大功率微波等离子体炬制造技术

本发明专利技术涉及一种大功率微波等离子体炬，包括可调谐同轴谐振腔、矩形波导，所述矩形波导内设波导／同轴转换装置，所述波导／同轴转换装置为门扭块和介质单线上下扣合的门扭结构，所述波导／同轴转换装置分别与矩形波导上下表面紧密接触连接，所述可调谐同轴谐振腔由位于波导上下两侧并与波导／同轴转换装置同轴的上腔、下腔，以及波导／同轴转换装置共同构成，内导体一端插装于下腔，另一端依次贯穿介质单线、门扭块、上腔，上腔的内外导体之间沿轴线方向设有谐振腔短路活塞，所述矩形波导一端设有微波源，另一端设有波导短路活塞。本发明专利技术解决了激发维持机构复杂、调节不方便、功率水平低等问题，可应用于气相化学反应、材料的合成和加工等。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及等离子炬领域，具体为一种大功率微波等离子体炬。
技术介绍
等离子体按照激发的方法可以分为常规直流(交流)等离子体、高频或射频等离子体、微波诱导等离子体、激光等离子体和热激发等离子体。等离子体技术在材料的制备加工、热核反应、有毒有害废弃物的处理等方面得到广泛的应用。常规直流(交流)等离子体的激发是通过一对电极间形成强的电场强度(对于空气为3000V/毫米)使气体击穿。在实际应用中，常规直流(交流)等离子体存在电极寿命短以及存在由于电极高温汽化而导致的电极污染的缺点。虽然通过强制水冷可以提高电极寿命(目前达到数百小时)，但由于电极污染仍然限制了直流(交流)等离子体的应用范围。高频(射频)等离子体是无极放电，不存在电极污染的问题，在材料的洁净制备(如大规模集成电路的刻蚀、气相沉积等)领域得到应用，但是高频(射频)等离子体的电效率很低，等离子体最多只能耦合40-50％的射频能量，而且射频功率越高，能量效率越低。另外射频电源的能量对空辐射也造成环境电磁污染，在使用过程中必须采取相应的保护措施。激光诱导等离子体虽然也是无极放电过程，但是设备造价高、能量利用效率低也限制了大规模应用的可行性。微波诱导等离子体是另外一种无极放电过程。已有的微波放电结构概括起来可以分为以下几种(1)电容耦合微波等离子体的激励技术(CMP)；(2)同轴基表面波微波等离子体的激励技术(Surfatron)；(3)波导基表面波微波等离子体的激励技术(Surfaguide)；(4)TM010谐振腔(MIP)微波等离子体的激励技术。这些等离子体的激发机构通常都是在小功率(≤1千瓦)条件下工作，目前主要作为光谱分析的等离子体光源。随着等离子体技术在材料洁净加工、有毒有害废弃物处理和等离子体化学合成工业应用的需求不断增强，研究适合各种工作气体介质、大功率、高的能量利用率的微波等离子体炬成为工业界普遍感兴趣的课题。从微波等离子体激发原理来说，目前大多数的微波等离子体的激发是采用微波谐振腔的方法，通过微波应用器的谐振，从而在微波应用器中的局部区域形成很高的电场强度，利用局部区域的高电场使气体介质击穿，形成等离子体。由于是采用微波谐振腔原理设计等离子体激发机构，当等离子体形成后，必然引起微波谐振腔的有效负载量和微波谐振腔腔体的谐振频率发生变化。为了使产生微波等离子体后，整个微波系统的阻抗匹配以及腔体谐振频率与微波源频率的匹配，必须有一个有效的调节手段对腔体进行调节。近来美国麻省里工学院采用两套微波系统来实现微波等离子体的稳定激发和维持。一套微波系统是微波谐振腔，负责等离子体的激发；另一套微波系统是微波行波腔，负责维持等离子体，通过两套微波系统的优化组合，使微波的能量利用率提高到95％，该系统可以适合各种气体工作介质和大功率系统工作(大于4千瓦)。英国利物辅大学报道了一种大功率微波等离子体的激发装置。该装置采用压缩矩型波导窄边的方法使在波导中形成局部的高电场强度区域，通过调整波导压缩的程度和等离子体激发气体喷嘴的位置使得气体喷嘴处的场强达到最大值，在一定的微波功率下(1-6千瓦)使激发气体电离形成等离子体。利用高速气流将等离子体冲出微波波导宽边上的窄缝。综合已有的大功率微波等离子体激发装置，普遍存在激发维持机构复杂，调节不方便的缺点，另外目前所达到的功率水平比较低。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种能够解决激发维持机构复杂、调节不方便、功率水平低等问题的大功率微波等离子体炬。本专利技术的技术方案是一种大功率微波等离子体炬，其特征在于包括可调谐同轴谐振腔、矩形波导，所述矩形波导内设波导/同轴转换装置，所述波导/同轴转换装置为门扭块和介质单线上下扣合的门扭结构，所述波导/同轴转换装置分别与矩形波导上下表面紧密接触连接，所述可调谐同轴谐振腔由位于波导上下两侧并与波导/同轴转换装置同轴的上腔、下腔，以及波导/同轴转换装置共同构成，上、下腔为外导体和内导体构成的同轴线，内导体一端插装于下腔，另一端依次贯穿介质单线、门扭块、上腔，上腔的内外导体之间沿轴线方向设有谐振腔短路活塞，所述矩形波导一端设有微波源，另一端设有波导短路活塞；所述介质单线由内导体与其周围的电介质构成，介质材料的介电常数ε小于或等于10；所述介质材料为空气、氮化硼、聚四氟乙烯、氧化铝、石英之一或其复合体；所述微波源的频率为2450MHz、915MHz或314MHz；当微波源的频率为2450MHz，其介质单线中介质材料采用氮化硼时，等离子炬装置的主要尺寸为内导体外径D0＝4～30mm，介质单线外径D1＝14～100mm，内导体插装于下腔中的长度L1＝30～300mm，介质单线长度L4＝20～54.6mm，门扭块厚度L5＝0～34.6mm；当微波源的频率为245MHz，其介质单线中介质材料采用氧化铝时，等离子炬装置的主要尺寸为内导体外径D0＝4～30mm，介质单线外径D1＝10～60mm，内导体插装于下腔中的长度L1＝30～300mm，介质单线长度L4＝15～40mm，门扭块厚度L5＝14～40mm；当微波源的频率为2450MHz，其介质单线中介质材料采用聚四氟乙烯时，等离子炬装置的主要尺寸为内导体外径D0＝4～30mm，介质单线外径D1＝18～108mm，内导体插装于下腔中的长度L1＝30～300mm，介质单线长度L4＝30～54.6mm，门扭块厚度L5＝0～24.6mm；当微波源的频率为2450MHz，其介质单线中介质材料采用石英，等离子炬装置的主要尺寸为内导体外径D0＝4～30mm，介质单线外径D1＝14～90mm，内导体插装于下腔中的长度L1＝30～300mm，介质单线长度L4＝25～54.6mm，门扭块厚度L5＝0～30mm；当微波源的频率为915MHz，其介质单线中介质材料采用氮化硼，等离子炬装置的主要尺寸为内导体外径D0＝12～50mm，介质单线外径D1＝60～220mm，内导体插装于下腔中的长度L1＝100～1200mm，介质单线长度L4＝40～124mm，门扭块厚度L5＝0～84mm。本专利技术的有益效果是1.激发维持机构简单、调节方便、微波入射功率大。本专利技术根据微波学原理，在分析已有等离子体激发装置的基础上，设计了一种新的微波等离子体激发方案。利用可调谐同轴谐振腔实现等离子体的激发和等离子体产生后腔体的谐振频率的调整，利用波导短路活塞调节解决由于等离子体产生而引起的阻抗不匹配的问题，两套调节机构各自独立工作，相互之间不干扰。为了适合大功率和各种工作气体介质应用的需要采用了门扭结构的波导/同轴转换装置和气体密封结构，该装置能够在20千瓦的功率下长期稳定工作，利用介质单线实理微波的矩形波导/可调谐同轴谐振腔的能量耦合以及气体的密封，使得本装置能够在大功率条件下稳定工作，同时适合于需要进行非氧气氛的工作环境。2.利用可调谐同轴谐振腔容易获得高品质因素谐振腔的特点，采用可调谐同轴谐振腔能够实现任何工作气体的微波等离子体的激发。利用可调谐同轴谐振腔的短路活塞对谐振腔的谐振频率由于等离子体的产生引起的腔体谐振频率的漂移进行实时修正，使可调谐同轴谐振腔的谐振频率始终与微波电源的工作频率相吻合。3.利用可调谐同轴谐振腔的短路活塞可以调节波导/同轴转换的效率，通过门扭结构适当压缩矩形波本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大功率微波等离子体炬，其特征在于：包括可调谐同轴谐振腔（１）、矩形波导（２），所述矩形波导（２）内设波导／同轴转换装置（１２），所述波导／同轴转换装置（１２）为门扭块（１２１）和介质单线（１２２）上下扣合的门扭结构，所述波导／同轴转换装置（１２）分别与矩形波导（２）上下表面紧密接触连接，所述可调谐同轴谐振腔（１）由位于波导（２）上下两侧并与波导／同轴转换装置（１２）同轴的上腔（１１）、下腔（１５），以及波导／同轴转换装置（１２）共同构成，上、下腔为外导体（１３）和内导体（１４）构成的同轴线，内导体（１４）一端插装于下腔（１５），另一端依次贯穿介质单线（１２２）、门扭块（１２１）、上腔（１１），上腔（１１）的内外导体之间沿轴线方向设有谐振腔短路活塞（１１１），所述矩形波导（２）一端设有微波源，另一端设有波导短路活塞（２１）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨永进，张劲松，徐兴祥，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：89[中国|沈阳]