新型大气压微波等离子体炬的仿真研究

1、 第 23卷第 10期 强 激 光 与 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 610052 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

2、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 2×104, 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 do i :10. 3788/H P L P B 2

3、0112310. 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

4、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 je 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

5、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

6、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 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 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

8、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

9、 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 2×104V /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,

10、 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

11、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 。

12、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

13、 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

14、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. 7×104V /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

15、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

16、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 10 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

17、2. 7×104V /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 :1 刘 岐 山 . 微 波 能 应 用 M . 北 京 :电 子 工 业 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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