新型大氣壓微波等離子體炬的仿真研究

1、 第 23卷第 10期 強(qiáng) 激 光 與 粒 子 束V o l . 23, N o . 10 2011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文章編號 : 1001-4322(2011 10-2715-04新型大氣壓微波等離子體炬的仿真研究陳 穎 1, 李承躍 1, 季天仁 2(1. 電子科技大學(xué) 物理電子學(xué)院 , 成都 610054, 2. 成都紐曼和瑞微波技術(shù)有限公司 , 成都 610052 摘 要 : 設(shè)計(jì)了一種新型的大氣壓微波等離子體炬結(jié)構(gòu) 。 入射主頻為 2 450MH

2、z , 基于 H F S S 軟件對其 進(jìn)行了仿真研究 。 在仿真過程中 ,對該 結(jié) 構(gòu) 的 各 個(gè) 參 數(shù) 進(jìn) 行 了 優(yōu) 化 , 并 得 出 對 場 強(qiáng) 分 布 的 影 響 規(guī) 律 。 結(jié) 果 表 明 , 探針的使用對腔內(nèi)場分布有很大影響 。 根據(jù)優(yōu)化參數(shù)對微波等離子體炬進(jìn)行了仿真模擬 , 在等離子體發(fā)生腔產(chǎn)生了高幅值的電場強(qiáng)度 , 品質(zhì)因數(shù)達(dá)到 2×104, 可以在大氣壓下激發(fā)等離子體 。 關(guān)鍵詞 : 微波等離子體炬 ; 大氣壓 ; H F S S 軟件 ; 探針 ; 電場強(qiáng)度 中圖分類號 : O 531 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 : A do i :10. 3788/H P L P B 2

3、0112310. 2715 自微波技術(shù)更廣闊的應(yīng)用空間被打開以來 ,微波等離子體因其具有較高電離和分解程度 , 電子溫度和離子 溫度對中性氣體溫度之比高 、壓強(qiáng)范圍寬 、 高溫下容易維持 、 無電極污染 、 微波源工作穩(wěn)定 、 壽命長 、 微波泄露 少 、 安全防護(hù)工作比較成熟 、 安全因素高 、 工作寧靜等優(yōu) 點(diǎn) , 利 用 微 波產(chǎn)生等離子體 射流或炬的 研究已日趨普遍 1-3。 大氣壓下微波等離子體的產(chǎn)生及穩(wěn)定運(yùn)行 , 日益成為該領(lǐng)域的熱點(diǎn) 。 研發(fā)具有某些特殊性能的微波等 離子體設(shè)備具有良好的發(fā)展前景和商業(yè)價(jià)值 4-5。 微波等離子體炬是一種很重要的等離子體發(fā)生形式 , 它是一 種開放

4、的等離子體光源 , 于 1985年由金欽漢等首先提出 6, 此后對微波等離子體炬的應(yīng)用進(jìn)行了一些初步探 討 。 1990年 , 金欽漢和 G. M. H i e f t je 共同對微波等離子體炬管進(jìn)行了改造 , 使其更易于調(diào)諧 7。 本文設(shè)計(jì)了 一種新型的微波等離子體炬結(jié)構(gòu) , 可以在大氣壓下產(chǎn)生等離子體炬 。1 微波等離子體炬結(jié)構(gòu) 本文設(shè)計(jì)的微波等離子體炬結(jié)構(gòu)主要由 B J -32矩形波導(dǎo) 、 耦合波導(dǎo)和環(huán)形腔構(gòu)成 。 環(huán)形腔中心有一金屬 座 , 一根石英管貫穿環(huán)形腔中心 , 作為等離子體發(fā)生腔 。 整體裝置結(jié)構(gòu)如圖 1、 圖 2所示 。 采用主頻為 2 450MH z 的微波 。 微波從

5、等離子體炬入射端口入射 , 在 B J -32矩形波導(dǎo)中進(jìn)行傳輸 , 在矩 形波導(dǎo)閉合端 , 形成反射波 , 入射波與反射波進(jìn)行疊加 。 B J -32傳輸波導(dǎo)與耦合波導(dǎo)相接 , 構(gòu)成分支元件 , 電磁 波饋入到耦合波導(dǎo)中 。 耦合波導(dǎo)與環(huán)形腔之間通過小孔耦合 。 波通過小孔耦合入環(huán)形腔 , 在等離子體發(fā)生腔 形成高幅值電場 , 擊穿空氣 , 產(chǎn)生等離子體 。2 微波等離子體炬結(jié)構(gòu)的仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì) 在對微波等離子體炬結(jié)構(gòu)的仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中 , 為了使等離子體發(fā)生腔的電場強(qiáng)度最大 , 能量密度最 高 , 即達(dá)到在石英管內(nèi)產(chǎn)生等離子體的目的 , 整個(gè)結(jié)構(gòu)的所有參數(shù)均可調(diào) 。 各參數(shù)的原始數(shù)據(jù)如

6、下 :B J -32矩 形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)尺寸為 72m m×34m m×217m m ; 耦合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)尺寸為 34m m ×34m m ×60m m ;環(huán)形腔內(nèi)半徑 *收稿日期 :2011-04-29; 修訂日期 :2011-09-13作者簡介 :陳 穎 (1987 , 女 , 碩士研究生 , 研究方向?yàn)槲锢黼娮訉W(xué) ; y c h a l o n g 126. c o m 。 通信作者 :李承躍 (1969 , 男 , 博士 , 研究方向?yàn)槲锢黼娮訉W(xué) ; l e e c yu e s t c . e d u . c n。 F i g . 3 3D m o d

7、e l o f m i c r o w a v e pl a s m a t o r c h 圖 3 微波等離子體炬 3維模型為 32m m , 外 半 徑 為 40m m , 腔 內(nèi) 高 度 為 14m m ; 小 孔 尺 寸 為7m m ×7m m ; 金屬座上圓半徑為 8m m , 下 圓半徑為 16m m , 高度為 10m m 。 石英管半徑為 2m m 。 根據(jù)原始數(shù)據(jù)初步模擬的 3維模型如圖 3所示 。 首先對 B J -32矩形波導(dǎo)的長度進(jìn)行調(diào)節(jié) 。 改變 B J -32矩形波導(dǎo)輸 入端的長度 , 由 130m m 增加到 170m m , 只有 B J -32矩形波

8、導(dǎo)中半駐 波數(shù)逐漸增加 , 在 130m m 時(shí)約有 3個(gè)半駐波 , 在 170m m 時(shí)約有 4個(gè) 半駐波 , 腔內(nèi)其它位置 的 電 場 分 布 情況 基本不變 。 當(dāng)調(diào)節(jié) B J -32矩形 波導(dǎo)調(diào)諧活塞端的長度 , 由 35m m 增加到 75m m , 半駐波的坐標(biāo)值逐 漸變大 。 由此可以看出 , B J -32矩形波導(dǎo)輸入端的長度 , 對腔內(nèi)的電場 分布情況不影響 , 調(diào)諧活塞端對半駐波的位置有一定的影響 。 為了使微波更好地饋入 , 對 B J -32矩形波導(dǎo)調(diào)諧 活塞端長度的調(diào)節(jié)是必要的 。 對耦合波導(dǎo)的寬度進(jìn)行調(diào)節(jié) , 由仿真結(jié)果可以看出 , 耦合波導(dǎo)的寬度越寬 , 波從 B

9、 J -32矩形波導(dǎo)饋入耦合波導(dǎo) 的 效 果 越 好 , 因 此 , 設(shè) 置 耦 合 波 導(dǎo) 的 寬 度 與 B J -32矩 形 波 導(dǎo) 的 寬 度 相 同 , 即 72m m 。 對耦合波導(dǎo)的高度進(jìn)行調(diào)節(jié) , 可以看出 , 高度在 56m m 到 58m m 饋入效果較好 ,腔內(nèi)最高電場值達(dá)到 2×104V /m 。 對小孔尺寸 、環(huán)形腔尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié) , 得出其參數(shù)值的改變對耦合的影響不大 。 對環(huán)形腔中心的金 屬座的尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié) , 得出金屬塊對腔中的場分布沒有影響 。 在對上述參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí) , 微波始終沒有耦合進(jìn)環(huán)形腔中 。 基于對上述參數(shù)的研究 , 采用探針進(jìn)行耦合 8,

10、 在仿真過程中發(fā)現(xiàn) , 探針的尺寸對波的傳播及耦合有很大的影響 , 分別采用電耦合和磁耦合設(shè)計(jì) 。 2. 1 電耦合設(shè)計(jì)F i g. 4 P r o b e s t r u c t u r e 圖 4 探針結(jié)構(gòu) 探針結(jié)構(gòu)如圖 4所示 。 首先探討以探針的長度 為變 量 ,進(jìn) 行 優(yōu) 化 分 析 , 結(jié) 果 如 圖 5所 示 。 可 以看出 , 以 10m m 為步長進(jìn)行優(yōu)化 , 探針長度在 50m m 時(shí) , 腔內(nèi)場值最大 值可以達(dá)到 2 000V /m , 耦合進(jìn)環(huán)形腔的最大場強(qiáng)為 600V /m , 等離子體發(fā) 生腔的最大場強(qiáng)為 200V /m , 耦合效果差 。 探針長度在 60m m

11、時(shí) , 腔內(nèi)場 值最大值可以達(dá)到 2 500V /m , 但在等離子體發(fā)生腔的場值很小 , 耦合效果 差 。 探針長度在 70, 80, 90m m 時(shí) , 等離子體發(fā)生腔的場值均較小 , 耦合效 果差 。 探針長度在 100m m 時(shí) , 耦合效果較好 , 環(huán)形腔內(nèi)的波集中在等離子 體發(fā)生腔內(nèi) ,但是腔內(nèi)的場值最大值不大 。 其次 ,討論探針的半徑的影響 , 進(jìn)行優(yōu)化分析 , 結(jié)果如圖 6所示 。 可以 看出 , 探針半徑由 0. 9m m 至 1. 5m m , 步長為 0. 1m m ,腔內(nèi)最大電場值 、 環(huán)形腔內(nèi)最大電場值 、 等離子體發(fā)生腔內(nèi)最大電場值基本隨探針半徑的增加而增大 。

12、當(dāng)探針半徑為 0. 9m m 時(shí) , 腔內(nèi)電場強(qiáng)度最大值為 400V /m , 環(huán)形腔內(nèi)的電場強(qiáng)度最大值為 100V /m , 等離子體發(fā)生腔中的電場強(qiáng)度 達(dá)到環(huán)形腔中的最大值 100V /m 。 當(dāng)探針半徑為 1. 0m m 時(shí) , 腔內(nèi)電場強(qiáng)度最大值為 500V /m , 環(huán)形腔內(nèi)的電 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圖 5 探針長度對耦合的影響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

13、 i n g圖 6 探針半徑對耦合的影響場強(qiáng)度最大值為 150V /m , 等離子體發(fā)生腔中的電場強(qiáng)度達(dá)到環(huán)形腔中的最大值 150V /m , 此時(shí) , 與探針長度 為 100m m 時(shí)相比沒有明顯優(yōu)勢 。 當(dāng)探針半徑為 1. 4m m 時(shí) ,腔內(nèi)電場強(qiáng)度最大值 、 環(huán)形腔內(nèi)電場強(qiáng)度最大 值 、 等離子體發(fā)生腔內(nèi)電場強(qiáng)度最大值都為 800V /m , 由此表明 , 腔內(nèi)的波集中到了等離子體發(fā)生腔 , 波的耦 合效果好 。 當(dāng)探針半徑為 1. 5m m 時(shí) , 波的耦合情況與半徑為 1. 4m m 時(shí)相似 , 而電場強(qiáng)度最大值為 970V/m ,耦合效果更佳 。 綜合考慮各個(gè)參數(shù)的分析結(jié)果 ,對

14、微波等離子體炬結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真 , 結(jié)果如圖 7所示 。 可以看出 , 腔內(nèi)的微 波集中到等離子體發(fā)生腔 , 電場強(qiáng)度達(dá)到 2. 7×104V /m ,且輸入有效微波功率越大 , 產(chǎn)生的場強(qiáng)越大 。 當(dāng)輸入 功率足夠大時(shí) , 空氣可以在大氣壓下?lián)舸?。 圖 8為 S 11參數(shù)圖 , 可以看出 , S 11達(dá)到 -11d B , Q 值達(dá)到 2×104, 達(dá) 到設(shè)計(jì)指標(biāo) 。 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 圖 7 腔內(nèi)電場分布圖F i g . 8 R e

15、t u r n l o s s o f i n p u t p o r t 圖 8 輸入端口的回波損耗2. 2磁耦合設(shè)計(jì) 探針頂端為一小環(huán) ,構(gòu)成耦合環(huán) , 其結(jié)構(gòu)如圖 9所示 。 通過改變各個(gè)參數(shù)值對整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì) , 采 用電耦合原理優(yōu)化 。 結(jié)果表明 , 耦合環(huán)的尺寸 對 腔 內(nèi) 場 分 布 影 響較大 。 當(dāng)導(dǎo)體棒半徑為 1. 15m m 、 棒長 100m m 、 小環(huán)內(nèi)半徑 1. 15m m 、 外半徑 3. 5m m 時(shí) , 腔內(nèi)的場集中到等離子體發(fā)生腔 , 場值達(dá)到 600V /m , 如圖 10所示 。 增大輸入功率 , 其最高場值也增大 。 因此 , 該結(jié)構(gòu)參數(shù)達(dá)到設(shè)

16、計(jì)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 圖 9耦合環(huán)結(jié)構(gòu) 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 圖 10 腔內(nèi)電場分布圖 3 結(jié) 論 本文基于 H F S S 軟件對一種新型微波等離子體炬進(jìn)行了仿真研究 。 在研究過程中 , 分析了各個(gè)參數(shù)對腔 中電場分布的影響 , 改進(jìn)了腔的設(shè)計(jì)方案 , 最終確定了最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù) 。 采用電耦合設(shè)計(jì)時(shí) , 腔內(nèi)波耦合性及集中性都比較好 , 最高電場強(qiáng)度達(dá)到了

17、2. 7×104V /m ;采用磁耦合設(shè)計(jì)時(shí) , 腔內(nèi)波的耦合性及集中性相對于電耦 合時(shí) , 效果較差 , 最高電場強(qiáng)度為 600V /m , 但達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo) 。 參考文獻(xiàn) :1 劉 岐 山 . 微 波 能 應(yīng) 用 M . 北 京 :電 子 工 業(yè) 出 版 社 , 1990:1-6. (L i u Q i s h a n .A p p l i c a t i o n o f m i c r o w a v e e n e r g y . B e i j i n g :P u b l i s h i n g H o u s e o f E l e c t r o n i c s I n

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26、 r o n i c s , U n i v e r s i t y o f 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 A b s t r a c t : A n a t m o s p h e r i c p r e s s u r e m i c r o w a v e p l a s m a t o r c h (M P T o p e r a t i n g a t 2. 45G H z w a s d e s i g n e d . C o r r e s p o n d i n g s i m u l a t i o n b a s e d o n H F S S c o d e w a s p e r f