新型大气压微波等离子体炬的仿真研究

 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2 450 MHz,基于HFSS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。     

大气压微波等离子体炬的仿真设计与实验

设计了一个低成本、高稳定性的基于BJ22矩形波导的微波等离子体炬源。整个系统由1～10 kW主频2.45 GHz的磁控管微波功率源、环形器、调谐器和微波反应腔体组成。通过特殊设计的调谐装置,在气体喷嘴处产生高幅值的电场强度,使工作气体电离形成大气压开放式微波等离子体炬。对影响电场强度的几个关键因素进行了仿真,得出各个参数对场强的影响规律;根据仿真参数设计了微波反应腔体,该系统可以在大气压下激发和维持开放的稳定氩气、氦气、氮气和空气等离子体炬。对等离子体炬的基本特性和基本参数进行了研究,验证了设计参数的正确性,讨论了其可扩展性及潜在的工业应用。     

一种准光反射聚焦微波放电大气等离子体装置

设计了一种准光反射聚焦方式的微波放电大气等离子体实验装置,装置包括大气环境模拟室和微波辐射聚焦系统。辐射微波在腔室中心形成kV/cm量级的非均匀强场,击穿大气产生等离子体。通过仿真计算了腔室内的空间辐射场分布,并利用小信号传递的方式进行测量,测量结果与仿真相符,形成的等离子体形态与辐射场分布强弱一致。电磁场在聚焦区域形成驻波,等离子体出现明显分层现象。实验通过拍照记录了不同参数条件下的等离子体图样,等离子体形态随气压升高而收缩,放电区域受场强和气压共同影响。对实验结果进行分析,验证了该装置的能力。     

常压微波等离子体炬装置的模拟与设计

 介绍了一台低成本的常压微波等离子体炬设备,给出了该设备构造及喷嘴的设计思路,分析了各种气体的非磁化微波等离子体的击穿电场强度,数值求解了设备中矩形TE103谐振腔中的电磁场分布,应用高频电磁场模拟分析软件HFSS优化了喷嘴在波导中的具体位置,并对优化后喷嘴周围的电场分布进行了模拟。模拟结果表明：微波输入有效功率为500 W,喷嘴伸出矩形波导1 mm时,喷嘴尖端处的电场强度在1.2×10⁶ V·m^-1以上,远大于氩气的击穿电场强度,更易于等离子体炬的激发。实验结果证明了模拟结果的正确性和装置的有效性。     

大气压微波等离子体射流装置放电特性研究

基于同轴传输线结构设计了两种不同喷嘴结构的大气压微波等离子体射流(MW-APPJ)装置,其工作频率2.45 GHz,工作气体为氩气,分别研究了两种不同喷嘴结构对等离子体放电特性产生的影响。仿真结果表明,MW-APPJ在气体喷嘴处会产生高强度的电场,经过优化结构,实现在频率2.45 GHz下,喷嘴处的场强满足氩气电离的击穿场强阈值要求。同时,利用多物理场耦合仿真软件对装置的气流分布进行了稳态模拟,并通过实验对比分析了两种喷嘴结构下大气压氩等离子体射流的基本特性。实验结果表明,不同的喷嘴结构会影响等离子体装置的反射系数随输入功率的变化规律,但并不影响等离子体射流长度随输入功率的变化规律和反射功率随进气流量的变化规律;同时,在大气压下,稳态微波等离子体射流呈现出类金属性,等离子体中的电子只能在很薄的区域中吸收微波能量,因而造成微波的反射功率较大。     

双路微波耦合反应腔的等离子体发射光谱分析

反应腔作为微波等离子体化学气相沉积法制备光纤预制棒的核心,其结构直接影响到反应腔内的电磁场分布,进而影响到等离子体状态,因此对反应腔的结构进行研究是十分有必要的。为了在反应腔中获得较高密度和较好均匀性的等离子体,提出了一种双路微波耦合反应腔结构,首先模拟计算了不同反应腔结构参数下反应腔内的电场分布规律,并以氧气作为工作气体,通过等离子体发射光谱探究了反应腔结构和工作气压对石英管内的等离子体分布的影响。研究结果表明:双路微波输入方式在石英管中心区域产生了很强的电场耦合增强效果。反应腔的内径对电场分布状态影响较大,在反应腔内径为86 mm时,石英管内的电场分布出现轴对称性,且轴向中心区域的等离子体密度最大。在两路矩形波导的距离为61.2 mm和反应腔的长度为202 mm时,反应腔内等离子体的强度和均匀性具有最佳分布。另外还发现,当气压从1.8 kPa上升到2.8 kPa时,反应腔内等离子体光谱强度减小,但靠近石英管内壁处的变化不明显,这与等离子体中粒子碰撞几率增加造成的能量损失和管壁存在的高温有关。     

用发射探针降落法测量等离子体空间电位

介绍了一种用发射探针测量等离子体空间电位的方法——“降落法”,并利用这种方法测量了双共振腔ECR微波等离子体源的空间电位分布,从中得到该等离子体内部的一些电场信息。给出了不同微波功率和不同压强下Ar等离子体空间电位的分布情况。     

常压微波等离子体炬的模拟及硫化氢处理

对常压微波等离子体炬装置及H2S废气的处理进行了研究。介绍了一种具有特殊喷嘴结构的微波等离子体炬装置,模拟了不同喷嘴结构下谐振腔中微波电场的强度及分布,在此基础上,进行了H2S废气处理的实验研究。结果表明:采用新型喷嘴结构在喷嘴尖端产生的电场强度和分布更利于等离子体炬的激发,微波功率为500 W时,喷嘴尖端处的电场强度在1.5×106 V/m以上,远大于氩气的击穿电场强度,能有效地激发等离子体炬;当H2S气体与Ar气体流量比为10∶90,总流量为1000mL/min,微波功率为1000 W时,H2S的转化率最大达91.32%;大气微波等离子体炬能有效地处理H2S废气。实验结果证明了模拟结果的正确性和装置的有效性。     

压缩空气微波等离子体发射光谱的实验研究

利用微波等离子体发生装置,以压缩空气为工作气体,在1～5 atm气压下激发了微波等离子体。使用光谱测量系统,对不同气压和不同入射微波功率情况下的压缩空气微波等离子体的发射光谱进行了实验研究。结果显示,在其他条件不变时,随着气压升高,压缩空气微波等离子体的带状连续谱特征逐渐减弱;随着入射微波功率降低,带状连续谱强度逐渐减弱而带状连续谱特征依然显著。实验结果为了解压缩空气微波等离子体的光谱特性和NO活性基团的产生条件提供了实验依据。     

相对论磁控管透明阴极的仿真与实验

 基于一个6腔异腔结构相对论磁控管,运用粒子模拟仿真软件,对同轴阴极和透明阴极的特性进行仿真和实验研究。经仿真优化,设计并制作了一支3个带的透明阴极。粒子模拟结果表明,在相同条件下透明阴极比同轴阴极电子群聚时间大大缩短,起振时间大幅减小,整管效率提高约1倍,输出微波频谱更纯,模式竞争更小。实验结果表明,相同条件下,应用透明阴极所得到的微波脉宽较宽,在S波段获得721 MW的微波功率输出。说明应用透明阴极能缩短相对论磁控管起振时间,与粒子模拟结果相符。     

大气微波等离子体炬装置设计及实验研究

大气微波等离子体矩具有无电极放电污染、无需昂贵真空设备和易于连续化加工等特点,具有广阔的应前景.本文设计了一套基于BJ26波导的微波能利用率高、稳定性好的大气微波等离子体装置.该装置由最高输出功为800W的2.45GHz程控微波源、调配系统、波导谐振腔和耦合天线组成.利用加装游标卡尺的接触式短路活塞,微波反射面位置进行...     

Transfer of microwave radiation in sliding modes of plasma waveguides

We study experimentally and theoretically a new regime of the sliding-mode propagation of microwave radiation in plasma waveguides in atmospheric air. We show that a plasma waveguide of large radius (much larger than the wavelength of the signal) can be developed in the photoionization of air molecules by the KrF-laser emission. We demonstrate the transfer of a 38 GHz microwave signal to a distance of up to 60 m. The mechanism of the transfer is determined by total internal reflection of the signal on the optically less dense walls of the waveguide. We perform the calculations for waveguides of various radii and microwave radiation wavelengths and show that the propagation increases with decrease of the wavelengths and reaches several kilometers for submillimeter waves.     

Behavior of a Microwave Cavity Discharge over a Wide Range of Pressures and Flow Rates

Experiments are conducted over a wide range of pressures, flow rates, and power levels to demonstrate the versatility of a microwave cavity discharge. The experimental results are justified using a linear, cold plasma theory that accounts for the electron-neutral particle collisional losses in the plasma. The resonant coupling of E. M. energy to a surface wave and the resulting formation of a long, large volume plasma column is demonstrated. The absorbed power characteristics of the microwave cavity discharge are examined for gas pressures up to 500 torr and flow rates up to 2500 cm3/min in the TE011 and TE*111 mode operation of the plasma cavity system. The experimental results show that the absorbed power variation as a function of pressure of this discharge is uniform. The power absorbed by the flowing plasma is shown to increase directly as a function of the flow rate initially and reach a saturation at high flow rates. By simultaneously optimizing the cavity length, discharge pressure, and the gas flow, it is possible to couple as much as 90% of the incident power to the plasma.     

Investigation of plasma electron collisions in flames by means of the Luxemburg-effect of microwaves

Using a novel microwave double bridge, acetylene-oxygen and acetylene-air flames burning through an X-band waveguide at atmospheric pressure have been investigated. In order to obtain information about the collision behaviour of the plasma electrons, they are heated by microwave pulses of variable intensity, and the modulation transfer to a probing wave (Luxemburg-effect) is studied. It is shown, how the nonlinearity of the complex conductivity depends upon certain assumed collision models: via the velocity dependence of the collision frequency and via the shift and the deformation of the electron velocity distribution function. At low and medium heating power, Luxemburg-effect can not be seen. This means that the collisions can be described as those between electrons and induced dipoles. However, when the field strength of the heating pulse becomes much stronger than the plasma field strength, we observe cross modulation: the transferred pulse indicates that the collisions become harder.     

A6相对论磁控管模式切换射频信号馈入方法

目前国际上提出了采用短脉冲射频（RF）信号实现相对论磁控管的模式切换,数值模拟经证实了可以采用几十kW到几百kW的RF信号实现相对论磁控管采用轴向提取功率的相邻模式以及同一模式的不同纵向模式之间的切换,这里假设所需的RF信号的能量已经馈入到相对论磁控管腔体内。提出了实验系统中采用扇形波导和探针天线来馈入前级微波源来提供模式切换所需的RF信号的能量的方法。该方法分为两个步骤,首先采用扇形波导来将前级微波源提供的能量馈入到相对论磁控管的阳极体中;然后利用探针天线将馈入的RF信号辐射至相对论磁控管腔体内,提供模式切换所需的能量。数值模拟证实了该方法在实际应用中具有可行性以及实用性。     

基于平面光波导谐振腔的可调谐光电振荡器

提出了一种基于平面光波导谐振腔的可调谐光电振荡器.该振荡器中,相位调制器串联光波导谐振腔,取代了传统系统中的强度调制器、长光纤和滤波器.由于光学谐振腔对光子频率和相位敏感,调节激光器改变输出光的波长,不仅可以调制光的强度,还可以对微波光子进行选频输出.当光子在波导腔中发生谐振时,产生很强的延时特性,可以取代传统系统中的长光纤.整个光电振荡器系统体积为长29.5cm、宽21cm、高7cm.实验中,改变0.1pm的光子波长,能够产生步长为12.535.5 MHz的调谐,调谐范围达2 GHz,且系统能够产生10 GHz的微波信号,在中心频率为10 GHz处其相位噪声为-109.7dBc/Hz@10kHz.该研究为光电振荡器的小型化和实用化提供了一种新的思路.     

基于三角形插片结构的紧凑型波导双工器

为满足高功率微波系统功率容量和紧凑化需求,提出了一种新型波导双工器。选用过模波导进行设计以提高功率容量,引入三角形金属插片结构谐振腔设计滤波器并在其间引入波导弯头以实现紧凑化。采用微波网络方法对滤波器进行理论分析并设计了两个工作在X波段的滤波器,选择终端短路法确定T型结尺寸并组成双工器。利用电磁仿真软件建模优化和仿真模拟,并对实物进行测试。仿真与测试结果表明,该波导双工器单通道工作时的功率容量分别大于0.11 GW和0.12 GW,两个通道的传输效率分别大于83.9%和82.4%,通道间隔离度大于20 dB。此外还可以根据需求增加滤波器阶数和引入更多的波导弯头以提高空间利用率。     

Harmonic Generation of High-Power Microwave in Plasma Filled Waveguide

The harmonic generation of high power microwave in plasma filled waveguide is studied and the analytical theory is presented, and the numerical calculation and analysis of second harmonic are done in this paper. The theoretical and numerical analysis show that high power microwave can generate harmonic in the plasma filled waveguide.