[实用新型]一种水冷笼式高频感应耦合等离子体反应器

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种水冷笼式高频感应耦合等离子体反应器，属于高温等离子体技术领域。

背景技术

感应耦合热等离子体由于其频率高，又称射频感应耦合等离子体。感应耦合热等离子体具有如下特点：(1)温度高，等离子体的热量主要通过焦耳热产生，等离子体焰流的温度可以达到10000～3000K，是传统化学燃烧的5倍以上；(2)活性高，感应耦合等离子体重存在电子、离子、原子等多种粒子，对一些化学或物理变化提供了活性反应条件，加速了反应的进行；(3)气氛纯净可控，感应耦合等离子体主要依靠强烈的电磁耦合产生，不需要电极，因此不存在电极蒸发产生杂质的问题，产生的等离子体气氛纯净，且气氛可通过工作气体种类进行控制；(4)感应耦合等离子体体积较大，焰流速度低，温度分布均匀平坦。因此，感应耦合等离子体特别适用于难熔颗粒的加工(如球化、固气反应、超细粉制备等)以及对热环境气氛要求较高的深空探测器热防护材料的地面加热实验研究等。

高频感应耦合等离子体反应器是产生感应耦合热等离子体的设备，主要包括以下部分：放电约束管、产生等离子体的工作气体、射频电源和螺旋线圈。其原理是螺旋铜线圈缠绕在放电约束管上，螺旋线圈末端连接射频电源，当交变的射频电流通过螺旋线圈时，感应线圈内交变的电流产生变化的磁场，根据法拉第定律在放电管内变化的磁场又感应出电场，气体在变化的磁场作用下发生电离。电离的气体中引起电流并产生焦耳热，并且适当的控制电流和工作气体量可以形成稳定持续的高温等离子体流。因此，放电约束管的作用是提供密闭空间，约束反应器的工作气体，在其中形成高温等离子体焰流。

目前感应耦合等离子体反应器主要是采用单层石英管作为放电约束管，放电管的强度较低，放电管的安装、固定和密封难度较大，于此同时，放电管依靠放电管内壁附近的一层冷工作气气流进行冷却，这就对放电管内壁附件的气体量提出了较高的要求，降低了等离子体焰流的焓值和整套反应器运行的稳定性，金属材质的约束管易于实现安装、固定和密封，但由于封闭的金属结构对电磁感应存在屏蔽作用难以在感应耦合等离子体反应器中实现应用。

实用新型内容

本实用新型的技术解决问题是：为克服现有技术的不足，本实用新型提供一种水冷笼式高频感应耦合等离子体反应器，提高放电约束管和反应器的安全性和稳定性。

本实用新型的技术解决方案是：

一种水冷笼式高频感应耦合等离子体反应器，包括放电约束管外层、放电约束管内层、上紧固件、冷却水适配件、下紧固件、进气适配件和螺旋铜线圈，放电约束管外层、放电约束管内层的上端和下端分别通过上紧固件和下紧固件进行固定和配合，形成内外双层的放电约束管结构，放电约束管外层为石英筒状结构，与放电约束管内层配合并在周向上形成封闭空间；

上紧固件上端配合安装冷却水适配件，进气适配件置于冷却水适配件上，放电约束管内层为具有水冷通道的笼式结构，在其上端开槽，槽口沿周向均匀分布并从上端沿轴向向下端延伸，槽口下缘距放电约束管内层下端面保留一定距离，使放电约束管内层下端部分保持完整的环状结构，放电约束管内层薄壁的中空部分为冷却水通道，冷却水自上而下流动对放电约束管内层及附近的等离子体流进行冷却以保护放电约束管外层，

螺旋铜线圈缠绕在放电约束管外层外围，螺旋铜线圈与放电约束管内层同轴，且布置在开有槽口区域，螺旋铜线线圈末端连接射频电源；

放电约束管内层的槽口数量为6～12个。

槽口下缘距放电约束管内层下端的距离为5～10mm。

槽口宽度为1～3mm，使磁场有效透入，又能有效减小放电约束管外层与放电约束管内层内部的高温等离子体气流的接触面积。

线圈最下端距离槽口下缘不小于10mm，线圈最上端位于整个槽口的1/3以下处。

上紧固件和下紧固件分别采用绝缘非金属材料和金属材料制成。

放电约束管内层为导热系数不小于300W/(m·K)的金属材质。

本实用新型的有益效果为：

(1)本实用新型放电约束管内层对放电区域进行约束，同时放电约束管内层上端向下开槽，使放电约束管除下端小部分区域外形成非封闭环状结构，避免形成法拉第笼对电磁场的屏蔽；薄壁的中空部分为冷却水通道，通过冷却水对放电约束管内层和附件的区域进行冷却，放电空间的部分外围的高温气流通过槽口到外层石英管壁面时已被冷却，提高了放电约束管工作时的安全性、稳定性和长效性；