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大气压微波等离子体射流装置设计及实验研究

刘长林  
【摘要】:大气压微波等离子体具有设备成本低、无电极污染和适合于工业化生产等优点,具有极好的应用前景。目前大气压等离子体射流装置主要是从放电方式、电极结构和功率源三个方面进行设计和优化。本文利用Ansoft HFSS高频电磁场模拟软件对短路活塞的位置和喷嘴的形状及位置进行了优化,在电磁场分布理论的指导下设计出了一套大气压微波等离子体射流装置并在此装置上进行了含碳废气的处理实验研究。 大气压微波等离子体射流装置由程控微波源、环形器、水负载、矩形谐振腔和耦合天线组成。频率为2.45GHz的微波在BJ26矩形波导中以TE10模式进行传播,通过调节短路活塞的位置在谐振腔体中形成TE103模式驻波,TE103模式波的特点是电场只有Ey分量,且Ey沿z方向呈正弦分布,在a边上有三个驻波分布,利用中间驻波最强电场击穿工作气体形成等离子体射流。 通过对短路活塞和喷嘴位置的调试在大气环境下成功的实现了微波放电。使用微波能量仪和测微波反射仪对装置进行了调试,当短路面与耦合孔中心的距离为3λg/4时,喷嘴尖端的微波能量达到最大而水负载处的微波反射量最小,即耦合天线位于中间驻波电场强度最大处。此外,对喷嘴的外形研究表明,与突变型喷嘴相比,渐变型喷嘴周围的电磁场强度更为集中,喷嘴的最佳放电位置是尖端与法兰面平齐。 在上述研究基础上进行了大气环境下微波等离子体放电实验研究和含碳废气处理实验。结果表明,氩气的电场击穿强度低于氮气电场击穿强度,氩气等离子体射流更易激发且更稳定;气体流量的增大有利于等离子体射流长度的增加,微波功率越大,放电程度越高,等离子体射流更稳定;实验还证明了渐变型喷嘴的放电效果要明显好于突变型喷嘴。XRD衍射分析结果显示含碳废气处理实验的产物是石墨粉,这表明该装置在处理废气方面具有较好的应用前景。


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