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

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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