基于微带环缝谐振器的小功率微波等离子体源

介绍了一种基于微带环缝谐振器的2.45 GHz小功率微波等离子体源,根据微带环缝谐振器的奇模等效电路,通过S参数与微波等离子体阻抗之间的关系,研究小功率微波等离子体源的阻抗匹配及其在不同气体条件下的放电规律.研究表明,在低气压(空气)和常压(氩气)条件下,输入功率不超过1 W,都能使气体放电并激励起稳定的微波等离子体;当微波等离子体激励以后,小功率微波等离子体源的谐振频率和S参数发生变化.这些为小功率电容耦合微波等离子体源的小型化研究提供了理论基础.

基于微带环缝谐振器的2.45GHz小功率微波等离子体源的建模与仿真

该文介绍了一种基于微带环缝谐振器的2.45GHz小功率微波等离子体源的建模方法。根据半波长终端开路谐振器的特性,通过选择合适的缝隙宽度和偏转角度、介质基片的介电常数等,使微带环缝谐振器的品质因数最大,同时与馈电端良好匹配。研究表明,实验结果与仿真结果基本吻合,这为小功率微型微波等离子体源的进一步研究提供了理论基础。

低温等离子体用于高功率微波防护研究

等离子体对于高功率微波的攻击具有独特的防护效果。基于等离子体流体近似方法,利用COMSOL软件研究了高功率微波与柱状等离子体阵列相互作用过程中入射电场随时间的演变过程,分析了等离子体防护高功率微波的物理过程和作用机理。研究结果表明,入射的高功率微波会使等离子体参数发生剧烈变化,特别是其电子密度将急剧增加,从而使等离子体对入射的高功率微波表现出类似金属的电磁特性,最终实现对入射高功率微波的有效防护。此外,利用高频辉光放电产生柱状等离子体阵列,通过实验验证了等离子体对高功率微波的防护作用。最后,总结了基于等离子体的高功率微波防护技术需解决的主要问题。

基于方形开口谐振环的无线激励微波微等离子体阵列源的研究

根据天线辐射理论和超材料特性,通过HFSS仿真软件,对基于方形开口谐振环(SRR)的无线激励2.45 GHz微波微等离子体阵列源进行研究。仿真结果表明,SRR的长度、宽度和缝隙宽度、辐射天线与阵列源的距离、偏移距离和谐振环开口方向等参数对微波微等离子体阵列源的S参数、电磁场分布等有较大影响。

小功率平面螺旋电感耦合微波等离子体源的研究

本文提出一种基于平面螺旋微带的2.45GHz小功率电感耦合微波等离子体源,根据等效变压器耦合模型分析等离子体源的谐振特性,通过微波等离子体吸收功率与等离子体阻抗之间的关系,研究不同气压条件下的放电规律.研究表明,在低气压条件下,输入功率不超过220mW时,空气开始放电;而在常压条件下,输入功率不超过1.5W时,氩气开始放电;随着微波等离子体的激励,小功率微波等离子体源的谐振频率和S参数都发生变化.这为电感耦合微波等离子体源的小型化研究提供了理论基础.

小功率微波微等离子体源的集成研究

提出了一种小功率集成微波微等离子体源的结构,通过平面微带渐变螺旋电感耦合线圈激励微波微等离子体。研究表明,该集成微波微等离子体源具有频率可调、功率可调的特点,频率范围为2.3~2.6GHz,输出功率范围为20~40dBm。在频率为2477MHz、空气真空度为3.7 Torr,输入功率为2.15W时,平面微带渐变螺旋电感耦合线圈能较好激励起微波微等离子体,这为微波微等离子体源的小型化研究提供了基础。

等离子体对高功率微波的防护

提出了用等离子体防护高功率微波破坏电子设备的方法。建立了"介质层-等离子体层-介质层-等离子体层"的反射/吸收模型,其中两层均匀非磁化等离子体厚度各为50mm,等离子体频率为30GHz,等离子碰撞频率为70GHz。计算了微波的透射功率、防护结构的最小防护距离。计算结果表明:对功率10GW、脉冲宽度100ns、天线100m2(效率50%)的微波源产生的微波,频率小于30GHz时,将被防护装置反射;频率为31～80GHz时,防护结构的最小防护距离约为5km。

ECR微波等离子体源离子渗氮

研究了一种新的低温渗氮方法──电子回旋共振（ＥＣＲ）微波等离子体源离子渗氮。对纯铁、４５钢和３５ＣｒＭｏ钢试样在１５０～３５０℃进行渗氮处理，测定了渗氮层的硬度和晶体结构。结果表明，纯铁在低于２００℃的温度下即可获得连续分布的表面氮化物层，３５ＣｒＭｏ钢在低于２５０℃温度处理也可获得良好的渗氮层。

110GHz高功率微波在大气击穿等离子体中的传输、反射和吸收

高功率微波极易引起大气击穿,而伴随产生的等离子体将对微波传播特性产生很大的影响.基于电子流体模型,研究了一个大气压下110GHz高功率微波在大气击穿等离子体中的传输、反射和吸收特性.模拟结果表明,大气击穿等离子体结构在空间呈丝状分布,其与实验现象符合得很好;由于大气击穿等离子体是时变的,其对微波的反射和吸收也是时变的;随着时间的推移,等离子体吸收功率逐渐增加直至达到饱和水平,且其远大于微波反射功率;当减小入射电场时,等离子体对微波的反射变得更低.将110GHz微波击穿阈值的模拟结果与实验数据进行对比,发现两者吻合得很好.

发光等离子体对6GHz高功率微波的防护性能研究

为研究发光等离子体对高功率微波的防护性能,建立了一维条件下等离子体与高功率微波相互作用的物理模型,并采用数值仿真得到了不同条件下的微波透射效果,分析了发光等离子体对高功率微波的防护性能。随后,实验研究了双层柱状等离子体阵列对6 GHz高功率微波脉冲的透射效果,实验结果与仿真结果相符,说明高功率微波的入射使等离子体产生了非线性效应。实验结果还表明,TE极化时的防护效果要优于TM极化时的防护效果;等离子体击穿场强阈值随电场作用空间的增大而减小;TE极化时等离子体对高功率微波脉冲的屏蔽效能最高可达13 d B,且随入射功率的增大而进一步增大。

氩气辅助激发大气压微波冷等离子体射流的研究

微波同轴谐振器已被广泛用作大气压等离子体射流的发生装置,其产生的等离子体射流已用于生物医学、材料表面处理等众多领域,大气压条件下微波放电等离子体源的功率阈值是影响其能否广泛应用的关键问题。文中设计的微波等离子体射流源工作频率2.6 GHz,回波损耗13.99 dB,工作气体为Ar气,大气压条件下产生紫色的丝状射流,击穿功率41.1 dBm(12.9 W),维持功率仅20 dBm(0.1 W)。结合实验观察和ANSYS Fluent流体力学仿真方法探究了等离子体射流长度与气体体积流量、输入功率的关系,发现层流状态下射流长度随气体体积流量增大而伸长,湍流状态下则反之,但不同气体体积流量下射流长度均随着输入功率单调增大。同时,实验发现关断Ar气后等离子体并未熄灭,而是诱发了同轴尖端附近位置的空气等离子体维持状态。在此基础上提出以Ar气或He气为先导气体,将其电离击穿后辅助激发难电离气体产生冷等离子体射流,在不需要提供高微波功率条件下实现了CO_(2)、N_(2)、O_(2)等冷等离子体射流。

双层等离子体对6 GHz高功率微波防护实验

针对高功率微波对电子设备的安全威胁,设计了一种双层柱状等离子体阵列对高功率微波进行防护。其中单根等离子体柱的直径为25.4 mm,长度为600 mm,等离子体频率与碰撞频率可进行控制。利用搭建的实验测量系统,研究了微波极化方向、等离子体电子密度、放电单元层数等因素对高功率微波透射衰减的影响。实验结果表明:当高功率微波未激发等离子体产生非线性效应时,TM极化时的防护效果优于TE极化时的防护效果,且能量衰减分别可达20.9 d B和14.7 d B;随等离子体电子密度增大,微波透射功率减小,防护效果增强;由于层间反射作用,双层等离子体对高功率微波的透射衰减远大于单层等离子体衰减值的两倍。

开放式微波等离子体源的研究进展

微波等离子体由于无电极污染、能在大气压下产生及电子密度大等一系列优点而具有较好的工业应用前景。因此大气压下开放式微波等离子体源的研究已经成为实现相关工业应用价值的关键。从最初的能够激发低气压空气微波等离子体的APMPS-I型微波等离子体源的研究开始,逐步通过增加某些辅助设备或改进微波反应腔的尺寸和结构,历经APMPS+JET型、APMPS-II型最终到平行直线矩形波导微波等离子体反应腔,实现了大气压开放式微波等离子体的激发。同时,对各种微波等离子体源的原理和相关特性进行了全面阐述,在此基础上对激发出的空气微波等离子体的形态进行了分析,说明了在一定的微波功率范围内较为稳定均匀的大气压开放式空气微波等离子体的实现是具有可行性的。

入射频率对高功率微波与等离子体相互作用的影响分析

通过建立等离子体中的波动方程、电子传递方程和重物质传递方程,研究了等离子体对高功率微波传输特性的影响。研究了高功率微波与等离子体相互作用中产生的电子密度和透射电场的变化过程,并重点分析了变化过程中入射波频率产生的影响。研究结果表明,在相互作用过程中,等离子体中的电子密度和透射电场在一定条件下会发生阶跃变化,即等离子体区域平均电子数密度会在极短的时间内由1×10~9m^(-3)增加到1×10^(19)m^(-3),平均电场强度也会由初始场强跃变为零,并且这种变化的产生存在一定的入射阈值场强和最低产生时间。当入射电磁波的频率不同时,产生阶跃变化所需的场强阈值和最低产生时间就会变得不同,高功率微波与等离子体相互作用中存在一定的色散效应。在所考虑的范围内,阈值场强随入射波频率线性增长,而最低产生时间随电磁波频率呈非线性增长变化。

微波等离子体源在钢表面氮化中的应用

对微波等离子体源和常规等离子体源进行了对比，分析了微波等离子体源应用于离子氮化的优越性，报道了微波等离子体在钢表面氮化中的应用。

外加磁场对小功率电感耦合微波微等离子体激励的影响

为使小功率微波微等离子体源进一步小型化,提出了通过外加磁场减小微波微等离子体激励功率的方法。首先对2.45GHz平面微带渐变螺旋天线进行数值仿真,得到最佳结构尺寸;其次在螺旋天线上加载高斯磁感应强度分别为360、990和2 840Gs的环形磁铁,测试得到加载磁场前后的S参数;最后通过改变磁铁及磁极方向,研究其对小功率电感耦合微波微等离子体激励的影响。实验结果表明:当空气气压为666.6Pa时,磁场强度和磁极方向均可使小功率微波微等离子体的激励功率和熄灭功率发生变化,且磁铁S极朝外更有利于激励;随着磁场强度的增大,激励功率逐渐减小;外加磁场时的最小激励功率比未加载磁场时的激励功率减小了15%。该研究结果在微化学分析系统、小尺寸材料的表面处理等领域具有良好的应用前景。

高功率微波在等离子体填充波导中的传播特性

在考虑有质动力情况下对高功率微波在等离子体填充波导中的传播特性进行了理论分析和数值计算,研究了高功率微波在等离子体中的传播特性和微波场强与等离子体密度分布之间的关系。结果表明高功率微波的有质动力将影响微波色散特性,使微波场强分布偏离Bessel分布,并对等离子体有排开作用,当场强足够大时可将波导中心处等离子体排空形成低密度通道。

低功率微波热雾化器与同轴气动雾化器作为电感耦合等离子体发射光谱法进样装置的比较

对用低功率微波热雾化器 (MWTN)和同轴气动雾化器 (PN)作为电感耦合等离子体发射光谱仪 (ICP AES)进样装置时 ,仪器的操作条件 (样品提升速率 (Ql)、载气流速 (Fc) )进行了选择和比较。在选定的条件下 ,比较了两种雾化器的分析性能。发现HCl的浓度对两种雾化器的影响不同 ,对于MWTN ,Cr、Cd、Co、Mn和La,谱线的发射强度随HCl浓度的增加而略有增加 ;而对于PN ,谱线的发射强度随HCl浓度的增加而略有降低 ;MWTN对于上述 5种元素的检出限均优于PN ,而精密度则不如后者。

平面螺旋电感耦合微波等离子体源的建模分析

介绍了一种小型化的2.45GHz小功率平面螺旋电感耦合微波等离子体源的建模方法。根据等效电路,推导出平面螺旋电感线圈的品质因数,并进行数值分析。研究表明:无载品质因数随结构、尺寸和频率等的变化而变化,并在谐振频率附近达到最大值。这为小功率电感耦合微波等离子体源的优化设计提供了理论依据。

紧凑型微波ECR等离子体源的设计及其特性研究

地面电推进试验、星载Langmuir探针地面标定等航天任务,均对等离子体参数的校准提出了需求。目前,等离子体参数的校准主要是在稳定的等离子体环境中,通过被测仪器与标准进行量值比对的方式实现,因此,获得稳定的等离子体环境是开展校准技术研究的重要前提。微波ECR源产生的等离子体具有均匀、稳定、可调节范围宽等特点,十分适合应用于等离子体校准中。本文设计研制了永磁型微波ECR等离子体源,并对该源的特性进行了实验研究,获得了该源的空间分布特性、稳定性实验结果。实验结果表明:研制的紧凑型微波ECR源稳定性、重复性均在10%以内,具有作为标准源应用于等离子体校准的潜力。