[发明专利]一种级联放大磁增强高功率微波等离子体产生装置和方法

说明书

本发明公开了一种级联放大磁增强高功率微波等离子体产生装置和方法，该装置包括高频点火器系统、低功率微波等离子体炬系统、高功率微波辐照系统、第一级进料系统、第二级进料系统、第三级进料系统、第四级进料系统、主化学反应系统、磁体系统、次化学反应系统。本发明利用低温等离子体引燃技术、磁场产生技术、大功率微波产生及传输技术，实现高效耦合、稳定、大功率微波等离子体装置，有效提高大功率微波在等离子体中的吸收效率，减少大功率微波反射对微波器件的损坏，提高其操作便捷性和使用寿命，装置尺寸可根据需要灵活调节，大大降低了设备的开发难度及材料制作成本，易于放大实现工业化生产。

技术领域

本发明属于低温等离子体源领域，具体涉及一种高功率微波等离子体产生装置和方法。

背景技术

电弧等离子体利用电能使气体电离产生热等离子体，温度高(可超1万度)、能量集中、气氛可控、加热速率高，是特殊的高温热源，在等离子体冶金)、超细粉生产、等离子体切割、焊接、等离子体火箭等领域得到广泛应用，至今已具备产业化能力。其中微波放电等离子体与其他气体放电方式产生的等离子体相比具有电离密度较高，放电气压范围宽、放电稳定，可控性好等优点，同时因为其无需电极具有寿命长等特殊优势，是应用于能源、环境、材料制备、处理等领域的一种重要手段，在现代工业中起着日趋重要的作用。

直流等离子体是目前使用最多、工业应用最广泛的热等离子体源之一，单炬直流等离子体功率可以达到数十兆瓦至百兆瓦，效率也可以达到80％以上，然而由于高功率直流等离子体需要高达数千安培甚至更高的电流，电弧区域存在自收缩现象，特别在电极上(阴极和阳极)会出现斑点，造成电极的寿命仅能达到数百小时至千小时，严重制约了大功率直流等离子体的推广应用。微波等离子体不需要电极，但大功率微波等离子体的产生则又存在微波与等离子体耦合效率低时造成的回波现象，严重时将使昂贵的微波源及其系统受到损伤而失效。同时，微波系统的尺寸与材料要求严格造成其设备成本远高于其它等离子体设备。因此截至目前大功率微波等离子体并未得到很好的发展和推广。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供一种级联放大磁增强高功率微波等离子体产生装置和方法，利用等离子体功率级联放大的方式及磁场对等离子体稳定产生的促进方法实现大功率微波等离子体源，所需大功率微波等离子体设备简单、微波能量耦合效率高，成本低，易实现高功率、高温度、高纯净等离子体。

本发明采用的技术方案是：一种级联放大磁增强高功率微波等离子体产生装置，包括高频点火器、第一级进料系统，低功率微波等离子体炬系统、第二级进料系统、低功率微波电源、环形器、水负载、三销钉、短路活塞、微波等离子体反应器，高功率微波辐照系统、高功率微波源、环形器、微波传输线、微波辐照喇叭天线、介质窗，磁体系统、磁场电源，主化学反应系统、第三级进料系统，次化学反应系统和第四级进料系统；

所述第一级进料系统由所述高频点火器系统馈入，所述第二级进料系统由所述低功率微波等离子体炬系统馈入，所述第三级进料系统由所述高功率微波辐照系统和主化学反应系统馈入，所述第四级进料系统由所述次化学反应系统馈入；

所述低功率微波等离子体炬系统包括低功率微波电源、环形器、水负载、三销钉、短路活塞、微波等离子体反应器，其设置有所述第二级进料系统；

所述主化学反应系统和次化学反应系统进行固氮反应或燃料燃烧提供热能的反应；

所述高频点火器系统包括高频点火电源、高频点火等离子体装置、第一级进料系统；