[发明专利]一种脉冲微波强化高压低温等离子体化学反应装置

说明书

本发明涉及化学反应器，特别提供了一种脉冲微波强化高压低温等离子体化学反应装置。

与常规直流电弧、高频等离子体相比，微波等离子体具有反应活性高、能量利用率高、纯净无电极污染且密度高等特点，在进行化学合成、材料表面改性等方面有着独特的优势，适用于作高纯度物质的制备和处理，而且工艺效率更高。微波等离子体按其工作压力可以分为低气压(小于760Torr)和高气压(大于760Torr)两种。低气压微波等离子体在薄膜沉积、等离子刻蚀等领域已得到广泛应用，但负压工作条件却无法适用于诸如天然气直接转化、有毒有害工业废气净化等工业应用。为了满足大规模的等离子体化学合成、及发展新型光源的需要，人们在近20年中已经发明了多种高气压微波等离子体的激励技术，概括起来主要有以下几种：(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。但从化学反应的角度来看，这些传统的高气压微波等离子体激励技术并不适合应用于大多数化学反应，因为几十年来的等离子体化学实践表明，只有当等离子体处于低温非平衡态时，才最适合于化学反应。我们的研究小组在这个领域已经做出了一些有意义的工作，在已经被受理的专利00110422.5中介绍了一种高气压微波等离子体激励装置，这种装置可以有效地积累微波能量、增强场强，在不需要外界“引燃”的条件下即可实现等离子体的激发和维持，可以在各种高气压保护气氛、大气体流量、大功率容量的条件下，安全稳定地运行。但是，这种微波等离子体发生技术，将激励与维持容为一体，从结构上看，具有极高的场强和能量积累，很容易使激发初期形成的非平衡态的低温辉光等离子体瞬间过渡到近平衡态的高温弧光等离子体，这对于制备那些非稳态的化学物种就显得十分不利。因此，为了将低气压微波等离子体的优势扩展到高气压，使微波等离子体促进化学反应技术真正具备工业应用条件，必须找到一种可靠的高气压低温微波等离子体的激励与维持方法。

本发明的目的在于提供一种脉冲微波强化高压低温等离子体化学反应装置，其可以使等离子体得到有效控制，从而可以实现等离子体化学合成的产业化。

本发明提供了一种脉冲微波强化高压低温等离子体化学反应装置，其特征在于：该装置由波导—同轴转换(1)、同轴腔(2)、带重入柱的TM₀₁₀谐振腔(3)连接构成；同轴腔(2)的内导体(21)深入到TM₀₁₀谐振腔(3)中，并通过高压引入结构(22)引入等离子体激发电压。

本发明所述高压引入结构(22)为电感与电容复合结构，由导电外壳(224)、两个电容片(221)(223)及电感线圈(222)构成，同轴线内导体(21)的一端首先与一个电容片(221)相连，该电容片(221)与同轴线的外导体构成电容I，导电外壳(224)与电容片(223)之间构成电容II，电容片(221)与电容片(223)通过电感线圈(222)相连，由于同轴线的外导体与高压引入结构的导电外壳(224)相接，从而在电路上形成电容I与电容II串联，再与电感并联的关系。

从原则上来说，电容值和电感值应尽可能大，为保证电容值尽可能大，可以通过增大电容面积和降低电容片之间的距离以及在电容片之间充填介质来实现；增大电感可以通过增加电感线圈的匝数和在电感线圈中放置磁性介质来实现。在本专利的实施方案中，降低电容间隙受到与其相连的高电压的限制，随着间隙的减小，高电压很容易将电容器击穿，从而导致抗流结构失效。通常情况下电容器需要使用介质隔离，这些介质可以是尼龙、四氟乙烯、高纯氧化铝、氧化镁、云母等材料。电感线圈的匝数可根据需要适当增加或减少，判断的依据是在调试过程中测量微波的漏能情况，在保证漏能小于10微瓦/平方厘米的情况下尽量减少电感线圈的数量。电容器之间的间隙根据所选用的介质材料的击穿电压确定，当介质材料选用高纯氧化铝时，电容间隙为0.2-2毫米，电感线圈的匝数为5-20匝；介质为四氟乙烯时，间隙为0.2-1.0毫米，电感线圈的匝数为10-30匝；介质为氧化镁时，间隙为1.0-3.0毫米，电感线圈的匝数为5-30匝；介质为尼龙时，间隙为1.5-4.0毫米，电感线圈的匝数为20-60匝。

本发明具有下述特点：  1、高压引入结构(兼作抗流结构)，既封闭了电磁场，避免了微波能的