一种常压自点火式微波等离子炬及微波等离子发生系统的制作方法

相关申请的交叉引用

本实用新型要求申请日为2020年3月18日提交的中国专利申请cn2020101941807的优先权，其全部内容通过引用合并于此。

本实用新型涉及等离子体物理领域，特别涉及一种常压自点火式微波等离子炬及微波等离子发生系统。

背景技术：

微波等离子是指通过电磁波传输能量激发气体产生电离形成等离子体，相较于其他方式激励等离子体，微波等离子体具备以下优势：1、较高的电离与分解程度；2、电子温度较高，从而达到较低的等离子温度；3、没有电极，不会产生因为电极损耗产生的污染；4工作气压范围宽、可应用在多种气体。微波等离子技术也广泛应用在材料合成、材料分析、表面处理、医疗美容、半导体材料制备等多个工业领域。

现有技术中的微波等离子炬的内外管均不收口，很难实现自点火，如号公开(公告)号为cn2186474y的中国专利，无法实现常压自点火，而需要采用辅助点火激发微波等离子体，或远高于工作功率的功率来产生强电场激发微波等离子体；公开(公告)号为cn204733448u的中国专利公开了一种大气可调谐微波等离子体炬，虽然能实现较强的电场分布，无法保持工作气的稳定流入，难以实现稳定的微波等离子体炬焰。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的不足，本实用新型提供了一种常压自点火式微波等离子炬及微波等离子发生系统，通过内导体渐变及外导体收口两个方式配合达到低功率下产生强电场从而自发激发微波等离子体，并可以在相近功率的实现微波等离子体的稳定维持，产生微波等离子体火焰，所述技术方案如下：

一方面，本实用新型提供了一种常压自点火式微波等离子炬，包括空心管状的内导体、套设在所述内导体局部外壁处的短路调谐杆、套设在所述短路调谐杆外壁处的空心管状的外导体以及用于向所述微波等离子炬馈入微波信号的射频同轴连接器；

所述内导体具有用于流通工作气体的进气端与出气端，所述外导体的一端与所述短路调谐杆嵌套配合，所述外导体的另一端与所述内导体的出气端为所述微波等离子炬的点火端；

所述内导体和外导体在靠近点火端的一端均具有缩口结构，包括：所述内导体出气端处的外径在出气方向上由大变小，且所述外导体的所述另一端处的内径在出气方向上由大变小。

进一步地，所述内导体与外导体同轴设置。

可选地，所述外导体靠近点火端的端口的收口内径为未收口区域处内径的1/3至2/3。

优选地，所述内导体的出气端口处的管壁厚度小于或等于0.5mm。

关于内导体的出气端口与外导体的点火端口的设置关系，可选的一种方案为：所述内导体的出气端口设置在所述外导体内；可选的另一种方案为：所述内导体的出气端口与所述外导体的端口齐平。

关于内导体的中空腔体的形状设置，可选的一种方案为：所述内导体出气端处的内径在出气方向上由小变大；可选的另一种方案为：所述内导体的内径不变。

关于内导体的出气端外部的形状设置，可选的一种方案为：所述内导体的出气端外部向端口方向缩小的部分为锥形结构；

可选的另一种方案为：所述内导体的出气端外部向端口方向缩小的部分为弧形面。

关于外导体的收缩部内壁的形状设置，可选的一种方案为：所述外导体内壁上向端口方向缩小的部分为弧形面。

可选的第二种方案为：所述外导体内壁上向端口方向缩小的部分包括倾斜平面，具体倾斜的设置方式又包括两种，一种是所述倾斜平面在向中心方向上向上倾斜，另一种是所述倾斜平面在向中心方向上向下倾斜。

可选的第三种方案为：所述外导体内壁上向端口方向缩小的部分包括水平面。

对于上述收缩部内壁的三种设置(弧面、倾斜面和水平面)，所述外导体的内壁上向点火端靠近的方向上内径开始发生变化的交接区域为弧形面或直角面；所述外导体靠近点火端的端口具有停止缩口的直圆柱面或趋向停止缩口的弧形面或倒角面。

进一步地，所述射频同轴连接器设置在所述外导体的外壁上，且所述射频同轴连接器的导体件延伸至所述外导体的内腔并与所述内导体接触。

进一步地，所述射频同轴连接器的导体件被设置为垂直于所述内导体，所述内导体的出气端口与导体件之间的垂直距离为馈入的微波波长的0.15-0.35倍。

进一步地，所述射频同轴连接器靠近点火端的一端与导体件之间的垂直距离为馈入的微波波长的0.4-0.6倍。

另一方面，本实用新型提供了一种常压自点火式微波等离子发生系统，包括微波源及如上所述的微波等离子炬，所述微波源与微波等离子炬通过射频同轴电缆连接。

进一步地，所述常压自点火式微波等离子发生系统还包括与所述内导体的进气端连接的气源。

本实用新型提供的技术方案带来的有益效果如下：

a.在常温常压情况下，可满足在空气、氮气、氩气、氢气或其中多种气体的混合气体等气体为工作气体情况下自点火，并以高转换效率维持微波等离子体炬焰；

b.架构简单紧促、成本低廉、性能稳定可靠；

c.满足低、中、高等不同功率等级的应用，炬焰温度可控，低温可低至40℃以下；

d.能量转换效率高，90％以上微波能量转化为微波等离子体；

e.炬焰长，200w情况下，炬焰超过2cm。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例提供的常压自点火式微波等离子炬的外观立体图；

图2是本实用新型实施例提供的微波等离子炬的透视示意图；

图3是本实用新型实施例提供的微波等离子炬的侧面剖视图；

图4-1是本实用新型实施例提供的微波等离子炬的内导体的第一种外观示意图；

图4-2是本实用新型实施例提供的微波等离子炬的内导体的第二种外观示意图；

图5-1是本实用新型实施例提供的内导体的第一种剖视结构示意图；

图5-2是本实用新型实施例提供的内导体的第二种剖视结构示意图；

图6-1是本实用新型实施例提供的微波等离子炬的外导体具有弧形内面的第一种剖视结构示意图；

图6-2是本实用新型实施例提供的外导体具有弧形内面的第二种剖视结构示意图；

图7-1是本实用新型实施例提供的外导体具有八字内倾斜面的第一种剖视结构示意图；

图7-2是本实用新型实施例提供的外导体具有八字内倾斜面的第二种剖视结构示意图；

图7-3是本实用新型实施例提供的外导体具有八字内倾斜面的第三种剖视结构示意图；

图7-4是本实用新型实施例提供的外导体具有八字内倾斜面的第四种剖视结构示意图；

图8-1是本实用新型实施例提供的外导体具有水平内面的第一种剖视结构示意图；

图8-2是本实用新型实施例提供的外导体具有水平内面的第二种剖视结构示意图；

图8-3是本实用新型实施例提供的外导体具有水平内面的第三种剖视结构示意图；

图8-4是本实用新型实施例提供的外导体具有水平内面的第四种剖视结构示意图；

图8-5是本实用新型实施例提供的外导体具有水平内面的第五种剖视结构示意图；

图9-1是本实用新型实施例提供的外导体具有倒八字内倾斜面的第一种剖视结构示意图；

图9-2是本实用新型实施例提供的外导体具有倒八字内倾斜面的第二种剖视结构示意图；

图9-3是本实用新型实施例提供的外导体具有倒八字内倾斜面的第三种剖视结构示意图；

图10-1是模拟仅具有内导体缩口的微波等离子炬达到空气击穿场强需要80w输入功率的软件测试界面图；

图10-2是模拟仅具有外导体缩口的微波等离子炬达到空气击穿场强需要550w输入功率的软件测试界面图；

图10-3是模拟本实用新型实施例的微波等离子炬达到空气击穿场强需要28w输入功率的软件测试界面图；

图11-1是模拟仅具有内导体缩口的微波等离子炬在50w输入功率时的场强测试界面图；

图11-2是模拟仅具有外导体缩口的微波等离子炬在50w输入功率时的场强测试界面图；

图11-3是模拟本实用新型实施例的微波等离子炬在50w输入功率时的场强测试界面图；

图12是本实用新型实施例提供的常压自点火式微波等离子发生系统的装配示意图。

其中，附图标记包括：1-内导体，11-出气端，111-出气端口，12-进气端，2-短路调谐杆，3-外导体，4-射频同轴连接器，41-导体件，5-微波源，6-射频同轴电缆。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，更清楚地了解本实用新型的目的、技术方案及其优点，以下结合具体实施例并参照附图对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。需要说明的是，附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。除此，本实用新型的说明书和权利要求书中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本实用新型的一个实施例中，提供了一种常压自点火式微波等离子炬，参见图2和图3，所述微波等离子炬包括空心管状的内导体1、套设在所述内导体1局部外壁处的短路调谐杆2、套设在所述短路调谐杆2外壁处的空心管状的外导体3以及用于向所述微波等离子炬馈入微波信号的射频同轴连接器4，保证电磁波在外导体及内导体之间进行传播，并在炬口处产生强电场。常温常压下，电场强度高于3×10⁶v/m，即可激发空气电离，产生微波等离子体。所述内导体1、外导体3和短路调谐杆2由良导体加工而成，优选为黄铜。

如图1所示，所述射频同轴连接器4设置在所述外导体3的外壁上，且所述射频同轴连接器4的导体件41延伸至所述外导体3的内腔并与所述内导体1接触，优选如图3所示，所述射频同轴连接器4的导体件41被设置为垂直于所述内导体1，所述内导体1的出气端口111与导体件41之间的垂直距离为馈入的微波波长的0.15-0.35倍，优选为0.25倍，所述射频同轴连接器4靠近点火端的一端与导体件41之间的垂直距离为馈入的微波波长的0.4-0.6倍，优选为0.5倍，所述波长为固态功放微波源的工作频率在自由空间中所具有的的波长。在射频同轴连接器上馈入射频能量后，炬顶端的强电场会激发工作气体产生微波等离子体，从而在炬头处产生微波等离子体炬焰。

所述内导体1具有用于流通工作气体的进气端12(图3中的下端)与出气端11(图3中的上端)，所述工作气体通过内导体中空部分由下向上导入，所述外导体3的一端(图3中的下端)与所述短路调谐杆2嵌套配合，所述外导体3的另一端(图3中的上端)与所述内导体1的出气端11为所述微波等离子炬的点火端，以下称所述外导体3的另一端为外导体3的点火端。

本实用新型实施例的微波等离子炬的点火端为尖端结构，即所述内导体1和外导体3在靠近点火端的一端均具有缩口结构，这里所说的外导体3在靠近点火端的一端的缩口结构至少包括其腔体内壁的缩口，内导体1在靠近点火端的一端的缩口结构至少包括其外壁的缩口，具体如图3所示，所述内导体1出气端11处的外径在出气方向上由大变小，且所述外导体3的点火端处的内径在出气方向上由大变小。如图1-3所示，本发明实施例中的微波等离子炬的外导体3的外壁不具有缩口结构，由于外导体3的外壁是否具有缩口结构实际上对在点火端形成电场强度并不产生明显的实质影响，因此，本发明并不限定所述外导体3的外壁是否具有缩口结构，但是应当可以理解的是，无论是如本发明说明书附图所示的外导体3的外壁不具有缩口结构，还是外导体3的外壁具有如内导体1外壁那样的缩口结构(未图示)，都不影响本发明技术方案的实施，因此，都应当落入本发明要求的保护范围。

本实用新型实施例的微波等离子炬的内导体1顶部逐渐变细且呈尖角，提高内导体1外边缘的场强，本实用新型外导体3顶端内壁呈倾斜结构，与内导体1尖角部分一起构成炬头部分。这种收口结构能够在更低的功率下在内导体1顶端产生更强的电场，一旦达到工作气体的击穿场强，即可激发工作气体，从而产生微波等离子体，并且在相近功率下微波等离子体可稳定维持。

在本实用新型的可选实施例中，尖端处理方式有多种：所述外导体3靠近点火端的端口的收口内径为未收口区域处内径的1/3至2/3，优选比例为1/2，在这个优选比例下，所述微波等离子炬能够在较低的输入功率下达到击穿电场强度；内导体与外导体之间的收口能在内导体顶端产生的强电场，达到工作气的击穿电场，从而激发产生微波等离子体。

关于内导体1的出气端口111与外导体3的点火端口的设置关系，可选的一种方案为：所述内导体1的出气端口111设置在所述外导体3内(参见图3)；可选的另一种方案为：所述内导体1的出气端口111与所述外导体3的端口齐平。以上两种设置方式为优选的实施方式，需要说明的是，在内导体1的出气端11探出外导体3的情况下，只要输入功率达到一定值，同样可以实现点火，因此可以作为非优选方案实施，同样落入本实用新型的保护范围。由于内导体1顶端产生最强电场呈近似于弧状梯度逐渐向远方减弱，因此将内导体1设置在外导体3内部，更容易拉近内外导体之间的间距，更容易在内导体1的尖端产生强电场，内导体为尖端结构，工作气体通过内导体到达内导体顶端处，此处为炬电场最强处，最强电场与气体重叠，更容易激发等离子体。

关于内导体1的中空腔体的形状设置，参见图5-1和图5-2，可选的一种方案为：所述内导体1出气端11处的内径在出气方向上由小变大(如图5-2所示)；可选的另一种方案为：所述内导体1的内径不变(如图5-1所示)。

关于内导体1的出气端11外部的形状设置，可选的一种方案为：所述内导体1的出气端11外部向端口方向缩小的部分为锥形结构(如图4-1所示)；

可选的另一种方案为：所述内导体1的出气端11外部向端口方向缩小的部分为弧形面(如图4-2所示)。

以上内导体1外壁面和内壁面的结构可以任意互相组合。所述内导体1的出气端口111处的管壁厚度优选小于或等于0.5mm，相比于现有技术中将内导体顶部尖端厚度设置为不小于1mm的常规设置，本实用新型实施例的内导体1的出气端口111在相同输入功率情况下汇聚的电场强度大大增强。另一方面，图5-2中的内导体1出气端11处的内径在出气方向上由小变大是优选实施例，有利于在更低的功率下在内导体1顶端产生更强的电场，一旦达到工作气体的击穿场强，即可激发工作气体，从而产生微波等离子体，并且在相近功率下微波等离子体可稳定维持。

以下对外导体3的收缩部内壁的形状设置作以下详细介绍：

可选的一种方案为：所述外导体3内壁上向端口方向缩小的部分为弧形面，如图6-1和图6-2所示，其两者的区别在于图6-1中的内壁弧形面在开口端处具有阻止端口继续缩小的弧形面或直圆柱面或倒角面，而图6-2中的内壁弧形面一直延伸至端口处。

可选的第二种方案为：所述外导体3内壁上向端口方向缩小的部分包括倾斜平面，具体倾斜的设置方式又包括两种，一种是所述倾斜平面在向中心方向上向上倾斜(如图7-1至图7-4)，另一种是所述倾斜平面在向中心方向上向下倾斜(如图9-1至图9-3)。

比较图7-1至图7-4可以得到，图7-1为倾斜平面从所述外导体3的侧壁向上延伸至其点火端端口(倾斜平面的上下均未设置弧形过渡面)；图7-2为倾斜平面的下端未设置弧形面，倾斜平面延伸至靠近外导体3的点火端端口处具有阻止端口继续缩小的弧形面或直圆柱面或倒角面；图7-3为倾斜平面的下端设置有与外导体3侧壁相切的弧形面，倾斜平面延伸至点火端端口；图7-4为倾斜平面的上下均设置有弧形面，其中上方的弧形面用于阻止端口继续缩小，上方的弧形面可以采用其他方式，比如直圆柱面或倒角面，同样可以阻止端口继续缩小。

比较图9-1至图9-3可以得到，图9-1为倾斜平面从所述外导体3的侧壁向下延伸至其点火端端口(倾斜平面的上下均未设置弧形过渡面)，倾斜平面延伸至靠近外导体3的点火端端口处具有直圆柱面；图9-2为倾斜平面的靠近外导体3侧壁的上端未设置弧形面，倾斜平面延伸至靠近外导体3的点火端端口处具有弧形面；图9-3为倾斜平面的靠近外导体3侧壁的上端未设置弧形面，倾斜平面延伸至靠近外导体3的点火端端口处具有倒角面；还可以将所述倾斜平面与外导体3的侧面之间设置为弧形面连接(未图示)。

可选的第三种方案为：所述外导体3内壁上向端口方向缩小的部分包括水平面，参见并比较图8-1至图8-5可知，图8-1为水平面与外导体3的侧壁呈90°直角，与端口处的侧壁同样呈90°；图8-2为水平面与外导体3的侧壁采用弧形面相切连接，与端口处的侧壁呈90°；图8-3为水平面与外导体3的侧壁呈90°直角，与端口处的侧壁采用弧形面相切连接；图8-4为水平面与外导体3的侧壁采用弧形面相切连接，与端口处的侧壁同样采用弧形面相切连接；图8-5为水平面与外导体3的侧壁呈90°直角，与端口处的侧壁采用倒角连接。

综上，对于上述收缩部内壁的三种设置(弧面、倾斜面和水平面)，所述外导体3的内壁上向点火端靠近的方向上内径开始发生变化的交接区域为弧形面或直角面；所述外导体3靠近点火端的端口具有停止缩口的直圆柱面或趋向停止缩口的弧形面或倒角面；其可以与收缩部内壁的三种设置任意组合设置，得到不仅限于图6-1至图9-3中的14种设置方式，在此不再一一赘述。

在本实用新型的一个实施例中，提供了一种常压自点火式微波等离子发生系统，如图12所示，所述微波等离子发生系统包括微波源5及如上述实施例所述的微波等离子炬，所述微波源5与微波等离子炬通过射频同轴电缆6连接，具体为所述射频同轴电缆6的一端与微波源5连接，另一端与所述微波等离子炬的射频同轴连接器4连接，在本实用新型实施例中，所述微波源5为固态功放微波源。所述常压自点火式微波等离子发生系统进一步还包括与所述内导体1的进气端12连接的气源，所述气源用于向所述内导体1腔体内输入工作气体，所述工作气体可为空气、氮气、氩气、氩气与氢气的混合气体等，以扩展微波等离子体的的应用范围。所述固态功放微波源产生微波信号，通常为433mhz、或915mhz、或2450mhz、或5800mhz频段，此微波能量通过射频同轴电缆到达射频同轴连接器，在等离子炬内部产生驻波，在内导体顶端产生强电场，从而激发工作气体产生微波等离子体。

本实用新型实施例提供的微波等离子炬可满足低、中、高，不同功率等级的应用，以产生满足不同场合应用的微波等离子体。如上所述，本实施例中微波等离子炬的炬头收口结构能够在更低的功率下在内导体1顶端产生更强的电场，以下采用仿真软件来验证这一点：

分别对三种等离子炬：仅仅内导体缩口的、仅仅外导体缩口的、内外导体均缩口的等离子炬进行数值模拟电场强度分布测试，且限定这三种等离子炬内导体和外导体未渐变段直径一样：外导体内径20mm，内导体外径5mm，测试方法有两种：

第一种测试方法参见图10-1至图10-3，将等离子炬的输入功率从0开始增大调节，观察各自达到空气击穿场强3×10⁶v/m时需要多大的输入功率，测试结果如下：工作频率为2.45ghz的情况下，内导体收口而外导体不收口时，需要80w的输入功率才能达到空气击穿场强3×10⁶v/m；内导体不收口而外导体收口时，需要550w的输入功率才能达到空气击穿场强3×10⁶v/m；而内导体和外导体同时收口时，仅需要28w即可达到空气的击穿场强3×10⁶v/m，显然，本实用新型实施例提供的微波等离子炬的常压自点火性能要远远优于另外两种炬。

第二种测试方法参见图11-1至图11-3，将三者的输入功率统一为50w，得到各自的场强分布结果(图的左上角)，测试结果如下：工作频率为2.45ghz的情况下，内导体收口而外导体不收口时，50w的输入功率时能达到的最强场强为2.4428×10⁶v/m；内导体不收口而外导体收口时，50w的输入功率时能达到的最强场强为9.0681×10⁵v/m；而内导体收口外导体收口时，50w的输入功率时能达到的最强场强为4.0428×10⁶v/m，显然，本实用新型实施例提供的微波等离子炬所达到的场强远高于空气的击穿场强，而另外两种炬的场强分布还未达到空气的击穿场强，无法实现在50w输入功率下点火。

本实用新型微波等离子炬，结构小巧进程，便于设计加工装配，而且能够自点火产生微波等离子体，可广泛应用于材料制备、材料处理、消毒、微波等离子体清洗等领域。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。