基于同轴腔体的微波等离子体技术研究

论文摘要

微波等离子体因粒子活性大、温度低、密度高和体积大等优点,且容易控制,具有广泛的应用前景,如:汽车发动机的微波点火(微波点火)、等离子体冶金、等离子炬化学元素探测、有机物表面处理和医学杀菌消毒等领域。但目前实验室常见的微波等离子体设备,绝大部分都是基于连续波磁控管的微波源(平均功率千瓦级)技术,因结构复杂和体积庞大,难以得到规模化的应用。为了解决的这一技术难题,本文对微波等离子体应用技术进行了研究,以实现微波等离子体设备小型化和轻量化。微波同轴传输线因结构简单、损耗小等特点得到了广泛应用。基于同轴谐振器的等离子体放电装置,可以以很低的馈入功率在其开口端获得较高的电场强度。为了与日趋成熟的微波固态源技术相配合,本文基于传输线理论,设计了新型调频和调谐结构的微波装置,一方面可以在腔体的开口端产生较高的电场强度,灵活地调整其谐振频率和反射系数;另一方面可以与微波固态源配合构建全自动的微波等离子体系统。本文设计了汽车发动机的微波火花塞装置和大气常压下小型微波等离子体炬装置,完成了样品的加工,搭建了测试系统并完成了相关实验,探索了微波等离子体技术的实用性。本文主要研究工作和创新点如下:1.微波点火:(a)设计了电、磁两种耦合方式馈电的微波火花塞,并且建立了微波电路的等效电路模型;(b)对影响微波火花塞性能的参数进行了研究,分别是谐振频率和电场强度。影响谐振频率的参数包括介质的厚度、介电常数、馈电的位置以及中心导体的直径;影响电场强度的参数包括:中心导体和外导体的放电端结构;(c)通过实验发现:电场强度越高,模拟气缸内产生的峰值压力越高,燃烧效率越高;另外,燃烧过程中产生的等离子体火核与中心导体结构直接相关,中心导体越大,等离了体火核越大,但对燃烧传播速度的影响有限;对比了电耦合和磁耦合火花塞的实验结果,发现同样电场强度下,电耦合火花塞一定程度上比磁耦合火花塞燃烧更充分。2.微波等离子体炬:研制了小型化的超宽带宽(30MHz)全自动大气压微波等离子体炬(CMPT)装置,工作中心频率为2.45GHz,设计了可以分别调节频率与反射系数的离子炬结构。首次搭建了全自动微波等离子体炬系统,通过实验研究了气体流量和微波功率对氩气等离子体射流尺寸等参数的影响;同时运用CMPT对有机玻璃(PMMA)表面进行改性处理,原子力显微镜和接触角测量仪结果显示:电场强度越大,被处理的PMMA表面越粗糙,水与有机物表面的接触角越小,表面改性越明显。3.研究微波与等离子体耦合问题:这一问题一直是阻碍实现微波等离子体规模化应用的难题,因为等离子体产生以后,整个谐振腔体的负载性能发生改变,随着微波源与等离子的耦合变差,系统效率下降;本文把等离子体看成一种有损耗的介质负载,作为等离子体炬整体的一部分,通过仿真计算得出同轴谐振器频点的漂移规律,其结果与实验数据整体趋势一致。本文所取得的研究成果为实现微波等离子体装置的小型化奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 等离子体理论及其应用
•   1.2 微波等离子体
•   1.3 微波等离子体技术
•     1.3.1 微波等离子体技术的应用
•     1.3.2 微波点火研究背景
•     1.3.3 微波点火的研究历史
•     1.3.4 微波等离子体炬的研究背景
•     1.3.5 微波等离子体炬研究历史
•   1.4 微波等离子体应用技术面临的问题
•   1.5 论文研究内容和意义
• 第二章 微波与等离子体理论介绍
•   2.1 谐振腔基本理论
•     2.1.1 谐振腔的特性和参数
•     2.1.2 谐振腔及其等效电路
•     2.1.3 四分之一波长谐振腔
•     2.1.4 谐振器的耦合方式
•   2.2 传输线理论
•     2.2.1 传输线等效电路和方程的解
•     2.2.2 传输线的特性参数
•     2.2.3 传输线的状态参量
•     2.2.4 无耗传输线工作状态
•     2.2.5 阻抗匹配
•   2.3 等离子体参数介绍
•     2.3.1 等离子体温度和密度
•     2.3.2 等离子体的性质
•   2.4 本章小结
• 第三章 应用于汽车发动机的微波点火技术研究
•   3.1 电耦合微波火花塞
•     3.1.1 微波火花塞结构与等效电路
•     3.1.2 不同参数对微波火花塞性能的影响
•     3.1.3 不同形状外导体对微波火花塞场强的影响
•     3.1.4 中心导体电极结构对微波火花塞场强的影响
•   3.2 实验系统
•   3.3 实验结果分析与讨论
•     3.3.1 电极结构对火核发展趋势的影响与分析
•     3.3.2 电场强度对羟基（OH）浓度变化的影响
•     3.3.3 电场强度对燃烧压力曲线的影响
•     3.3.4 电极结构与电场强度对燃烧效率影响与分析
•   3.4 磁耦合微波火花塞
•     3.4.1 微波火花塞结构与等效电路
•     3.4.2 内外导体间距对电场强度的影响
•     3.4.3 内导体顶端形状对放电的影响
•   3.5 磁耦合微波火花塞实验结果与分析
•   3.6 磁耦合与电耦合的燃烧效果对比分析
•     3.6.1 燃烧峰值压力曲线对比
•     3.6.2 燃烧效率对比与分析
•   3.7 本章小结
• 第四章 微波等离子体炬研究
•   4.1 微波等离子体炬模型与等效电路分析
•   4.2 不同放电端结构对离子炬场强的影响
•     4.2.1 内外导体间距对电场强度的影响
•     4.2.2 介质层厚度对顶端电场强度的影响
•   4.3 微波等离子体炬全自动实验系统简介
•   4.4 不同等离子炬射流实验研究
•   4.5 全自动系统实验
•     4.5.1 全自动模块简介
•     4.5.2 全自动系统验证（不同微波功率下等离子体形态）
•   4.6 亲水性测试
•     4.6.1 不同气体离子炬
•     4.6.2 接触角测量
•     4.6.3 原子力显微镜（AFM）观测
•     4.6.4 不同氩气等离子体炬（CMPT 1,2,3）处理结果对比
•   4.7 本章小结
• 第五章 微波与等离子体的耦合研究
•   5.2 等离子体参数对耦合的影响
•     5.2.1 等离子体等效为良导体（金属性质）
•     5.2.2 容性电抗（鞘层性质）
•     5.2.3 感性电抗
•     5.2.4 等离子体等效为纯电阻（辐射阻抗）
•     5.2.5 等离子体等效为介电常数不断变化的介质
•   5.3 实验结果分析（谐振频率漂移）
•     5.3.1 等离子体负载特性分析
•     5.3.2 微波源效率讨论
•   5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 论文总结
•     6.1.1 微波点火
•     6.1.2 微波等离子体炬
•     6.1.3 微波与等离子体耦合
•   6.2 论文创新点
•   6.3 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 王瑶瑶

导师: 单家芳

关键词: 微波火花塞,燃烧效率,微波等离子体炬,表面改性,微波与等离子体耦合

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 中国科学技术大学

分类号: O53

总页数: 123

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