[发明专利]一种新型的微波高效等离子体火炬发生器

说明书

本发明涉及一种新型的微波高效等离子体火炬发生器，它包括第一波导和第二波导，所述第一波导通过波导压缩过渡结构与所述第二波导连接；在所述第二波导内设置有特殊结构的渐变折射率超材料，使得在所述第二波导内得到需要的折射率分布，实现电场的压缩提高电场强度。本发明的优点在于：通过折射率渐变超界面实现了压缩波导内电场的增强，使得等离子火炬更容易维持，且损耗更低，可以使用较小的功率就能够得到较强的等离子火炬。

技术领域

本发明涉及微波技术领域，尤其涉及一种新型的微波高效等离子体火炬发生器。

背景技术

等离子体是一种由大量电子、离子和中性粒子所组成的，宏观呈中性的物质的聚集状态，也被称为继固态、液态和气态之后的物质的“第四态”。等离子体产生的原因一般认为是无规则的热运动，而温度和外加电磁场是造成这种无规则运动的两大主要因素。由温度变化而产生的等离子体类似于蜡烛中的火焰，电离度较低；由外加电磁场产生并维持的等离子体，结构多变，实用性强，是人造等离子体的主要组成部分。当激发等离子体的外加电磁场频率达到微波波段时，这种等离子体被称为微波等离子体。相比于直流、交流和射频等离子体，微波等离子体无需电极，电子密度、电子温度和气体温度更高，从微波到等离子体的能量转换效率也较高。这些优势使得微波等离子体在日常生活、能源、化工和材料等领域得到了广泛的应用。

目前常用的产生等离子体的方法有两种，一种通过压缩波导的形式产生高能量密度的等离子体火炬，另一种则通过在微波反应腔内直接形成等离子体云；传统的微波等离子体火炬是通过压缩波导窄边以增强放电区域的场强，当微波输入功率为1.5kW时，波导内的电场可达7×10⁴v/m，但是这样的电场强度仍无法使空气自激发成等离子体，所以这种结构需要人为地外加点火装置，通过尖端放电的形式，再次增强局部电场，从而激发等离子体。因此，现有等离子体激发装置由于波导内电场强度较小，导致存在着点火困难、等离子体火炬不易维持、空气等离子体气体流速大时等离子体容易熄灭等问题。虽然可以通过提高微波功率的方法来提高压缩波导内的电场前度，但是电场强度提升一倍，需要微波功率增加3倍。且当功率微波发生器价格昂贵，微波发生器的价格与微波功率成指数增长。通过提高功率的方法来提高电场强度，成本极高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种新型的微波高效等离子体火炬发生器，解决了现有等离子体激发装置存在的不足。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种新型的微波高效等离子体火炬发生器，它包括第一波导和第二波导，所述第一波导通过波导压缩过渡结构与所述第二波导连接；在所述第二波导内设置有特殊结构的渐变折射率超材料，使得在所述第二波导内得到需要的折射率分布，实现电场的压缩提高电场强度。

进一步地，所述渐变折射率超材料包括设置在所述第二波导内两个相对的腔体面上设置有第一介电常数介质板结构和第二介电常数介质板结构；所述第一介电常数介质板结构设置在第二介电常数介质板结构的一侧，共同组成折射率渐变超界面；在所述第一介电常数介质板结构和第二介电常数介质板结构上开设了不同尺度的贯穿孔，使得由所述第一介电常数介质板结构和第二介电常数介质板结构组成的超界面在所述第二波导内得到需要的折射率分布，实现电场的压缩提高电场强度。

进一步地，所述第一波导为BJ22波导，所述第二波导为压缩后的BJ22波导；所述第一波导包括一立体的方形腔室结构。

进一步地，所述第一介电常数介质板结构包括多个第一介电常数介质板，每个第一介电常数介质板依次排列的设置在所述第二波导的两个相对的腔体面上。

进一步地，所述第二介电常数介质板结构包括多个第二介电常数介质板，每个第二介电常数介质板依次排列的设置在所述第二波导的两个相对的腔体面上。

进一步地，在每个所述第一介电常数介质板和每个所述第二介电常数介质板上开设有不同尺度的贯穿孔，进而使得介质板等效介电常数改变，从而实现折射率渐变。