本发明专利技术公开了一种微波等离子体激发装置及其参数优化方法，该激发装置包括波导腔体，所述波导腔体包括依次相连通的第一腔体、第二腔体和第三腔体，所述第一腔体穿过有石英管，与所述第一腔体交接处的所述石英管的内壁处嵌套有辅助激发导体，所述石英管的一端设有连接套，所述连接套与载气散热模块相连，所述载气散热模块还与所述第三腔体相连，所述载气散热模块内设有磁控管，所述磁控管的输出轴延伸到所述第三腔体的内部，所述载气散热模块能够将对所述磁控管降温的散热介质输入到所述石英管内，该参数优化方法结合了有限元参数化扫描分析技术和多元回归方程拟合思想。本发明专利技术的激发装置减小了设备的复杂度，且提高了各功能模块间的集成度。模块间的集成度。模块间的集成度。
【技术实现步骤摘要】
一种微波等离子体激发装置及其参数优化方法
[0001]本专利技术属于微波等离子体
，具体涉及一种微波等离子体激发装置及其优化方法。
技术介绍
[0002]微波等离子体技术是一种利用微波激发气体使之离子化而形成等离子体的技术。微波放电能够在大气压下产生大体积的等离子体，相比其它等离子体激发方式，具有激发功率较低、无需电极、可在较宽气压范围下工作等优点。同时微波等离子体的能量集中，反应温度较高，具有丰富的高能电子、带电粒子和活性自由基，现已在固废处理、新材料制备、金属提炼、微电路制造等领域得到广泛应用。
[0003]现有的小型微波等离子体激发装置主要由磁控管、磁控管散热组件、波导腔体、载气供给组件、等离子体反应腔等功能模块组成，由于各个功能模块件的集成度较低，往往结构复杂、体积庞大，限制了微波等离子体技术在工业应用上的进一步推广。例如在微波等离子体焊接领域，要实现对结构复杂的精密工件的快速、灵活焊接，必须要求焊机上的等离子体激发模块/装置足够轻便小巧，因而大型的、集成度低的微波等离子体装置已无法满足要求。
[0004]等离子体反应腔是等离子体产生的位置，在等离子体的激发与维持过程中需要承受极高的温度，因此现有的技术，如中国专利CN109874221A、CN104507249A、CN112996209A、CN101378615A，均采用熔点较高的石英管作为反应腔。等离子体在激发与维持过程中会引起石英管的振动，因此需要对石英管采用紧密安装。然而，在紧密安装的条件下，由于石英管与安装件的热膨胀系数不同，且脆性较高，在高温工作环境下石英管的径向热膨胀力受安装件的约束无法释放，石英管的表面容易产生裂纹，进而影响石英管的使用寿命。
[0005]波导腔体连接等离子体反应腔(石英管)与微波源(磁控管)，是微波进行能量传递的装置，它的结构特性直接影响微波从微波源传输到反应腔的效率，决定了等离子体对微波的能量利用率即等离子体的激发效果。针对波导腔体结构的优化，应尽量提高微波在腔体内的传输效率，使反应腔内的电场强度最大，以达到较为良好的等离子体激发状态。现有的波导腔体结构优化方法，如采用High Frequency Simulator Structure软件对波导腔体进行参数扫描分析的优化方法，在给定的尺寸变化区间内对波导腔体进行有限元分析，获取不同尺寸组合下波导腔体在反应腔位置的场强大小，以实现场强最大为优化目标，选取最大场强对应的尺寸组合作为波导腔体结构的最优解。然而，这类优化方法单次只能获取固定尺寸区间内波导腔体结构的最优解，对于尺寸变化区间外的波导腔体结构无法预测其最优解，当设计过程中波导腔体容许的尺寸变化区间更改后，需要在计算机中重新设定尺寸变化区间进行再计算，导致优化过程繁琐复杂，不适应尺寸变化区间频繁改变的波导腔体结构优化。例如，依靠传统方法可以获取波导腔体在尺寸变化区间[50mm
‑
100mm]内的结构最优解，当设计要求改变，波导腔体容许的尺寸变化区间被更改为[80mm
‑
120mm]后，需要针对新的尺寸变化区间重复进行波导腔体的优化，这将额外增加优化设计的时间。同时，每
次优化过程中的有限元分析均需要消耗大量的计算机内存资源，导致分析时间漫长，进一步拉低了优化效率。
技术实现思路
[0006]针对上述存在的技术问题，本专利技术提供一种微波等离子体激发装置，能够解决现有微波等离子体激发装置结构复杂、集成度低，同时石英管容易碎裂的问题，本专利技术还提供一种微波等离子体激发装置参数优化方法，能够解决现有优化方法繁琐复杂、效率低下的问题。
[0007]本专利技术的技术方案为：
[0008]一种微波等离子体激发装置，包括波导腔体，所述波导腔体包括依次相连通的第一腔体、第二腔体和第三腔体，所述第一腔体的截面积小于所述第三腔体的截面积，所述第二腔体的截面积沿着从所述第一腔体到所述第三腔体的方向逐渐增大，所述第一腔体穿过有石英管，与所述第一腔体交接处的所述石英管的内壁处嵌套有辅助激发导体，所述石英管的一端设有连接套，所述连接套与载气散热模块相连，所述载气散热模块还与所述第三腔体相连，所述载气散热模块内设有磁控管，所述磁控管的输出轴延伸到所述第三腔体的内部，所述磁控管产生的微波经所述波导腔体传输后进入所述石英管内部形成微波电场，通过所述辅助激发导体激发出微波离子体炬，所述载气散热模块能够将对所述磁控管降温的散热介质输入到所述石英管内。
[0009]优选地，与所述连接套相对的所述第一腔体另一侧的所述石英管上安装有弹性装夹组件，所述弹性装夹组件包括安装管、夹具，所述安装管设于所述石英管的外侧，所述夹具设于所述石英管和所述安装管之间。
[0010]优选地，所述弹性装夹组件还包括压紧螺钉和固定帽，所述压紧螺钉的数量至少为两个，且所述压紧螺钉均匀分布安装在所述安装管上，所述压紧螺钉靠内的一端穿过所述安装管的侧壁且压紧抵靠在所述夹具上，所述安装管远离所述第一腔体的一端螺纹连接有所述固定帽，所述固定帽上设有与所述石英管内部相通的通孔。
[0011]优选地，所述弹性装夹组件还包括底板，所述底板焊接固定在所述波导腔体上，所述底板用于将所述微波等离子体激发装置安装固定在相应的应用场景，所述安装管靠近所述第一腔体的一端焊接在所述底板上。
[0012]优选地，所述夹具由伸缩部以及位于所述伸缩部两端的安装部组成，所述夹具嵌套在所述安装管的内壁处，且所述夹具通过所述安装部保证所述夹具与所述安装管的同轴安装，所述伸缩部的纵向截面呈W形，所述伸缩部沿周向设有多个均匀分布的条形开口。
[0013]优选地，所述伸缩部的中间设有向外凸的凸面，所述压紧螺钉靠内的一端正对所述伸缩部中间的凸面。
[0014]优选地，所述载气散热模块包括防护罩、离心风机、导流壳、三通阀和接头，所述防护罩固定在所述第三腔体上，所述磁控管位于所述防护罩的内部，所述防护罩还与所述离心风机相连，所述离心风机的出风口对准所述磁控管，与所述离心风机相对的所述防护罩的另一侧固定有所述导流壳，所述三通阀设有第一通路、第二通路和第三通路，所述三通阀通过所述第一通路与所述导流壳相连，通过所述第二通路与所述接头相连，所述接头与所述连接套相连，所述第一通路和所述第三通路上分别设有阀门。
[0015]优选地，所述辅助激发导体呈弹簧状，由钨丝加工而成。
[0016]一种微波等离子体激发装置的参数优化方法，包括如下步骤：
[0017]S1、建立波导腔体的原始三维模型，分析影响波导腔体微波传递效率的因素，波导腔体包括依次相连通的第一腔体、第二腔体和第三腔体，第一腔体穿过有石英管，选取波导腔体中第一腔体、第二腔体和第三腔体的若干尺寸参数作为参与结构优化的变量，称之为待优化参数；
[0018]S2、根据实际工况确定各待优化参数的取值范围；
[0019]S3、将波导腔体原始三维模型导入有限元分析软件进行参数化扫描分析，获取不同待优化参数取值组合下波导腔体在石英管处的电场强度；
[0020]本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种微波等离子体激发装置，其特征在于，包括波导腔体，所述波导腔体包括依次相连通的第一腔体、第二腔体和第三腔体，所述第一腔体的截面积小于所述第三腔体的截面积，所述第二腔体的截面积沿着从所述第一腔体到所述第三腔体的方向逐渐增大，所述第一腔体穿过有石英管，与所述第一腔体交接处的所述石英管的内壁处嵌套有辅助激发导体，所述石英管的一端设有连接套，所述连接套与载气散热模块相连，所述载气散热模块还与所述第三腔体相连，所述载气散热模块内设有磁控管，所述磁控管的输出轴延伸到所述第三腔体的内部，所述载气散热模块能够将对所述磁控管降温的散热介质输入到所述石英管内。2.根据权利要求1所述的一种微波等离子体激发装置，其特征在于，与所述连接套相对的所述第一腔体另一侧的所述石英管上安装有弹性装夹组件，所述弹性装夹组件包括安装管、夹具，所述安装管设于所述石英管的外侧，所述夹具设于所述石英管和所述安装管之间。3.根据权利要求2所述的一种微波等离子体激发装置，其特征在于，所述弹性装夹组件还包括压紧螺钉和固定帽，所述压紧螺钉的数量至少为两个，且所述压紧螺钉均匀分布安装在所述安装管上，所述压紧螺钉靠内的一端穿过所述安装管的侧壁且压紧抵靠在所述夹具上，所述安装管远离所述第一腔体的一端螺纹连接有所述固定帽，所述固定帽上设有与所述石英管内部相通的通孔。4.根据权利要求3所述的一种微波等离子体激发装置，其特征在于，所述弹性装夹组件还包括底板，所述底板焊接固定在所述波导腔体上，所述底板用于将所述微波等离子体激发装置安装固定在相应的应用场景，所述安装管靠近所述第一腔体的一端焊接在所述底板上。5.根据权利要求3所述的一种微波等离子体激发装置，其特征在于，所述夹具由伸缩部以及位于所述伸缩部两端的安装部组成，所述夹具嵌套在所述安装管的内壁处，且所述夹具通过所述安装部保证所述夹具与所述安装管的同轴安装，所述伸缩部的纵向截面呈W形，所述伸缩部沿周向设有多个均匀分布的条形开口。6.根据权利要求5所述的一种微波等离子体激发装置，其特征在于，所述伸缩部的中间设有向外凸的凸面，所述压紧螺钉靠内的一端正对所述伸缩部中间的凸面。7.根据权利要求1所述的一种微波等离子体激发装置，其特征在于，所述载气散热模块包括防护罩、离心风机、导流壳、三通阀和接头，所述防护罩固定在所述第三腔体上，所述磁控管位于所述防护罩的内部，所述防护罩还与所述离心风机相连，所述离心风机的出风口对准所述磁控管，与所述离心风机相对的所述防护罩的另一侧固定有所述导流壳，所述三通阀设有第一通路、第二通路和第三通路，所述三通阀通过所述第一通路与所述导流壳相连，...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘程，王超，
申请(专利权)人：苏州市鸿清环能智慧科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。