[发明专利]一种基于耦合窗辐射的大体积微波等离子体发生装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于耦合窗辐射的大体积微波等离子体发生装置，属于微波应用技术领域。

背景技术

材料科学与技术作为21世纪人类三大关键科技之一，在国民经济及国防事业中起到至关重要的作用，而纳米技术的出现则开创了材料科学研究的新时代。与宏观尺寸的材料不同，纳米材料(尺度为0.1~100nm)表面的电子结构和晶体结构发生变化，产生表面效应、小尺寸效应、量子效应、宏观量子隧道效应和界面效应等；并表现出优异的光、电、磁和化学特性，因而在诸多领域有着广阔的应用前景。

目前制备纳米材料的方法很多，但各种方法都有其自身客观的缺点。如传统湿法，工艺过程复杂、粒子表面化学状态难以控制、无氧条件很难创造、无法实现连续化和自动化批量生产；气相-液相法：化学活性低、反应速度慢、广谱性差、只能制备少数几种纳米粒子；直流等离子体和介质阻挡放电等离子体法：存在电极且其电场具有极性和不均匀性、易使生成的纳米磁性粒子发生链状化而团聚并最终使正负极相连导致电极之间发生击穿现象；化学气相沉积法(CVD)和射频等离子体法：温度过高、需要真空条件、而且能耗大。

微波等离子体由于具有众多优点，有望合成纯度更高、粒度可控、粒径分布更窄、无硬团聚的纳米材料。其优点为：电子温度高，工作气压可更低、电离度高(大约高10倍)；反应平衡常数高、温度梯度大、均相成核速率高、粉末更细；高频电磁场的波动作用和大的温度梯度引起的对流作用使颗粒粒径更趋均匀；没有内部电极，等离子体纯净；激发态粒子寿命长，化学活性物种多；微波能量对反应物分子均匀迅速地加热，通过微波的“瞬时加热”及“瞬时停止加热”的特性可以人为控制结晶速度；微波等离子体可被控制在特定的空间，应用方便。

在城市化和工业化进程中，世界经济突飞猛进地发展，同时也带来了众多环境污染问题，如工业废气和汽车尾气的排放给环境及人类身心健康均带来了严重的危害。科学分析表明，汽车尾气中含有上百种不同的化合物，其中的污染物有固体悬浮微粒、一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、铅及硫氧化合物等。一辆轿车一年排出的有害废气比自身重量大3倍。英国空气洁净和环境保护协会曾发表研究报告称，与交通事故遇难者相比，英国每年死于空气污染的人要多出10倍。因此这些废气的处理已经成为亟待解决的问题。微波等离子体由于其电子温度高、电离度高、激发态粒子寿命长、化学活性物种多及微波技术成熟等诸多优点，也成为了废气处理方式的首要选择。

发明内容

本发明目的是提出一种基于耦合窗辐射的大体积微波等离子体发生装置，以用于纳米材料的制备和工业废气及汽车尾气的处理，并使其能够在常压下长时间工作，便于大规模的工业应用。

本发明提出的基于耦合窗辐射的大体积微波等离子体发生装置，包括矩形波导、电感式耦合窗、谐振腔外壳、矩形石英玻璃框、短路活塞、吸收物质和手柄；所述的矩形波导通过电感式耦合窗与谐振腔的一端连通，谐振腔外壳上设有气压测量口、工作气体进气口和工作气体出气口；所述的矩形石英玻璃框置于谐振腔内，矩形石英玻璃框的两端部镶嵌在谐振腔的侧壁上，矩形石英玻璃框与两侧的谐振腔侧壁形成封闭空间；所述的短路活塞置于谐振腔的另一端，短路活塞与谐振腔外壳成滑动配合；所述的吸收物质固定在短路活塞的前端部，并位于谐振腔内，所述的手柄固定在短路活塞的后端部，并位于谐振腔外。

本发明提出的基于耦合窗辐射的大体积微波等离子体发生装置，其优点是：能够在常温常压下产生大体积的微波等离子体，高效率地制备纳米材料和处理废气尾气。本发明的等离子体方式装置，相对于已有的其它微波耦合方式，如孔耦合和狭缝耦合，本发明采用的电感式耦合窗的耦合效率极高，基本消除了微波传输和耦合的损耗，能够在密封环境中形成大体积微波等离子体，一方面在纳米材料制备中保证材料纯度较高，另一方面在废气尾气处理过程中能够防止废气尾气扩散到其它区域。本发明的等离子体发生装置中，安装在矩形谐振腔尾部的可调式滑动短路活塞能够自由调节谐振腔长度以使微波达到最佳谐振状态；矩形谐振腔由多块金属板拼接而成，既能保证微波不泄露造成人身危害，同时方便装置的拆卸及安装。

附图说明

图1是本发明提出的基于耦合窗辐射的大体积微波等离子体发生装置的结构示意图。

图2是图1的A-A剖面图。

图3是图2的B-B剖面图。

图4是与图1相对应剖面的电场分布图。

图5是与图2相对应剖面的电场分布图。