基于金属柱的微波等离子体增强方法与流程

本发明涉及等离子体增强，具体是基于金属柱的微波等离子体增强方法。

背景技术：

1、微波等离子体具有无电极、电子密度大、电子温度高和能量效率高等优势，广泛应用于日常生活、能源、化工和材料等领域。

2、常规使用的微波等离子体炬主要包括一个玻璃导流管，在玻璃导流管中通入需要电离的气体，并施加对应的微波对其进行电离。但是在实际使用的过程中发现，该微波等离子体炬虽能较好地在工作气体为氩气的情况下产生微波等离子体，但使用工作气体为压缩空气时，出现了产生的微波等离子体少且不稳定的情况，同时伴随的还有玻璃导流管管壁温度过高的情况。由此可见，现阶段采用的这种微波等离子体炬适用的气体种类较少，还有较大的提升空间。

技术实现思路

1、为了避免和克服现有技术中存在的技术问题，本发明提供了基于金属柱的微波等离子体增强方法。本发明能够有效地提高产生的微波等离子体的稳定性。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、基于金属柱的微波等离子体增强方法，包括以下步骤：

4、s1、在玻璃导流管的外侧圆周阵列布置有两根以上且用于引导微波沿玻璃导流管轴向流动的金属柱，以构成用于模拟仿真的等离子体炬模型；

5、s2、在模拟仿真过程中，向等离子体炬模型中加载需要电离的气体和微波，并获得玻璃导流管中的电场强度分布状态；

6、s3、改变等离子体炬模型中各个金属柱在玻璃导流管外侧的位置分布，以获得各个位置分布下波流导流管中的电场强度分布状态；

7、s4、将玻璃导流管中的电场强度分布依次划分为上层分布状态、中层分布状态和下层分布状态，中层分布状态为最优分布状态；比较各个电场强度分布状态，以获取满足最优分布状态的电场强度分布状态。

8、作为本发明再进一步的方案：在仿真软件comsol中建立等离子体炬模型的过程如下：

9、s11、在仿真软件comsol中，选取一根中空的圆柱状玻璃导流管，并使玻璃导流管垂直布置在水平基面上，玻璃导流管的高度为h；

10、s12、在玻璃导流管的外侧绕着玻璃导流管的轴线依序均匀地布置两根以上的金属柱，构成圆周阵列分布；金属柱垂直布置在水平基面上，金属柱的高度为h，相邻两金属柱之间的圆形角angle，金属柱的直径为r；沿着玻璃导流管的径向，金属柱的轴线到其最近的玻璃导流管的外侧面的距离为d。

11、作为本发明再进一步的方案：在向等离子体炬模型中加载需要电离的气体和微波的过程中，采用控制变量的方式进行，即控制h、angle、r和d中的任意三个物理量不变，只改变剩余的一个物理量；并且在改变剩余一个物理量的过程中采用等梯度变换的方式改变该物理量的数值。

12、作为本发明再进一步的方案：玻璃导流管中的电场强度分布状态划分要求设定如下：首先沿着玻璃导流管的轴向将玻璃导流管等分为六段管体，当玻璃导流管中80％的等离子体都分布在玻璃导流管的下三段管体中时，定义为下层分布状态；

13、当玻璃导流管中80％的等离子体都均匀分布在玻璃导流管的中间四段管体中时，定义为中层分布状态；

14、当玻璃导流管中80％的等离子体都分布在玻璃导流管的上三段管体中时，定义为上层分布状态；

15、其中中层分布状态为最优分布状态。

16、作为本发明再进一步的方案：玻璃导流管，以及围设在玻璃导流管外侧的各个金属柱，均布置在分布有微波的微波腔体中；金属柱的加入，使微波腔体中的电场模式由tm模式转换为tem模式；微波腔体中的微波电场的分布可通过亥姆霍兹方程计算求得，亥姆霍兹方程表示如下：

17、

18、其中，表示哈密顿算子；μr表示介质相对磁导率，空气为1，等离子体也为1；表示电场矢量；k0表示微波波束；εr表示介质相对介电常数，空气为1，等离子体也为1；ω表示微波角频率；ε0表示真空介电常数；jσ表示电导率。

19、作为本发明再进一步的方案：玻璃导流管中的等离子体的电子密度通过如下公式计算：

20、

21、

22、其中，ne表示等离子体电子密度；表示等离子体电子通量；表示电子矢量速度；re表示电子源；μe表示电子迁移率；表示电子扩散系数。

23、作为本发明再进一步的方案：等离子体的电场耦合是指通过电场相互作用将微波能量传递给等离子体的机制，以等离子体电导率作为桥梁，实现微波等离子体电场耦合，公式如下：

24、σp＝nee2/me(vm-jω)

25、其中，σp表示电场耦合；e表示电子电荷量；me表示电子质量；vm表示电子碰撞频率；jω表示微波角频率。

26、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

27、本发明增加了金属柱之后，在放电区域中心有着更高的电场聚焦效果，来让微波等离子体炬更好地电离击穿不同种类的工作气体，进而提高等离子体在玻璃导流管中分布的均匀性。

技术特征：

1.基于金属柱的微波等离子体增强方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于金属柱的微波等离子体增强方法，其特征在于，在仿真软件comsol中建立等离子体炬模型的过程如下：

3.根据权利要求2所述的基于金属柱的微波等离子体增强方法，其特征在于，在向等离子体炬模型中加载需要电离的气体和微波的过程中，采用控制变量的方式进行，即控制h、angle、r和d中的任意三个物理量不变，只改变剩余的一个物理量；并且在改变剩余一个物理量的过程中采用等梯度变换的方式改变该物理量的数值。

4.根据权利要求3所述的基于金属柱的微波等离子体增强方法，其特征在于，玻璃导流管中的电场强度分布状态划分要求设定如下：首先沿着玻璃导流管的轴向将玻璃导流管等分为六段管体，当玻璃导流管中80％的等离子体都分布在玻璃导流管的下三段管体中时，定义为下层分布状态；

5.根据权利要求1-4中任一项所述的基于金属柱的微波等离子体增强方法，其特征在于，玻璃导流管，以及围设在玻璃导流管外侧的各个金属柱，均布置在分布有微波的微波腔体中；金属柱的加入，使微波腔体中的电场模式由tm模式转换为tem模式；微波腔体中的微波电场的分布可通过亥姆霍兹方程计算求得，亥姆霍兹方程表示如下：

6.根据权利要求5所述的基于金属柱的微波等离子体增强方法，其特征在于，玻璃导流管中的等离子体的电子密度通过如下公式计算：

7.根据权利要求6所述的基于金属柱的微波等离子体增强方法，其特征在于，等离子体的电场耦合是指通过电场相互作用将微波能量传递给等离子体的机制，以等离子体电导率作为桥梁，实现微波等离子体电场耦合，公式如下：

技术总结
本发明涉及等离子体增强技术领域，具体是基于金属柱的微波等离子体增强方法，通过分析金属柱的高度h、金属柱轴线与玻璃导流管之间的距离d、金属柱的直径R、角度angle，四个影响参数来探究最合适的尺寸。优化后的结构在玻璃导流管区域集中的电场强度比原结构提升了一倍左右，有效地加强了电场的集中。来进行电场强度的进一步聚焦优化，增大在石英放电管区域的电场强度，从而更好地电离击穿工作气体，让产生的微波等离子体炬更加稳定。

技术研发人员：王少波,刘凯,赵士国
受保护的技术使用者：合肥博雷电气有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27