大氣微波等離子體炬裝置設計及實驗研究

1、*湖北省高等學校優(yōu)秀中青年科技創(chuàng)新團隊計劃項目(項目編號2004419 資助課題.*Pr oject Supported by the Innovation team Project of Universities outstan ding Young Scientific and T echnological in H ub ei Province (Grant No. 2004419 .第33卷第2期2011年4月低 溫 物 理 學 報Vo l. 33, N o. 2A pr il 2011大氣微波等離子體炬裝置設計及實驗研究*劉長林 汪建華1, 2熊禮威1, 2劉 繁1, 21武漢工程大

2、學等離子體化學與新材料重點實驗室, 武漢430073;2中國科學院等離子體物理研究所, 合肥230031收稿日期:2010 09 03; 修回日期:2010 10 17摘要 大氣微波等離子體矩具有無電極放電污染、無需昂貴真空設備和易于連續(xù)化加工等特點, 具有廣闊的應用前景. 本文設計了一套基于BJ26波導的微波能利用率高、穩(wěn)定性好的大氣微波等離子體裝置. 該裝置由最高輸出功率為800W 的2. 45GHz 程控微波源、調配系統(tǒng)、波導諧振腔和耦合天線組成. 利用加裝游標卡尺的接觸式短路活塞, 對微波反射面位置進行高精度調節(jié), 通過對波導諧振腔和耦合天線的設計, 在大氣環(huán)境下實現了微波等離子體的放

3、電. 在不同微波功率、氣源以及氣體流量條件下進行了等離子體放電實驗. 結果表明, 微波功率為700W 、氬氣流量為3! 103cm 3/min 時, 等離子體放電強度最高、穩(wěn)定性最強. 利用電磁場理論對各種實驗結果進行了詳盡的分析. 關鍵詞:大氣壓力; 等離子體炬; 等離子體波導; 放電PAC C:9410D, 5275H , 5240F , 5280DESIGN AND EXPERIMENT OF AN ATMOSPHEREMICROWAVE PLASMA TORCH DEVICE *LIU Chang lin 1WANG Jian hua1, 2XIONG Li w ei1, 2LIU F

4、an1, 21K eyL aborator y of Plasma Ch emistry and Ad v anced M ater ial , Wu han I nstitute of T ech nology , Wu han 4300732I nstitu teof P lasma P hysics , Chinese A cad emy of S cie nce , H e f e i 230031Received date:2010 09 03; Revised m anu script received date:2010 10 17Abstract A tmospher e mi

5、cr ow ave plasma tor ch dev ice can be ex tensiv ely used for var ious applicat ions due to its u nique characterist ics, such as electr ode f ree discharg e co ntaminat ion, w ithout expensive vacuum equipment and con tinuous processing easily. A stability and efficient atmospher e micro wave plasm

6、a tor ch device based on BJ26r ectan g ular w aveg uide w as developed, which is supplied by t he 800W 2. 45G Hz pr og rammed micro wav e po wer source, a tunning system, a w av eguide resonance cavit y and a coupling antenna. Atmo spheric microw ave plasma tor ch w as pr oduced by adjusting impedan

7、ce matching v ia co ntact ty pe sho rt circuiting plunger w ith vernier caliper and desig ning o f w aveg uide resonance cav ity and coupling antenna. It is fo und that t he idea l discharg e conditio n is 3! 103cm 3/min arg on flow r ate wit h 700W micr ow ave pow er under differ ent m icrow ave po

8、w er, g as species and g as flow rate. Finally, the discharg e result w as also analyzed in deta il using elect romag net ic field theor y. Keywords:at mospher ic pr essure; plasma tor ch; plasma w aveg uide; discharg e PAC C:9410D, 5275H, 5240F, 52801引 言大氣微波等離子體炬是指工作在一個大氣壓下的以微波能為激發(fā)源的等離子體, 同其他能量源等離子

9、體相同, 其電子溫度主要在120eV 之間, 電子數密度在1012m-3到1025m-3之間. 根據電子溫度的不同, 一般可以將大氣微波等離子體分為局部熱平衡等離子體(LTE 和非局部熱平衡等離子體(Non LT E 1. 大氣微波等離子體炬裝置不僅不需要配置和維護昂貴的真空設備, 而且能夠應用于連續(xù)化加工, 使得大規(guī)模生產成為可能, 因此受到研究人員的廣泛重視, 其應用領域主要有廢氣處理、材料加工和合成、元素光譜分析等2.根據波導諧振腔形狀的不同, 已有的大氣微波等離子體炬裝置可以分為以下幾種37:(1 帶短路活塞的常規(guī)大氣微波等離子體炬; (2 窄邊階梯型壓縮的大氣微波等離子體炬; (3

10、窄邊漸變型壓縮的大氣微波等離子體炬; (4 窄邊兩邊漸變壓縮型大氣微波等離子體炬. 上述大氣微波等離子體炬裝置中, 波導諧振腔部分一般采用直接短路面或普通短路活塞, 這樣往往會導致微波能利用效率低和諧振反應腔嚴重發(fā)熱8. 本研究設計了一個高微波能利用率、高穩(wěn)定性的微波等離子體矩裝置, 利用加裝游標卡尺的接觸式短路活塞, 對微波反射面位置進行高精度調節(jié), 在大氣環(huán)境下實現了微波等離子體的放電, 產生的等離子體射流為Non LT E, 即低溫等離子體區(qū)域. 在此基礎上, 研究了不同微波功率、氣源以及氣體流量對等離子體炬放電的影響, 并利用電磁場理論對各種放電情況進行了機理分析.2實驗裝置的設計與模

11、擬2. 1實驗裝置及原理本研究設計的大氣微波等離子體炬裝置如圖1所示, 主要包括微波源、微波匹配系統(tǒng)、諧振腔和耦合天線. 實驗所使用的微波源為功率800W 、頻率2. 45GH z 的程控微波源. 工作過程中, 由微波源產生的微波經過環(huán)形器和水負載后, 通過對裝有游標卡尺短路活塞的調節(jié), 在諧振腔中形成TE 103模式的駐波, 最后在耦合天線的導引下在噴嘴尖端處產生高強度的電磁場, 擊穿流經該區(qū)域的氣體而產生等離子體炬. 度99. 999% 和N 2氣(純度99. 995%. 在對裝置中的電磁場分布進行分析的過程中, 采用Ano soft H FSS 軟件對諧振腔內的電磁場分布情況進行了模擬.

12、 在放電實驗過程中, 使用cano n IXU S 90IS 型數碼相機對等離子體炬的放電情況進行拍照采樣.圖1 大氣微波等離子體炬裝置示意圖2. 2諧振腔體的設計諧振腔的結構如圖2所示, 腔體由BJ26的標準波導管改造而成, 一端接微波源和調配系統(tǒng), 另一端連接短路活塞, 在矩形波導長邊的正中心位置開有耦合圓孔. 通過調節(jié)接觸式短路活塞, 使微波經過反射后在諧振腔體內形成T E 103模式的駐波電磁場. 在調節(jié)短路活塞的過程中發(fā)現, 當短路活塞短路面與耦合孔中心軸之間的距離為3/4 g 時, 耦合孔處的電磁場強度達到最大. 圖2也給出了采用Anosoft H FSS 軟件模擬得到的諧振腔體內

13、電磁場分布情況圖, 從圖中可以看到, 當短路活塞短路面與耦合孔中心軸之間的距離為3/4 g 時, 耦合孔的位置正好處于中間一個電磁場強度最高的區(qū)域, 這與實驗過程中得到的結果完全吻合. 此時耦合孔區(qū)域的電磁場強度最高, 在處理廢氣的過程中能夠實現微波能量的最大利用.圖2 諧振腔體結構與內部電磁場分布圖2. 3耦合天線及噴嘴的設計耦合天線的結構如圖3所示. 該耦合天線與噴嘴通過普通螺紋進行連接, 可以在諧振腔體內上下移動. 微波在耦合天線的導引下到達噴嘴尖端并在, 113第2期劉長林等:大氣微波等離子體炬裝置設計及實驗研究端處電磁場的強度. 該裝置的耦合天線設計有內外兩路進氣和出氣管道, 其目的

14、是在特殊情況下防止準備處理的有毒氣體與空氣接觸發(fā)生反應, 此外, 在外路氣管中通入一些易于激發(fā)的氣體, 也可以在處理一些難于激發(fā)的有毒氣體的過程中起到促進等離子體放電的作用.噴嘴材料選用紫銅, 形狀設計為圓臺型, 以實現從耦合天線的平滑過渡. 噴嘴尖端外徑可以為18mm , 其孔徑可以根據需要處理氣體的流量進行設計. 噴嘴相對耦合孔的位置是影響等離子體矩產生及其大小的重要因素, 在實驗過程中通過大量試驗發(fā)現, 當噴嘴尖端與法蘭盤上表面平齊時, 能夠獲得最大強度的等離子體炬 .圖3 耦合天線結構示意圖3等離子體放電實驗與分析3. 1氬氣流量對放電情況的影響圖4為微波功率700W 時不同氬氣流量情

15、況下等離子體炬高度變化圖, 內部插圖為氬氣流量為3! 103cm 3/m in 時的放電情況. 從圖中曲線可以看出, 氬等離子體炬的長度隨著氣體流量的增加存在先變大后變小的趨勢, 在氬氣流量上升到3! 103cm 3/min 時, 矩的長度達到最大的25mm. 這是因為當氣體流量很小時, 噴嘴尖端的微波能量足夠完全激發(fā)該區(qū)域的氣體而產生等離子體. 氣體流量從0變化到3! 103cm 3/min 時, 從噴嘴中噴出的氣流量和氣流長度會逐漸增加, 此時噴嘴尖端的電磁場強度可以將噴出的氣體完全電離, 因此等離子體炬的長度會逐漸增加; 而隨著氣體流量的繼續(xù)增加, 從噴嘴中噴出的氣流量繼續(xù)增大, 但由于

16、噴嘴尖端的微波功率恒定不變, 此時能夠激發(fā)的氣體分子數 小. 在實驗過程中還發(fā)現, 隨著氣體流量的增加, 等離子體炬中心的顏色由紫色逐漸轉變?yōu)榘咨? 這也可以通過氣體的不完全電離來進行解釋.圖4 不同氣體流量對等離子體炬高度的影響3. 2氣體種類對放電情況的影響圖5為微波功率為700W, 氣體流量為15! 103cm 3/min 時氮氣和氬氣的放電情況比較, 從圖中可以明顯看出, 氮氣等離子體炬較之于氬氣等離子體炬更小更弱并且不夠穩(wěn)定, 而且顏色也有明顯的差別. 這一結果可以解釋為:氬氣為惰性氣體, 而氮氣原子之間的鍵能較高, 其電離電位高, 電場擊穿強度更強, 在相同微波功率和相同氣體流量情

17、況下氮氣更難放電, 等離子體濃度也小9. 顏色不同則是由電子在復合過程中釋放出的光子能量不同所導致.圖5 15! 103cm 3/min 氮氣、氬氣在微波功率為700W 時的等離子體矩3. 3微波功率對放電情況的影響圖6為氬氣流量固定為15! 103cm 3/min 時等離子體炬長度隨微波功率的變化情況. 從圖中可以看出, 隨著微波功率的增大, 氬等離子體炬的長度不. 114低 溫 物 理 學 報第33卷低時, 噴嘴尖端的電磁場強度難以完全電離從噴嘴中噴出的氬氣, 因此等離子體炬的長度很小; 隨著微波功率的逐漸增大, 噴嘴尖端的電磁場強度的電離能力逐漸增強, 等離子體炬的長度相應會逐漸增大;

18、當微波功率增加到足夠完全激發(fā)從噴嘴中噴出的氣體后, 繼續(xù)增加微波功率, 等離子體炬的長度將不再變化, 這可以解釋當微波功率從700W 升高到800W 過程中等離子體炬的長度變化不大這一結果.實驗過程中還發(fā)現, 當微波功率較低時, 等離子體炬會與耦合孔內壁發(fā)生拉弧放電現象, 這一現象不受氣體流量和種類的影響. 圖7為微波功率為300W, 氬氣流量為15! 103cm 3/m in 時的放電情況. 這主要是因為噴嘴外壁與耦合孔內壁距離較近, 該區(qū)域的電磁場分布會在一定程度上受到耦合孔內壁的影響, 在噴嘴尖端外壁和耦合孔內壁之間形成放電通道. 當微波功率較低時, 這一通道更容易發(fā)生氣體的激發(fā), 形成

19、拉弧放電. 而隨著噴嘴尖端電磁場強度的逐漸增大, 尖端自持放電會逐漸取代拉弧放電, 表現為拉弧放電逐漸消失10 .4結 論通過對諧振腔和噴嘴的電磁場模擬設計, 在自行設計的大氣微波等離子體炬裝置上實現了穩(wěn)定的等離子體放電, 并比較分析了不同微波功率、氣源以及氣體流量對等離子體炬放電的影響. 實驗結果表明, 開放環(huán)境下的微波等離子體炬屬于低溫等離子體范圍, 微波功率為700W, 氬氣流量為3! 103cm 3/m in 時的放電強度最高, 穩(wěn)定性最強. 由此可見, 該裝置可以在開放的大氣環(huán)境下高效率、低成本、長時間運行, 能夠適用于各種廢氣的處理、納米顆粒的合成以及薄膜的制備, 并且易于實現大規(guī)?；? 具有很好的應用前景.參 考 文 獻1T. Claire, T. Ch ristelle, T. Pas cal, D. Jean, an d L. Ph ilippe,Sp ec trc himica ac ta , p ar t B (2006 , 2.2I. A. Ahmed, R. W. S tephen, L. Jim , and D. Y. Jiu, IE EETr ansactions on plasma sc ienc e , 5(2002 , 1863.3S. J. Rubio, M. C. Quin tero, A. Rodero, and J. M . Fe