);所述全固态微波功率源(01)通过同轴传输线(02)与同轴-波导转换器(03)连接,后通过矩形波导端口与环形器(04)连接,环形器(04)通过矩形波导端口与水负载(05)连接,环形器(04)的另一端与矩形波导(06)连接,后通过矩形波导端口与波导-同轴转换器(07)连接,波导-同轴转换器(07)通过同轴传输线(08)与微波炬等离子体发射头(09)连接,波导-同轴转换器(07)的另一端通过矩形波导端口与短路活塞(10)连接。2.一种便携式常压微波等离子体炬产生装置,其特征在于,包括:全固态微波功率源(01)、同轴传输线(11)、同轴式三销钉调配器(12)、同轴式环形器(13)、空气负载(14)、同轴传输线(15)、微波炬等离子体发射头(09);所述全固态微波功率源(01)通过同轴传输线(11)与同轴式三销钉调配器(12)连接,同轴式三销钉调配器(12)另一端与同轴式环形器(13)连接,同轴式环形器(13)的另两端分别直接与空气负载(14)、同轴传输线(15)连接,同轴传输线(15)的另一端与微波炬等离子体发射头(09)连接。3.一种便携式常压微波等离子体炬产生装置,其特征在于,包括:全固态微波功率源(01)、同轴传输线(11)、微波炬等离子体发射头(09),所述全固态微波功率源(01)通过同轴传输线(11)与微波炬等离子体发射头(09)连接。4.根据权利要求1、2或3所述的一种便携式常压微波等离子体炬产生装置,其特征在于,所述微波炬等离子体发射头(09)包括:绝缘环(16)、第一进气管(17)、第二进气管(18)、陶瓷环(19)、固体电极(20)、金属喷嘴(21)、适配器(22)、同轴调配器(23);所述陶瓷环(19)通过平面挤压的方式嵌入所述金属喷嘴(21)内部,适配器(22)通过螺纹固定于金属喷嘴(21)外部,第一进气管(17)固定于适配器(22)上,第二进气管(18)固定于金属喷嘴(21)上,固体电极(20)通过同轴调配器(23)固定于微波炬等离子体发射头(09)底部,绝缘环(16)放置于固体电极(20)与金属喷嘴(21)中间并固定于同轴传输线(08)或同轴传输线(15)或同轴传输线(11)。5.根据权利要求4所述的一种便携式常压微波等离子体炬产生装置,其特征在于,所述陶瓷环(19)采用耐高温氧化铝陶瓷材料、氧化锆陶瓷材料、石英材料或氮化硅陶瓷材料制成。6.根据权利要求4所述的一种便携式常压微波等离子体炬产生装置,其特征在于,所述固体电极采用紫铜、黄铜、金属铝、金属铁或高导电石墨材料制成。7.根据权利要求4所述的一种便携式常压微波等离子体炬产生装置,其特征在于,所述...

【专利技术属性】
技术研发人员:陈龙威江贻满马文东朱梁吴则革单家芳刘甫坤
申请(专利权)人:中国科学院合肥物质科学研究院
类型:发明
国别省市:安徽,34

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