新型大气压微波等离子体炬的仿真研究.

第 23卷第 10期强激光与粒子束
V o l . 23, N o . 10
2
011年 10月 H I G H P OW E R L A S E R A N D P A R T I C L E
B E AM S
O c t . , 2011
文章编号 : 1001-4322(2011 10-2715-
04新型大气压微波等离子体炬的仿真研究
陈颖 1, 李承跃 1, 季天仁 2
(1. 电子科技大学物理电子学院 , 成都 610054, 2. 成都纽曼和瑞微波技术有限公司 , 成都 6
10052 摘要 :设计了一种新型的大气压微波等离子体炬结构。

入射主频为 2 450MH z , 基于 H F S S 软件对其进行了仿真研究。

在仿真过程中 ,
对该结构的各个参数进行了优化 , 并得出对场强分布的影响规律。

结果表明 , 探针的使用对腔内场分布有很大影响。

根据优化参数对微波等离子体炬进行了仿真模拟 , 在等离子体发生
腔产生了高幅值的电场强度 , 品质因数达到 2×10
4
, 可以在大气压下激发等离子体。

关键词 :微波等离子体炬 ; 大气压 ; H F S S 软件 ; 探针 ; 电场强度
中图分类号 : O 531文献标志码 : A d
o i :10. 3788/H P L P B 20112310. 2715自微波技术更广阔的应用空间被打开以来 ,
微波等离子体因其具有较高电离和分解程度 , 电子温度和离子温度对中性气体温度之比高、
压强范围宽、高温下容易维持、无电极污染、微波源工作稳定、寿命长、微波泄露少、安全防护工作比较成熟、安全因素高、工作宁静等优点 , 利用微波产生等离子体射流或炬的研究已日趋普
遍 [1-
3]。

大气压下微波等离子体的产生及稳定运行 , 日益成为该领域的热点。

研发具有某些特殊性能的微波等离子体设备具有良好的发展前景和商业价值 [4-
5]。

微波等离子体炬是一种很重要的等离子体发生形式 , 它是一种开放的等离子体光源 , 于 1985年由金钦汉等首先提出 [6]
, 此后对微波等离子体炬的应用进行了一些初步探讨。

1990年 , 金钦汉和 G. M. H i e f t j
e 共同对微波等离子体炬管进行了改造 , 使其更易于调谐 [7]。

本文设计了一种新型的微波等离子体炬结构 , 可以在大气压下产生等离子体炬。

1微波等离子体炬结构
本文设计的微波等离子体炬结构主要由 B J -
32矩形波导、耦合波导和环形腔构成。

环形腔中心有一金属座 , 一根石英管贯穿环形腔中心 , 作为等离子体发生腔。

整体装置结构如图 1、图 2所示。

采用主频为 2 450MH z 的微波。

微波从等离子体炬入射端口入射 , 在B J -32矩形波导中进行传输 , 在矩形波导闭合端 , 形成反射波 , 入射波与反射波进行叠加。

B J -32传输波导与耦合波导相接 , 构成分支元件 , 电磁波馈入到耦合波导中。

耦合波导与环形腔之间通过小孔耦合。

波通过小孔耦合入环形腔 , 在等离子体发生腔形成高幅值电场 , 击穿空气 , 产生等离子体。

2微波等离子体炬结构的仿真及优化设计
在对微波等离子体炬结构的仿真及优化设计过程中 , 为了使等离子体发生腔的电场强度最大 , 能量密度最高 , 即达到在石英管内产生等离子体的目的 , 整个结构的所有参数均可调。

各参数的原始数据如下 :B J -32矩形波导结构尺寸为
72m m×34m m×217m m ; 耦合波导结构尺寸为 34m m ×34m m ×60m m ;
环形腔内半径 *
收稿日期 :2011-04-29; 修订日期 :2011-09-
13作者简介 :陈颖 (1987— , 女 , 硕士研究生 , 研究方向为物理电子学 ; y c h a l o n g @126. c o m 。

通信作者 :李承跃 (1969— , 男 , 博士 , 研究方向为物理电子学 ; l e e c y
@u e s t c . e d u . c n。

F i g . 3 3D m o d e l o f m i c r o w a v e p
l a s m a t o r c h 图 3微波等离子体炬 3维模型
为 32m m , 外半径为 40m m , 腔内高度为 14m m ; 小孔尺寸为
7m m ×7m m ; 金属座上圆半径为 8m m , 下圆半径为 16m m , 高度为 10m m 。

石英管半径为 2m m 。

根据原始数据初步模拟的 3维模型如
图 3所示。

首先对 B J -32矩形波导的长度进行调节。

改变 B J -
32矩形波导输入端的长度 , 由 130m m 增加到 170m m , 只有 B J -32矩形波导中半驻波数逐渐增加 , 在 130m m 时约有 3个半驻波 , 在 170m m 时约有 4个半驻波 , 腔内其它位置的电场分布情况基本不变。

当调节 B J -32矩形波导调谐活塞端的长度 , 由 35m m 增加到 75m m , 半驻波的坐标值逐渐变大。

由此可以看出 , B J -
32矩形波导输入端的长度 , 对腔内的电场分布情况不影响 , 调谐活塞端对半驻波的位置有一定的影响。

为了使微波更好地馈入 , 对 B J -32矩形波导调谐活塞端长度的调节是必要的。

对耦合波导的宽度进行调节 , 由仿真结果可以看出 , 耦合波导的宽度越宽 , 波从 B J -32矩形波导馈入耦合波导的效果越好 , 因此 , 设置耦合波导的宽度与 B J -
32矩形波导的宽度相同 , 即 72m m 。

对耦合波导的高度进行调节 , 可以看出 , 高度在 56m m 到 58m m 馈入效果较好 ,
腔内最高电场值达到 2×104
V /m 。

对小孔尺寸、
环形腔尺寸进行调节 , 得出其参数值的改变对耦合的影响不大。

对环形腔中心的金属座的尺寸进行调节 , 得出金属块对腔中的场分布没有影响。

在对上述参数进行调节时 , 微波始终没有耦合进
环形腔中。

基于对上述参数的研究 , 采用探针进行耦合 [8]
, 在仿真过程中发现 , 探针的尺寸对波的传播及耦合有很大
的影响 , 分别采用电耦合和磁耦合设计。

2. 1
电耦合设计
F i g
. 4 P r o b e s t r u c t u r e 图 4探针结构
探针结构如图 4所示。

首先探讨以探针的长度为变量 ,
进行优化分析 , 结果如图 5所示。

可以看出 , 以 10m m 为步长进行优
化 , 探针长度在 50m m 时 , 腔内场值最大值可以达到 2 000V /m , 耦合进环形腔的最大场强为 600V /m , 等离子体发生腔的最大场强为 200V /m , 耦合效果差。

探针长度在 60m m 时 , 腔内场值最大值可以达到 2 500V /m , 但在等离子体发生腔的场值很小 , 耦合效果差。

探针长度在 70, 80, 90m m 时 , 等离子体发生腔的场值均较小 , 耦合效果差。

探针长度在 100m m 时 , 耦合效果较好 , 环形腔内的波集中在等离子体发生腔内 ,
但是腔内的场值最大值不大。

其次 ,
讨论探针的半径的影响 , 进行优化分析 , 结果如图 6所示。

可以看出 , 探针半径由 0. 9m m 至 1. 5m m , 步长为 0. 1m m ,
腔内最大电场值、环形腔内最大电场值、等离子体发生腔内最大电场值基本随探针半径的增加而增大。

当探针半径为 0. 9m m 时 , 腔内电场强度最大值为400V /m , 环形腔内的电场强度最大值为 100V /m , 等离子体发生腔中的电场强度
达到环形腔中的最大值 100V /m 。

当探针半径为 1. 0m m 时 , 腔内电场强度最大值为 500V /m ,
环形腔内的电 F i g . 5 I n f l u e n c e o f p r o b e l e n g t h o n c o u p l i n g
图 5
探针长度对耦合的影响
F i g . 6 I n f l u e n c e o f p r o b e r a d i u s o n c o u p l i n g
图 6探针半径对耦合的影响
场强度最大值为 150V /m , 等离子体发生腔中的电场强度达到环形腔中的最大值 150V /m , 此时 , 与探针长度为 100m m 时相比没有明显优势。

当探针半径为 1. 4m m 时 ,
腔内电场强度最大值、环形腔内电场强度最大值、等离子体发生腔内电场强度最大值都为 800V /m , 由此表明 , 腔内的波集中到了等离子体发生腔 , 波的耦
合效果好。

当探针半径为 1. 5m m 时 , 波的耦合情况与半径为 1. 4m m 时相似 , 而电场强度最大值为 970V
/m ,
耦合效果更佳。

综合考虑各个参数的分析结果 ,
对微波等离子体炬结构进行仿真 , 结果如图 7所示。

可以看出 , 腔内的微波集中到等离子体发生腔 , 电场强度达到 2. 7×104
V /m ,
且输入有效微波功率越大 , 产生的场强越大。

当输入功率足够大时 , 空气可以在大气压下击穿。

图 8为 S 11参数图 , 可以看出 , S 11达到 -11d B , Q 值达到2×104, 达到设计指标。

F i g
. 7 D i s t r i b u t i o n o f e l e c t r i c f i e l d i n d e v i c e 图 7腔内电场分布图
F i g . 8 R e t u r n l o s s o f i n p u t p o r t 图 8输入端口的回波损耗
2. 2磁耦合设计
探针顶端为一小环 ,
构成耦合环 , 其结构如图 9所示。

通过改变各个参数值对整个结构进行优化设计 , 采用电耦合原理优化。

结果表明 , 耦合环的尺寸对腔内场分布影响较大。

当导体棒半径为 1. 15m m 、棒长 100m m 、小环内半径 1. 15m m 、外半径3. 5m m 时 , 腔内的场集中到等离子体发生腔 , 场值达到 600V /m , 如图 10所示。

增大输入功率 , 其最高场值也增大。

因此 , 该结构参数达到设计要求。

F i g . 9 S t r u c t u r e o f c o u p l i n g
r i n g 图 9
耦合环结构
F i g
. 10 D i s t r i b u t i o n o f e l e c t r i c f i e l d i n d e v i c e
图 1
0腔内电场分布图 3结论
本文基于 H F S S 软件对一种新型微波等离子体炬进行了仿真研究。

在研究过程中 , 分析了各个参数对腔中电场分布的影响 , 改进了腔的设计方案 , 最终确定了最优结构参数。

采用电耦合设计时 , 腔内波耦合性及集
中性都比较好 , 最高电场强度达到了 2. 7×104
V /m ;
采用磁耦合设计时 , 腔内波的耦合性及集中性相对于电耦合时 , 效果较差 , 最高电场强度为 600V /m , 但达到设计指标。

参考文献 :
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E l e c t r o n i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f C h i n a , C h e n g d u 610054, C h i n a ; 2. C h e n g d u N e w m a n -H u e r a y M i c r o w a v e T e c h C o L t d , C h e n g d u 610052, C h i n a
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b y a d j u s t i n g t h e s t r u
c t u r e p a r a m e t e r s , w h i c h c o u l d
p r o d u c e m i c r o w a v e p l a s m a a t a t m o s p h e r i c p r e s s u r e .
K e y w o r d s : m i c r o w a v e p l a s m a t o r c h ; a t m o s p h e r i c p r e s s u r e ; H F S S c o d e ; p r o b e ; e l e c t r i c f i e l d s t r e n g t h。