一种微波冷等离子体射流装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种微波冷等离子体射流装置，包括腔体部分，微波耦合部分，调谐部分，电场调制部分；腔体部分为一端开放的双谐振腔结构，微波传输模式为TEM模式；微波耦合部分可以电导耦合、电容耦合、磁耦合等方式将微波能量耦合到腔体部分；电场调制部分由施加纳秒脉冲(或DC电压)的由绝缘层包裹的内电极实现。本发明专利技术基于微波冷等离子体臭氧生成量少、等离子体浓度更高、激发态粒子更丰富，以及纳秒脉冲(或DC)更易形成长直冷等离子体的特点，提出的一种微波冷等离子体射流方法，即在微波冷等离子体上施加辅助电场，利用辅助电场牵引带电粒子加速运动，延长射流的长度。延长射流的长度。延长射流的长度。

【技术实现步骤摘要】
一种微波冷等离子体射流装置


[0001]本专利技术属于材料处理、材料检测、等离子体生物医学、临床医学等领域，具体的，涉及一种具有辅助电场的微波冷等离子体射流装置，可获得稳定的常压长直微波冷等离子体射流。

技术介绍

[0002]等离子体由电子、离子、中性粒子等组成，当重粒子温度远低于电子温度时被称为冷等离子体。目前，大气压冷等离子体被广泛应用于废气处理、辅助燃烧、表面改性、医用灭菌、临床医学等领域。其中，大气压冷等离子体射流在开放空间中产生，其在输送活性物质和带电粒子的同时还实现了放电区域和工作区域分离，具有更高的安全性，因此在生物、临床医学等领域具有较好的应用前景。在实际应用中，射流长度是首要考虑的关键参数，其在很大程度上影响和制约了常压冷等离子体射流的应用。同时，等离子体成分也是需考虑的关键因素，其限制了等离子体射流的应用场景。
[0003]冷等离子体可以通过高压、微波、射频等途径驱动相应装置生成，驱动方式及装置结构对射流长度及成分有重要影响。其中，微波冷等离子体射流具有电子密度大、电离度高、可控性强、臭氧生成量少等优势，可以高效应用于病菌灭活、伤口治疗、人体手术等各种场景。
[0004]冷等离子体射流生成于开放空间中，空气的汇入导致射流长度较短，为解决该问题，目前通过三条途径延长射流长度。
[0005]一者是使用大流量的惰性气体(氦气、氩气、氖气等)为工作气体，使得射流喷口处于击穿场强阈值相对较低的惰性气体环境利于等离子体形成，同时高流量的气体能牵引等离子体向外喷出；(如卢新培课题组于2008年提出的长达11cm的氦气等离子体射流，由正弦高压驱动包裹石英管的中心电极生成)
[0006]二者是通过高压纳秒脉冲驱动，在极高且极快的能量输入下等离子体射流长度被观察到显著增长；
[0007]三者是通过复合式同轴双线的结构，以双谐振腔配合双气流约束的方式调控等离子体射流形状(对应专利号CN201910658894.6)。
[0008]1)使用惰性气体为工作气体时，需配备大型气瓶，携带不便，不适用于户外、接地取材等工作环境，并且该等离子体射流不适合应用于一些特殊环境(如肺部处理等)；
[0009]2)在常用的工作气体中，空气因其无需配备气瓶、便携易操作等优势而具有更广的应用前景，但也有击穿场强阈值远大于惰性气体、使用高压驱动介质阻挡放电等方式激发放电时生成大量臭氧等问题，在应用于临床医学时不利于处理对象的健康；
[0010]3)由气流主导牵引等离子体射流喷出时，被处理的病原体等医学对象可能会在气流的扰动下脱离所处位置，有引起生化污染的潜在问题；
[0011]4)通过复合式同轴双线及双气流的方式生成微波冷等离子体射流时，由于其开口端均为直管结构，电场强度未进一步增强，较难达到空气微波冷等离子体的激发场强，这制
约了其在空气为工作气体时的应用。

技术实现思路

[0012]为解决以上现有技术存在的问题，本专利技术提出一种微波冷等离子体射流装置。
[0013]本专利技术可通过以下技术方案予以实现：
[0014]一种微波冷等离子体射流装置，由腔体部分、微波耦合部分、调谐部分和电场调制部分组成；
[0015]所述腔体部分为一端开放的外管、两端开放的中管、内电极同轴谐振腔结构，外管上设有微波馈入端口、切向流屏蔽气入口，中管上设有气体入口；
[0016]所述微波耦合部分包括耦合环，将微波能量耦合到所述腔体部分；
[0017]所述调谐部分为调谐端对谐振腔长度进行调节的结构，以调节开口端场强，调谐端上端为反射端面；所述调谐端调整至腔体部分的深度为Yλ/4，其中λ为所述微波频率下的波长，Y为正奇数；
[0018]所述电场调制部分为施加纳秒脉冲/DC电压与内电极相连，内电极由同轴绝缘层包裹。
[0019]进一步地，所述外管、中管、内电极均为金属材质，外管与中管之间、中管与内电极之间的微波传输模式均为TEM模式。
[0020]进一步地，所述外管的轴向长度为Nλ/4，其中，λ为所述微波频率下的波长，N为正奇数。
[0021]进一步地，所述外管、中管上端口为渐变收口结构，所述外管收口为0～60
°
，所述中管收口为0～30
°
。
[0022]进一步地，所述中管、同轴绝缘层之间有上表面为金属材质的多孔同轴垫圈，该多孔同轴垫圈的上表面距所述腔体部分开口端端口的距离范围为其中λ为所述微波频率下的波长，M为正奇数。
[0023]进一步地，所述内电极插入同轴绝缘层的容腔，同轴绝缘层内层包覆在内电极的外侧。
[0024]进一步地，所述中管上端口不高于外管，所述内电极及同轴绝缘层上端可高/低于中管。
[0025]进一步地，所述外管、中管通过屏蔽气入口处或气体入口引入气体。
[0026]进一步地，所述屏蔽气入口处以切向流的方式引入；所述的屏蔽气入口、气体入口的气体流速控制在0～20L/min。
[0027]进一步地，所述耦合环与外管上端口间距可调；所述微波等离子体射流装置适用电磁波频率范围为几MHz～几GHz。
[0028]进一步地，所述纳秒脉冲电源的输出脉宽为10～900ns，上升沿为1～200ns，振幅为3～220kV，频率为1～20kHz，占空比为1～99％；所述DC电源的输出电压为0～60kV或0～
‑
60kV。
[0029]有益效果
[0030]本专利技术使用微波源驱动双谐振腔结构生成温度低、易调节、可手持操作的常压微波冷等离子体射流，并在此基础上引入有高压形成的辅助电场，牵引微波等离子体中极大
密度的带电粒子向喷口外运动，以此延长射流长度。本专利技术以电场主导牵引带电粒子运动，有效避免了由气流扰动而可能造成的生化污染。同时，高压可驱动生成冷等离子体，能在炬管端口处辅助点火，利于微波等离子体射流的形成并提高其稳定性。其中，因于纳秒脉冲/DC高压与微波的工作频率差异较大，在等离子体谐振器中直流电场与微波场可实现场解耦。此外，微波冷等离子体生成装置基于微波等离子体炬(MPT)变形，于外管及中管上端加入渐变收口结构，用于调控开口端电场。而中心电极外的绝缘层可防止鞘层电压过高促使带电粒子产生对放电电极的轰击作用，提高了电极使用寿命，并使得射流装置整体可接触，提高了安全性。
附图说明
[0031]图1是根据本专利技术专利的结构示意图；
[0032]图2是根据本专利技术专利的另一种结构示意图。
具体实施方式
[0033]以下通过特定的具体实施例说明本专利技术的实施方式，本领域的技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本专利技术的其他优点及功效。
[0034]具体实施例1
[0035]具体实施例1给出本专利技术专利的复合调制微波冷等离子体射流装置，并结合图1给出其中一种典型结构示意图。
[0036]所述复合场调制微波冷等离子体射流装置由腔体部分、微波耦合部分、调谐部分和电场调制部分组成本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微波冷等离子体射流装置，其特征在于，由腔体部分、微波耦合部分、调谐部分和电场调制部分组成；所述腔体部分为一端开放的外管、两端开放的中管、内电极同轴谐振腔结构，外管上设有微波馈入端口、切向流屏蔽气入口，中管设有气体入口；所述微波耦合部分包括耦合环，将微波能量耦合到所述腔体部分；所述调谐部分为调谐端对谐振腔长度进行调节的结构，以调节开口端场强，调谐端上端为反射端面；所述调谐端调整至腔体部分的深度为Yλ/4，其中λ为所述微波频率下的波长，Y为正奇数；所述电场调制部分为施加纳秒脉冲/DC电压与内电极相连，内电极由同轴绝缘层包裹。2.根据权利要求1所述的一种微波冷等离子体射流装置，其特征在于，所述外管、中管、内电极均为金属材质，外管与中管之间、中管与内电极之间的微波传输模式均为TEM模式。3.根据权利要求1所述的一种微波冷等离子体射流装置，其特征在于，所述外管的轴向长度为Nλ/4，其中，λ为所述微波频率下的波长，N为正奇数。4.根据权利要求1所述的一种微波冷等离子体射流装置，其特征在于，所述外管、中管上端口为渐变收口结构，所述外管收口为0～60
°
，所述中管收口为0～30
°
。5.根据权利要求1所述的一种微波冷等离子体射流装置，其特征在于，所述中管、同轴绝缘层之间有...

【专利技术属性】
技术研发人员：于丙文，金伟，柏怡文，
申请(专利权)人：浙江大学湖州研究院，
类型：发明
国别省市：