【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于等离子体产生领域，具体涉及一种可调式同轴微波等离子体产生装置的设计方法。
技术介绍
1、目前常用于等离子体能源转化的微波等离子体产生装置主要包括微波源、波导、谐振腔、调谐器、反应器等，其中的关键是波导与谐振腔，前者一般为两侧开口的中空结构，主要用于按照特定模式和波形耦合微波源并传输微波能量，常见的波导截面为矩形（ieeetransactions on antennas and propagation, 2005, 53, 2872-2881, doi: 10.1109/tap.2005.854523）或圆形（ieee transactions on microwave theory and techniques,2000, 48, 2446-2452, doi: 10.1109/22.898996）；后者则一般为密封或单侧开口的腔体，负责提供微波谐振回路，使电磁场发生振荡并在特定位置引发放电等离子体。二者的尺寸参数设计与微波频率（300 mhz到300 ghz）密切关联，且材质要求为铜、铝等高导电性金属材料，某些波导和谐振腔内壁还会镀金（journal of materials research, 2009, 24,268-273, doi: 10.1557/jmr.2009.0030）或镀银（advanced science, 2019, 6,1901320, doi: 10.1002/advs.201901320）。微波能量经过波导与谐振腔后，通常在充满工作气体的石英管反应器中引发等离子体，进而使气体发生反应生
2、低温等离子体技术作为一种新型能源转化技术，在绿色化学，特别是c、n、o小分子高值化利用领域有着显著优势，其中微波等离子体因其较高的能量利用效率受到广泛关注。通常情况下，微波等离子体是由微波源输出微波能量经由波导传输和谐振腔汇聚最终在充满工作气体的石英管内引发产生，由于对上述组件及相关配件的尺寸和材料等有较高要求，加之结构参数难以灵活调整，因此整体装置体积庞大且造价高昂，面向实际能源转化应用的技术经济性有待提升。
3、同轴结构的微波等离子体产生装置常用于产生射流并进行材料加热融化/蒸发、表面处理/改性等，较少应用于化工和能源转化领域。同轴结构相对上述组合装置系统更简单，消耗功率水平更低，且可以直接与微波源耦合，一定程度上减少了微波能量经波导、谐振腔、反应器后的损耗，具有进行等离子体能源转化的潜力。
4、微波等离子体属于新兴的能源转化技术，目前采用的微波等离子体发生装置体积大、成本高，不利于从实验室走向实际应用。而同轴微波等离子体结构具有紧凑性、易加工、低成本等优势，是未来面向分布式规模化应用的有效方案之一。然而，目前针对这一结构的微波等离子体装置设计还缺乏定量化的指标，且对于能源转化所需的结构可调性还需要进一步丰富，具体来说还有如下不足：
5、1. 同轴结构各尺寸参数往往比较固定，无法灵活地针对不同微波频率和工作条件进行定制化调整；
6、2. 反应体系自动化程度决定了生产的效率，而典型同轴结构注入微波能量后等离子体的产生往往需要人为引发，且放电位置仅在开口端口处，与工作气体的接触方式单一；
7、3. 气密性设计对能源转化非常关键，不仅关系产物定量化，也能满足部分低气压的工艺条件，但同轴结构设计往往不考虑组件间的气密性配合。
8、综上所述，亟需一种同轴微波等离子体产生装置的设计方法，可以定量化地指导同轴结构参数设计，并且添加多种可调结构灵活适应不同运行条件，实现自激放电，并满足整体气密性要求。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本专利技术提供一种可调式同轴微波等离子体产生装置的设计方法，可根据不同的参数条件设计体积小、成本低的微波等离子体产生装置，其紧凑型的可调式结构不仅可以通过调谐端塞实现谐振频率匹配提高能量注入效率；还可利用激励插头改变电场分布实现自激放电；此外双进气口设计和整体气密性的考虑满足了在不同进气方式和气压环境形成微波等离子体，助力等离子体能源转化技术。
2、为达到上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：
3、一种可调式同轴微波等离子体产生装置的设计方法，包括如下步骤：
4、步骤1、设计同轴结构内外电极直径尺寸；
5、步骤2、设计微波馈入口中心位置；
6、步骤3、设计调谐端塞位置与激励插头的尺寸；
7、步骤4、设计进气口位置与气密性。
8、进一步地，所述步骤1包括：
9、按照单模tem模式传输，其最小的工作波长与同轴结构外电极的内半径和内电极的外半径关系满足式(1)：
10、 (1)
11、式中，是波速；是频率；是模式对应的截止波长；和分别是电磁场沿传播方向所垂直平面的和轴分量的驻波最大值个数；
12、微波能量的传输还同时满足最大功率和最小损耗传输的约束条件；
13、传输功率由式(2)给出：
14、 (2)
15、式中，是同轴结构的本征阻抗，其由内外电极间填充材料本身的特性决定，即，其中，是材料的磁导率，是材料的介电常数；是同轴结构内外电极间隙的击穿场强；
16、传输损耗衰减常数由式(3)给出：
17、 (3)
18、式中，是同轴结构材料的电阻率；
19、式(1)确定同轴结构内外电极的半径之和，和使式(2)达到最大值而同时式(3)达到最小值，确定给定工作频率和内外电极材料时符合上述条件的和范围。
20、进一步地，所述步骤2包括：
21、首先，同轴结构一端为开路，另一端为短路，微波入射能量在开路端反射并相互叠加，产生的同轴结构电压分布关系如式(4)：
22、 (4)
23、式中，是距开路端面的距离，时对应的为开路端电压；是入射电压幅值；是虚数单位；是传输相位系数，其与工作波长的关系为；由于需要使短路端的电压为0，因此外电极开路端面与短路端面的距离满足式(5)：
24、 (5)
25、式中，和分别是微波馈入口中心与外电极开路端面和短路端面的距离；是工作频率对应的四分之一周期数，其取值使得是四分之一工作波长的奇数倍，从而使短路端电压为0；
26、其次，同轴结构的输入阻抗与和满足式(6)：...
【技术保护点】
1.一种可调式同轴微波等离子体产生装置的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种可调式同轴微波等离子体产生装置的设计方法，其特征在于，所述步骤1包括：
3.根据权利要求1所述的一种可调式同轴微波等离子体产生装置的设计方法，其特征在于，所述步骤2包括：
4.根据权利要求1所述的一种可调式同轴微波等离子体产生装置的设计方法，其特征在于，所述步骤3包括：
5.根据权利要求1所述的一种可调式同轴微波等离子体产生装置的设计方法，其特征在于，所述步骤4包括：使得底部轴向进气口通过外电极底部与内电极连通；径向进气口在微波馈入口中心靠近外电极底部侧，其轴线与馈入口中心轴线呈90°；在两个进气口、微波馈入口、激励插头与外电极、调谐端塞与内电极外侧和外电极内侧均设置密封圈槽，保证整体的气密性。
【技术特征摘要】
1.一种可调式同轴微波等离子体产生装置的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种可调式同轴微波等离子体产生装置的设计方法，其特征在于，所述步骤1包括：
3.根据权利要求1所述的一种可调式同轴微波等离子体产生装置的设计方法，其特征在于，所述步骤2包括：
4.根据权利要求1所述的一种可调式同轴微波等离子体产生装置的设计...
【专利技术属性】
技术研发人员：邵涛，徐宇轩，高远，窦立广，张传升，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：
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