[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

说明书

本发明公开了一种便携式常压微波等离子体炬的产生方法及装置，包括：便携式微波炬等离子体发射头、高功率同轴传输线、全固态微波功率源；所述便携式微波炬等离子体发射头由陶瓷环、固体电极、金属喷嘴、绝缘环、适配器、第一进气管、第二进气管组成。实施本发明提供的方法及装置，产生可提供长距离便携操作的微波等离子体，该装置不需要数千伏的高压直流电，不需要人为操作微波炬系统中的三销钉或短路活塞等传输线元件，自动匹配调整微波传输线的阻抗，使微波耦合进入等离子体的效率达到最佳。

技术领域

本发明属于低温等离子体物理及应用科学研究领域，具体涉及一种便携式常压微波等离子体炬产生装置及方法。

背景技术

微波等离子体属于低温等离子体源的一个重要分类，因其不需要电极、产生等离子体密度阈值高、电子温度较高、等离子体空间电位较低、工作气压范围宽、活性自由基种类多且浓度高、产生气体温度范围宽，可以是非平衡等离子体也可以是处于局部热平衡态的热等离子体，因此被广泛应用于材料表面清洗、废气治理、材料制备、温室气体转化、氢制备、废气液体或固体材料的治理、含氮物质的制备、医疗美容、灭菌、活化水等的制备、可燃物质的辅助燃烧等。微波等离子体炬因其不需要昂贵而复杂的真空系统，可以使用多种工作气体产生放电进而实现多种用途，具有更突出的特点和优势，因此得到了世界范围的关注和研究。

然而，传统的微波炬的存在以下几个缺点：（1）安全性；常规的微波炬磁控管需要使用数千伏的高压激励才能产生电子进而形成电磁波，需要能提供几千伏高压的直流电源。（2）结构较繁冗；传统的微波炬需要使用三销钉或短路活塞，增加了整个系统的复杂性和重量。（3）操作不便捷；通常需要对微波炬系统中的三销钉或短路活塞进行调整，以便对电磁波能量向工作介质中的耦合进行调整，使微波能量耦合更高效。（4）时变调节性能较差；在传统的微波炬系统中，当外界条件稍有变化时则需要对整个微波传输线阻抗进行调整，以使微波耦合效率达到最佳。

发明内容

针对微波炬等离子体产生方法和装置的不足之处，本发明提供了一种便携式常压微波等离子体炬产生装置及方法，采用本发明涉及的方法和装置可以有效产生便携式微波等离子体源，并可用于远距离便携操作，用于材料表面清洗、接枝改性、高纯度薄膜或粉体材料制备、温室气体转化、氢制备、有毒或有害气体或液体或固体材料的治理、含氮物质的制备，也可用于医疗、美容、灭菌、活化水的制备，还可用于可燃物质（如天然气、汽油、柴油、可燃冰、煤炭、液化石油气等）的辅助燃烧技术，本发明的突出特点是产生可提供长距离便携操作的微波等离子体，该装置不需要数千伏的高压直流电，可以在特定情况下选择不使用三销钉或短路活塞，利用固态微波源的频率自调谐特性不需要人为操作微波炬系统中的三销钉或短路活塞等传输线元件，利用固态微波源的频率自调谐特性自动匹配调整微波传输线的阻抗，使微波耦合进入等离子体的效率达到最佳，便于更便捷地将其应用于材料制备或表面处理等领域。

本发明采用的技术方案是：

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。