[发明专利]一种基于高温常压微波等离子体的材料合成系统

权利要求书

1.一种基于高温常压微波等离子体的材料合成系统，其特征在于，包括高温常压微波等离子体炬产生系统、材料生长及控制系统；

其中，高温常压微波等离子体炬产生系统又包括大功率微波源及输入耦合传输系统和等离子体炬产生头，等离子体炬产生头由一段中空导体以及一引燃控制电极组成，中空导体一端(输入端)输入前驱体载气，另一端(输出端)输出前驱体载气，引燃控制电极位于中空导体输出端，并能够移动；

大功率微波源及输入耦合传输系统中，大功率微波源将其输出的大功率微波输入耦合至等离子体炬产生头中空导体输出端处，材料合成系统启动时，离子体炬产生头的引燃控制电极靠近等离子体炬产生头的中空导体输出端，在大功率微波作用下出现尖端击穿，尖端击穿后引燃控制电极抽离，置于材料生长区域；通过中心导体输出的载气前躯体，在尖端放电作用和大功率微波激励下通过雪崩效应形成稳定的高温常压等离子体炬；

其中，材料生长及控制系统又包括密封系统和材料生长控制系统，等离子体炬产生头的中空导体输出端插入到密封系统中，引燃控制电极也置于密封系统中，材料生长控制系统由一金属环、一外部可调直流电源以及等离子体炬产生头的引燃控制电极组成；

金属环置于等离子体炬产生头中空导体输出端处的密封系统上，外部可调直流电源分别连接在金属环与等离子体炬产生头的引燃控制电极，在外部可调直流电源控制下，在密封系统内的材料生长区域形成可调的静电场分布，前驱体经高温常压微波等离子炬裂解为活化粒子束流，在可调的静电场作用下改变其运动状态，从而控制活化粒子束流中的正负离子、电子或粒子的运动速度或成分比例，实现材料生长过程的可控。

2.根据权利要求1所述的基于高温常压微波等离子体的材料合成系统，其特征在于，所述输入耦合传输系统的主体为一端封闭、另一端开放的圆柱形同轴金属结构，可将大功率微波输入耦合至等离子体炬产生头中空导体输出端处，包括同轴外导体以及同轴内导体；

同轴内导体为中空圆柱金属管，一端通过封闭端与载气气体源连接，为载气的输入通道，另一端与等离子体炬产生头中空导体的输入端连通；

同轴外导体靠近封闭端一侧开一孔，安装能连接大功率微波源输出头的同轴连接头；同轴连接头的内导体延伸至圆柱形同轴金属结构内，与圆柱形同轴金属结构内的同轴内导体连接；同轴连接头的内、外导体分别与圆柱形同轴金属结构的同轴内导体和同轴外导体保持良好的电接触，输入的大功率微波在圆柱形同轴金属结构的同轴内导体、同轴外导体间沿轴线向开口端传输，实现大功率微波高效稳定输入耦合及传输功能。

3.根据权利要求1所述的基于高温常压微波等离子体的材料合成系统，其特征在于，所述引燃控制电极在等离子体炬产生头的内导体输出端的延长线上，等离子体炬产生头的中空导体长度短于外导体。

4.根据权利要求1所述的基于高温常压微波等离子体的材料合成系统，其特征在于，所述高温常压微波等离子体炬产生系统还包括炬约束与保护气膜形成和水循环隔温系统，由炬约束与保护气膜形成部分以及水循环隔温部分组成；

炬约束与保护气膜形成部分为：在圆柱形同轴金属结构的同轴外导体靠近封闭端处沿同轴外导体壁切线方向开氛围气体注入孔，氛围气体注入孔通过金属导管与外部氛围气源相连，在流量控制器的控制下外部氛围气源按照材料合成要求，通过氛围气体注入孔输入一定流速的氛围气体，在圆柱形同轴金属结构的同轴内导体、同轴外导体间以及等离子体炬产生头的中空导体与圆柱形同轴金属结构的同轴外导体之间形成向运动的气流柱；气流柱为圆柱形同轴金属结构的同轴外导体内壁的保护气模。

水循环隔温部分为：在圆柱形同轴金属结构开放端方向同轴外导体外加一中空同轴圆柱形金属腔体；该中空同轴圆柱形金属腔体与同轴外导体连为一体，中空同轴圆柱形金属腔体的内径与同轴外导体外径相同，中空同轴圆柱形金属腔体靠圆柱形同轴金属结构开放端一侧的外侧壁为一圆环，作为密封法兰档板，用于封闭材料生长区域；中空同轴圆柱形金属腔体上有两个金属小孔与外部水循环系统相连，将大功率微波源及输入耦合传输系统与高温常压等离子体炬、材料生长区域进行热隔离。