常压微波等离子体反应器的设计与实现

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)电子科技大学 作者:赵 冰

  本文设计了一个基于BJ26矩形波导的常压微波等离子体反应器。微波反应器对于等离子体的产生起关键性作用,本设计中采用了矩形压缩波导结构。首先运用Ansoft HFSS仿真软件对反应器进行了模拟计算,得到不同矩形压缩波导腔体内的电场分布,从而对腔体进行了优化设计,最终制作了常压微波等离子体反应器。将反应器安装在微波系统中,获得了频率为2.45GHz功率可调的稳定的微波等离子体。

  等离子体的产生方法有直流放电、射频放电、微波放电等。直流放电的缺点是有极放电、密度低、电离度低、运行气压高;射频放电虽然密度和电离度有所提高,但应用范围受限;而微波放电技术与上述等离子体产生技术相比,具有能量转化效率高、不会产生电极污染和很宽的压强范围等一系列优势,正被广泛应用于工业领域。

  目前,在低气压条件下产生微波等离子体较为容易,因此在工业上得到了一定的应用,例如等离子体真空镀膜、刻蚀、表面清洗等,而在常压条件下产生微波等离子体则较为困难。常压微波等离子体与低压相比拥有诸多优势,例如粒子密度更大、无需配置和维护昂贵的真空设备等,因此正逐渐成为新的研究热点。常压微波等离子体射流或炬已经有了一定的研究,利用这种方式可以很容易获得氦气、氩气等工作气体的等离子体流,但由于其体积小,不便于大体积、大功率的工业应用,因此真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为对于大体积、大功率常压微波等离子体的研究具有良好的发展前景和工业价值。

  本文对产生大功率微波等离子体做了初步的探讨,设计了一个可随时产生微波等离子体的开放系统,以期在本设计的基础上可以通过进一步的研究实现系统放大,从而获得大体积、大功率下的常压微波等离子体。

  本设计中的常压微波等离子体反应器选择了结构较为简单的矩形压缩波导,并采用基于电磁场有限元方法分析微波工程问题的Ansoft HFSS电磁仿真软件来优化反应器。

1、整体装置

  常用的微波等离子体产生装置包括三个部分:微波功率源、微波传输系统和微波反应器及其附加装置,如图1所示。

  微波功率源为整个系统提供微波能量。微波传输系统包括环形器和三销钉阻抗匹配器。为避免反射波损害微波功率源,采用环形器隔离反射波,并采用三销钉阻抗匹配器尽量减少微波反射。

  从传输系统输入的微波能量经过反应器的调制,使得反应器中的电场被重新分配,在某个位置处得到显著加强,利用该强电场将此处空气击穿,从而得到等离子体。

常用微波等离子体产生装置原理图

图1 常用微波等离子体产生装置原理图

4、结论

  本文运用HFSS仿真软件对不同结构、尺寸下微波等离子体反应器内部电场分布进行了模拟计算,并对比了各种模拟结果,得到如下结论:通过改变矩形压缩波导尺寸、开孔位置及大小的方式均可以在一定程度上增大腔内电场强度,但增幅有限;在开孔内置入适当长度的导电探针后,探针可聚集圆孔周围电场,从而在孔内产生足以击穿空气的强电场。依托这一结论,制作了所需的常压微波等离子体反应器,运行时无需点火,反应器便能产生均匀、稳定的微波等离子体。

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