具有更高的羽流稳定性和加热效率的微波等离子体喷嘴
2019-11-22

具有更高的羽流稳定性和加热效率的微波等离子体喷嘴

披露了用于产生微波等离子体的系统和方法。本发明提供了微波等离子体喷嘴(26),它包括气流管(40)和棒状导体(34),该棒状导体设置在气流管(40)中并具有位于气流管(40)的出口附近的尖端(33)。棒状导体(34)的一部分(35)延伸至微波空腔(34)中以接收在空腔(24)中穿过的微波。所接收到的这些微波聚集在尖端(33)处,将气体加热成等离子体。微波等离子体喷嘴(26)还包括位于棒状导体(34)与气流管(40)之间的涡流引导件(36),用于使流经气流管(40)的气体具有螺旋形流动方向。微波等离子体喷嘴(26)还包括屏蔽机构(108),用于降低穿过气流管(40)时的微波能量损失。

近年来,在产生等离子体方面的方法不断取得进展。通常,等离子体由带正电离子、中性物质和电子构成。一般来说,等离子体可以划分成两类:热平衡等离子体和非热平衡等离子体。热平衡意味着包括带正电离子、中性物质和电子的所有物质的温度都是相同的。

图4A-图4C为沿着在图1中所示的A-A线剖开的微波空腔和喷嘴的替换实施方案的局部剖视图。

图IlB为在图9中所示的喷嘴的替换实施方案的剖视图。如图所示,喷嘴534可以包括棒状导体536、接地屏蔽件538、外表面紧密装配在接地屏蔽件538内表面上的气流管540、位置保持器542以及供气机构544。气流管540可以在其壁中设有孔以形成气体通道,并且可以固定在沿着位置保持器542外周边形成的凹槽中。

气流管40为整个喷嘴26提供机械支撑,并且可以由能够让微波以非常低的能量损失穿过的任意材料(微波基本上可透过的材料)制成。该材料可以优选为石英或其它传统的介电材料,但是不限于此。

在第二替换实施方案中,气流管54的上部53可以由介电材料制成,其它部分55可以包括两个子部分:位于气流管54出口部附近且由介电材料制成的子部分以及由导电材料制成的子部分。在第三替换实施方案中,气流管54的上部53可以由介电材料制成,其它部分55可以包括两个子部分:位于气流管54出口部附近且由导电材料制成的子部分以及由介电材料制成的子部分。如在图2中所示的情况一样,由棒状导体50的一部分接收的微波聚集在锥形尖端上,将气体加热成等离子体56。

在图3中,每个贯通孔或通道38示意性地显示为相对于棒状导体的纵向轴线成一角度,并且其形状可以使流经通道或多个通道的气体呈螺旋式或盘旋式流动。但是,所述通道或多个通道可以具有其它的几何流动通道形状,只要该流动通道可以导致围绕着棒状导体的涡流即可。

图IlA-图IlE为在图9中所示的喷嘴的替换实施方案的剖视图,它们包括喷嘴中的气流管和棒状导体的各种结构。

在第二替换实施方案中,气流管54的上部53可以由介电材料制成,其它部分55可以包括两个子部分:位于气流管54出口部附近且由介电材料制成的子部分以及由导电材料制成的子部分。在第三替换实施方案中,气流管54的上部53可以由介电材料制成,其它部分55可以包括两个子部分:位于气流管54出口部附近且由导电材料制成的子部分以及由介电材料制成的子部分。如在图2中所示的情况一样,由棒状导体50的一部分接收的微波聚集在锥形尖端上,将气体加热成等离子体56。

气流管40为整个喷嘴26提供机械支撑,并且可以由能够让微波以非常低的能量损失穿过的任意材料(微波基本上可透过的材料)制成。该材料可以优选为石英或其它传统的介电材料,但是不限于此。

图12为用附图标记600表示的流程图,其显示了使用图1和图8所示系统产生微波等离子体的方案可以采取的示例性步骤。在步骤602中,提供微波空腔以及具有气流管和棒状导体的喷嘴,其中棒状导体沿着气流管的轴向方向设置。接下来,在步骤604中,将棒状导体的一部分设置在微波空腔中。还有,棒状导体的尖端位于气流的出口附近。然后,在步骤606中,将气体注入到气流管中,且在步骤608中将微波输送给微波空腔。接下来,在步骤610中,所输送的微波由前述设置的那部分棒状导体接收。因此,在步骤612中,所收集的微波聚集在棒状导体的尖端处,将气体加热成等离子体。

回到图2-图3,气流管40被描述成直管。但是,气流管40的横截面可以沿着其将螺旋流动方向37引向尖端33的长度发生改变,如图6A-图6B所示。例如,图6A为喷嘴26(图2)的替换实施方案的局部剖视图。如图所示,喷嘴160可以具有棒状导体166以及包括笔直部分163和截头圆锥部分164的气流管162。图6B为喷嘴26的另一个替换实施方案的剖视图,其中气流管170具有笔直部分173和弯曲部分,该弯曲部分例如是钟形部分172。

通过阅读下面更全面描述的本发明细节,本领域技术人员将会了解本发明的这些和其它优点及特征。