CN101394705A - 一种产生大气压微波辉光等离子体的装置 - Google Patents

一种产生大气压微波辉光等离子体的装置 Download PDF

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汪建华
张磊
吴振辉
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Abstract

本发明涉及一种产生大气压微波辉光等离子体的装置，包括有等离子体反应器、微波调控及监控***、微波源，微波源通过连接法兰与微波调控及监控***的右端相连，等离子体反应器由矩形波导、棒状电极、平板电极、短路活塞、石英管、水冷套及上法兰、下法兰构成，矩形波导的宽边开有通孔，石英管穿过通孔装于矩形波导上，在石英管的外侧装有水冷套，石英管与上法兰、下法兰密封连接构成工作室，棒状电极与上法兰通过螺纹密封连接，平板电极与下法兰通过螺纹密封连接，在等离子反应器的左侧端部设置有短路活塞。本发明可以在大气压下运行微波辉光等离子体，有利于进行连续生产，产生的等离子体具有更高能量密度和更高的活性粒子浓度，具有更高的效率。

Description

一种产生大气压微波辉光等离子体的装置
技术领域
本发明涉及大气压下等离子体源的产生，特别是一种产生大气压微波辉光等离子体的装置。
背景技术
等离子体作为物质的第四态，具有更高的温度和能量密度，同时含有大量的活性成分，从而引发在常规化学反应中不能或难以实现的物理变化和化学反应。另外等离子体工程可以提供更为有利的工业加工方法，包括更有效和更便宜达到工业相关结果的能力，不产生大量不需要的副产品和废料的情况下达到相同目的，在产生很少污染和有毒废物的情况下实现相同目的。因此等离子体技术在工业上有广泛的应用，包括微电子刻蚀加工、功能材料制备、材料表面改性、消毒、灭菌等方面有广泛的应用。
目前在工业上获得广泛应用的等离子体主要是在真空条件下产生的低气压等离子体。低气压等离子体在工业应用时存在着维护成本高、不利于连续化生产等缺点，因此大气压下等离子体的激发及其在工业上的应用研究是等离子体获得更为广泛的工业应用的关键。目前利用微波在大气压下产生的等离子体主要有等离子体射流和炬，产生均匀辉光的研究报道很少。
发明内容
本发明所要解决的问题是针对上述现有技术而提出一种产生大气压微波辉光等离子体的装置，克服了真空低气压条件下的等离子体的不足。
本发明为解决上述提出的问题所采用解决方案为：一种产生大气压微波辉光等离子体的装置，其特征在于包括有等离子体反应器、微波调控及监控***、微波源，微波源通过连接法兰与微波调控及监控***的右端相连，
其中，等离子体反应器由矩形波导、棒状电极、平板电极、短路活塞、石英管、水冷套及上法兰、下法兰构成，在矩形波导的宽边上开有直径40-60mm的通孔，相同外径的石英管穿过通孔装于矩形波导上，在石英管的外侧装有水冷套，水冷套外侧设置有循环冷却水入口和循环冷却水出口，在石英管的两端装有上法兰和下法兰，石英管与上法兰、下法兰密封连接构成工作室，棒状电极与上法兰通过螺纹密封连接，棒状电极的位置可以通过螺纹调节，平板电极与下法兰通过螺纹密封连接，平板电极的高度可以通过螺纹调节，在等离子反应器的左侧端部设置有短路活塞。
按上述方案，所述的矩形波导，当所用的微波频率为2.45GHz时用BJ22矩形波导管或BJ26矩形波导管，当所用的微波频率为0.915GHz时用BJ9矩形波导管。
按上述方案，棒状电极为中空结构，棒状电极外侧设置有水冷装置，水冷装置中通有冷却水，棒状电极的棒端温度可以通过冷却水的冷却程度来调节。
其工作原理是：微波源产生的频率为2.45GHz或0.915GHz的微波经微波调控及监控***后进入到等离子体反应器中，通过调节短路活塞，在等离子体反应器中建立TE103模式的微波场，在棒状电极和金属平板电极间建立强的高频电场，它使气体击穿，产生并维持等离子体。
本发明的优点：
本发明可以在大气压下运行微波辉光等离子体，作为等离子体化学反应器、微波等离子体表面改性时有利于进行连续生产，产生的等离子体可以具有更高能量密度和更高的活性粒子浓度，在工业应用时具有更高的效率。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不能作为对本发明的限定。
如图1所示，一种产生大气压微波辉光等离子体的装置，包括有等离子体反应器3、微波调控及监控***2、微波源1，微波源1通过连接法兰与微波调控及监控***的右端相连，在微波调控及监控***与等离子反应器之间还设置有微波石英窗口，在等离子反应器的左侧端部设置有短路活塞8，等离子体反应器3由矩形波导、棒状电极6、平板电极11、短路活塞8、石英管4、水冷套及上法兰5、下法兰7构成，在矩形波导的宽边上开有直径40-60mm的通孔，相同外径的石英管穿过通孔装于矩形波导上，在石英管的外侧装有水冷套13，水冷套13外侧设置有循环冷却水入口16和循环冷却水出口17，在石英管的两端装有上法兰5和下法兰7，石英管与上法兰、下法兰密封连接构成工作室，棒状电极与上法兰通过螺纹密封连接，棒状电极和平板电极由钨或钼制成，棒状电极外侧设置有水冷装置，水冷装置中通有冷却水，棒状电极的棒端温度可以通过冷却水的冷却程度来调节，棒状电极的位置可以通过螺纹调节，平板电极与下法兰通过螺纹密封连接，平板电极的高度可以通过螺纹调节，棒状电极下端面与平板电极的上端面间距一般为8-20mm。对于所述的矩形波导，当所用的微波频率为2.45GHz时用BJ22矩形波导管或BJ26矩形波导管，当所用的微波频率为0.915GHz时用BJ9矩形波导管。
本发明的工作过程，包括以下步骤：
A)将上法兰5和下法兰7装于水冷套13上，并与石英管4紧密密封；
B)为装置通上冷却水，冷却水从循环冷却水入口16进，从循环冷却水出口17出，再冷却水从循环冷却水入口14进，从循环冷却水出口15出；
C)打开机械泵抽真空，通过管道12将工作室的气压调节在100-300Pa的范围内；
D)微波源1产生的频率为2.45GHz或0.915GHz的微波经微波调控及监控***2后进入到等离子体反应器3中；
E)调节短路活塞8，在等离子体反应器中建立TE103模式的微波场，并使电场最强处位于带水冷的棒状电极6的轴线处；
F)调节金属平板电极11的高度，使其上端面与矩形波导宽边的下表面平齐，调节棒状电极6在工作室的长度，使棒状电极6的下端面与平板电极的上端面之间的距离在8-20mm之间，产生微波辉光等离子体9；
G)调低机械泵的抽速，从进气管10中通入工作气体，逐步升高工作室的气压直至大气压，控制棒状电极下端部的温度在1000-1100℃，等离子体即持续运行在大气压下。

Claims (3)

1、一种产生大气压微波辉光等离子体的装置，其特征在于包括有等离子体反应器(3)、微波调控及监控***(2)、微波源(1)，微波源(1)通过连接法兰与微波调控及监控***的右端相连，其中，等离子体反应器(3)由矩形波导、棒状电极(6)、平板电极(11)、短路活塞(8)、石英管(4)、水冷套及上法兰(5)、下法兰(7)构成，在矩形波导的宽边上开有直径40-60mm的通孔，相同外径的石英管穿过通孔装于矩形波导上，在石英管的外侧装有水冷套(13)，水冷套(13)外侧设置有循环冷却水入口(16)和循环冷却水出口(17)，在石英管的两端装有上法兰(5)和下法兰(7)，石英管与上法兰、下法兰密封连接构成工作室，棒状电极与上法兰通过螺纹密封连接，棒状电极的位置可以通过螺纹调节，平板电极与下法兰通过螺纹密封连接，平板电极的高度可以通过螺纹调节，在等离子反应器的左侧端部设置有短路活塞(8)。
2、按权利要求1所述的装置，其特征在于所述的矩形波导，当所用的微波频率为2.45GHz时用BJ22矩形波导管或BJ26矩形波导管，当所用的微波频率为0.915GHz时用BJ9矩形波导管。
3、按权利要求1或2所述的装置，其特征在于棒状电极为中空结构，棒状电极外侧设置有水冷装置(6)，水冷装置中通有冷却水，棒状电极的棒端温度可以通过冷却水的冷却程度来调节。
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