[发明专利]一种便携式常压微波等离子体炬产生装置及方法

权利要求书

1.一种便携式常压微波等离子体炬产生装置，其特征在于，包括：全固态微波功率源（01）、同轴传输线（02）、同轴-波导转换器（03）、环形器（04）、水负载（05）、矩形波导（06）、波导-同轴转换器（07）、同轴传输线（08）、微波炬等离子体发射头（09）、短路活塞（10）；所述全固态微波功率源（01）通过同轴传输线（02）与同轴-波导转换器（03）连接，后通过矩形波导端口与环形器（04）连接，环形器（04）通过矩形波导端口与水负载（05）连接，环形器（04）的另一端与矩形波导（06）连接，后通过矩形波导端口与波导-同轴转换器（07）连接，波导-同轴转换器（07）通过同轴传输线（08）与微波炬等离子体发射头（09）连接，波导-同轴转换器（07）的另一端通过矩形波导端口与短路活塞（10）连接。

2.一种便携式常压微波等离子体炬产生装置，其特征在于，包括：全固态微波功率源（01）、同轴传输线（11）、同轴式三销钉调配器（12）、同轴式环形器（13）、空气负载（14）、同轴传输线（15）、微波炬等离子体发射头（09）；所述全固态微波功率源（01）通过同轴传输线（11）与同轴式三销钉调配器（12）连接，同轴式三销钉调配器（12）另一端与同轴式环形器（13）连接，同轴式环形器（13）的另两端分别直接与空气负载（14）、同轴传输线（15）连接，同轴传输线（15）的另一端与微波炬等离子体发射头（09）连接。

3.一种便携式常压微波等离子体炬产生装置，其特征在于，包括：全固态微波功率源（01）、同轴传输线（11）、微波炬等离子体发射头（09），所述全固态微波功率源（01）通过同轴传输线（11）与微波炬等离子体发射头（09）连接。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种便携式常压微波等离子体炬产生装置，其特征在于，所述微波炬等离子体发射头（09）包括：绝缘环（16）、第一进气管（17）、第二进气管（18）、陶瓷环（19）、固体电极（20）、金属喷嘴（21）、适配器（22）、同轴调配器（23）；所述陶瓷环（19）通过平面挤压的方式嵌入所述金属喷嘴（21）内部，适配器（22）通过螺纹固定于金属喷嘴（21）外部，第一进气管（17）固定于适配器（22）上，第二进气管（18）固定于金属喷嘴（21）上，固体电极（20）通过同轴调配器（23）固定于微波炬等离子体发射头（09）底部，绝缘环（16）放置于固体电极（20）与金属喷嘴（21）中间并固定于同轴传输线（08）或同轴传输线（15）或同轴传输线（11）。

5.根据权利要求4所述的一种便携式常压微波等离子体炬产生装置，其特征在于，所述陶瓷环（19）采用耐高温氧化铝陶瓷材料、氧化锆陶瓷材料、石英材料或氮化硅陶瓷材料制成。

6.根据权利要求4所述的一种便携式常压微波等离子体炬产生装置，其特征在于，所述固体电极采用紫铜、黄铜、金属铝、金属铁或高导电石墨材料制成。

7.根据权利要求4所述的一种便携式常压微波等离子体炬产生装置，其特征在于，所述绝缘环（16）采用聚四氟乙烯、石英玻璃、氧化铝陶瓷材料、氧化锆陶瓷材料或氮化硅陶瓷材料制成。

8.根据权利要求4所述的一种便携式常压微波等离子体炬产生装置，其特征在于，所述全固态微波功率源（01）内置水负载和环行器，允许功率全发射而不至于毁坏所述全固态微波功率源；所述全固态微波功率源通过RS485通讯端口与控制单元连接，所述控制单元用于使所述全固态微波功率源设置在连续、脉冲模式下运行，可任意调节脉冲模式下运行的占空比和脉宽，可以设置任意调节微波发射功率，可以任意调节发射微波的相位角，可以设置驻波保护，可以设置最大微波频率带宽；所述控制单元同时用于读取实时反馈功率并运算发射功率系数，根据反射功率系数调节所述微波频率带宽，使反射功率降到最低并使微波功率最大化馈入到所述微波等离子体炬中，提高微波能量利用效率。

9.一种基于权利要求1、2或3所述便携式常压微波等离子体炬产生装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S100，安装便携式常压微波等离子体炬产生装置中除固态微波功率源（01）以外的其余微波器件；

步骤S101，向微波炬等离子体发射头（09）中通入工作气体，通过流量控制器调节气体流量0.05 L/min-10 L/min；

步骤S102，对固态微波功率源（01）及其他微波器件进行通水冷却；

步骤S103，检查接地线路，保持整个系统良好接地，连接固态微波功率源（01）；

步骤S104，设置固态微波功率源的连续或脉冲工作模式，设置固态微波功率源宽频工作模式，设置电磁波频率宽度2.4GHz-2.5GHz；

步骤S105，设置固态微波功率源输出微波的相位0度-90度；

步骤S106，设置微波功率源脉冲工作模式下的脉冲宽度（10微秒-100微秒）及占空比（10%-100%）；

步骤S107，设置微波功率源输出功率10W-300W，启动微波功率源，使其输出微波；

步骤S108，调节同轴传输线匹配，观察固态微波功率源反射功率信号，使其达到最小；

步骤S109，在微波炬等离子体发射头（09）出口处的工作气体达到击穿放电时，继续调节同轴传输线匹配，进一步降低微波反射功率，使其达到最低；

步骤S110，调节固态微波功率源输出功率10W-3000W；

步骤S111，调节工作气体流量，使微波炬等离子体发射头（09）的等离子体火焰长度达到预想状态；

步骤S112，在微波功率源控制单元中设置发射功率系数阈值；

步骤S113，实时读取反射功率值，根据设定的入射功率计算反射功率系数1；

步骤S114，判断所述反射功率系数是否大于所述反射功率系数阈值，若是，则进入下一步骤，若否，则返回步骤S113；

步骤S115，发送控制信号减小所述固态微波功率源频率；

步骤S116，再读取实时反射功率，计算反射功率系数2，判断反射功率系数是否大于反射功率系数1，若是，则发送控制信号增大所述微波功率源频率后返回步骤S113，若否，则返回步骤S113；

步骤S117，完成实验后，关闭微波功率源，关闭工作气体，关闭冷却水，结束实验。