專利名稱：利用低電功率生成等離子體的便攜式微波等離子體生成器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種等離子體生成器，更具體地涉及一種能夠利用低 電功率生成等離子體的小型微波等離子體生成器。
背景技術：
等離子體焰炬是從其噴嘴生成定流向的等離子體的裝置。等離子 體射流可用于熔化固體，或蒸發(fā)固體或液體，或加熱氣體，/人而在恒 量和熵的條件下增加封閉熱力學系統(tǒng)中的焓。
通常裝備有磁控管的常規(guī)微波等離子體生成器需要消耗100瓦以
上的能量進行操作。裝備有矩形波導器的常規(guī)微波等離子體生成器攜 帶起來十分笨重。裝備有天線形釋放管的同軸微波等離子體焰炬可以 代替常規(guī)微波等離子體生成器，但還是體積過大不便攜帶。
現(xiàn)在使用的常規(guī)微波等離子體生成器利用各種類型的電功率源在 大氣壓下生成等離子體。大量的研究投入在開發(fā)出這樣一種微波等離
子體生成器，該生成器通過利用900兆赫茲或2.45千兆赫茲頻率的微 波、利用低電功率、在沒有熱效應的情況下生成等離子體。
全球的研究都已集中在生物醫(yī)學領域應用等離子體。美國食品及 藥物管理局已經(jīng)核準了在人類皮膚上的皺紋和斑點的醫(yī)學治療中使用 微波等離子體生成器。在大氣壓下消耗少于5瓦能量的便攜式微波等 離子體生成器的發(fā)展將擴展其應用到癌癥治療、牙科護理、美容處理、 消毒、凝固、殺菌、空氣凈化等領域。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個方面是提供一種能夠在大氣壓力下利用低電 功率生成等離子體的小型便攜式微波等離子體生成器。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種能夠利用低電功率生成等離子體的便攜式微波等離子體生成器。所述生成器包括同軸電纜、外導 體、連接導體以及連接部。同軸電纜包括第一內(nèi)導體以及環(huán)繞第一內(nèi) 導體的介電材料。外導體環(huán)繞同軸電纜。連接導體包括至少一個進氣 管。連接導體在同軸電纜的 一端電連接于第 一 內(nèi)導體和外導體之間。 連接部包括穿過外導體并與第 一 內(nèi)導體連接的第二內(nèi)導體。
該便攜式微波等離子體生成器的長度小于10cm，并且在大氣壓力 下利用低電功率生成等離子體。該便攜式微波等離子體生成器能夠?qū)?其阻抗與提供微波的微波諧振器的阻抗相匹配，而不需要使用獨立的 阻抗匹配裝置。
本發(fā)明上述及其它目的、特點、方面以及優(yōu)點將從以下結合附圖 對本發(fā)明詳細的描述中變得更加明顯。


為了進一步理解本發(fā)明所提供的附圖作為本說明的一部分，示出 了本發(fā)明的實施方式，并且與說明書共同用于解釋本發(fā)明的原理。 在附圖中
圖1為根據(jù)本發(fā)明能夠利用低電功率生成等離子體的便攜式微波 等離子體生成器的剖^L圖2為圖1所示的能夠利用低電功率生成等離子體的便攜式微波 等離子體生成器的A方向端的正視圖3為圖1所示的能夠利用低電功率生成等離子體的便攜式微波 等離子體生成器的B方向端的正視圖4為能夠利用低電功率生成等離子體的便攜式微波等離子體生 成器的示意圖，其具有長度可調(diào)的同軸電纜；
圖5為根據(jù)本發(fā)明能夠利用低電功率生成等離子體的便攜式微波 等離子體生成器的示意圖6為根據(jù)本發(fā)明能夠利用低電功率生成等離子體的便攜式微波 等離子體生成器的實際產(chǎn)品的照片；
圖7為圖6中所示的能夠利用低電功率生成等離子體的便攜式微 波等離子體生成器的右端F的正視圖；以及圖8為圖6中所示的能夠利用低電功率生成等離子體的便攜式微波等離子體生成器的左端R的正視圖。
具體實施例方式
下面將詳細地介紹本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，其實施例在附圖中顯示。
圖1為根據(jù)本發(fā)明能夠利用低電功率生成等離子體的便攜式微波等離子體生成器的剖視圖。
如圖l所示，能夠利用低電功率生成等離子體的便攜式微波等離子體生成器100包括同軸電纜10、外導體4、連4妄導體2、連接部1以及釋放梢5。
同軸電纜10包括第一內(nèi)導體7和環(huán)繞第一內(nèi)導體7的介電材料6。外導體環(huán)繞同軸電纜IO。連接導體2包括至少一個進氣管3。連接導體2在同軸電纜10的一端電連接于第一內(nèi)導體7和外導體4之間。連接部1包括第二內(nèi)導體8，第二內(nèi)導體8穿過外導體4，然后在饋送點9處與第一內(nèi)導體7電連接。連接部1是傳導性的。在第二內(nèi)導體8和連接部1之間可設置絕緣材料。設置在同軸電纜10的另一端上的釋放梢5用于當在同軸電纜IO上生成等離子體時使電功率消耗最小化。
根據(jù)本發(fā)明的便攜式微波等離子體生成器100利用通過第二內(nèi)導體8施加的微波的諧振能量生成等離子體，該微波的頻率為卯0兆赫茲或2.45千兆赫茲。連接部l、連接導體2、外導體4、第一內(nèi)導體7以及第二內(nèi)導體8相互電連接，并用作為振蕩微波的諧振器。微波在同軸電纜10上轉換為TEM波(橫電磁波)。TEM波為橫波，攜帶電磁能量，其在傳播方向沒有電場分量和磁場分量，但在與傳播方向垂直的方向具有電場分量和》茲場分量。
空氣在同軸電纜10外部套和第一內(nèi)導體7之間作為介電材料6。就是說，電介質(zhì)6為引入惰性氣體以進行電離的空間。引入的氣體通過在施加微波的導體2、 4、 7和8上諧振并放大的微波的諧振能量變?yōu)榈入x子體狀態(tài)，并且引入的氣體向便攜式微波等離子體生成器的底部釋放，即，B方向。碳氟化合物固體(PTFE例如特氟綸)可用作為介電材料6。
同軸電纜10的長度可以是微波波長的1/4 (四分之一 )或3/4 (四分之三)，該長度適合微波產(chǎn)生諧振。當同軸電纜10的長度設定為此長度時，在諧振器的端部、B方向上的電場強度最大，因此更容易生成等離子體。
光速、頻率和微波的長度之間的關系通過以下公式l表示公式1
其中入是微波的波長，C是光速，f是微波的頻率，SY是相對介電常數(shù)。當介電材料是空氣時，相對介電常數(shù)是1,當介電材料是碳氟化合物固體(PTFE例如特氟綸)時，相對介電常數(shù)是2.1。
例如，微波的頻率是900兆赫茲，微波的波長入由以下公式2
表示
公式2
根據(jù)公式2,微波波長的1/4 (四分之一 )大約為8.33cm。如此使得生產(chǎn)約10cm長度的便攜式微波等離子體生成器成為可能。
從饋送點9看去的同軸電纜10的輸入阻抗依賴于饋送點9的位置而變化，在饋送點9處，同軸電纜10的第一內(nèi)導體7和連接部1的第二內(nèi)導體8相互接觸。通過調(diào)整饋送點9的位置，可以在微波振蕩器(未示出)和微波等離子體生成器之間容易地實現(xiàn)阻抗匹配，其中微波振蕩器通過第二內(nèi)導體8向同軸電纜IO施加微波，或者在放大器與微波等離子體生成器之間容易地實現(xiàn)阻抗匹配，其中放大器放大從微波振蕩器輸出的微波。這將在下文進行更詳細的描述。
在大氣壓力下生成等離子體需要較大的電場強度106V/m (伏特/米)或更大。釋放梢5用于局部地增大電場強度。在產(chǎn)生放電以及生成等離子體之后，無需使用釋放梢5。當不使用釋放梢5時，釋放梢5可以從微波等離子體生成器中取出。試驗結果顯示根據(jù)本發(fā)明的便攜式微波等離子體生成器利用大約1瓦生成等離子體。
圖2為圖1所示的能夠利用低電功率生成等離子體的便攜式微波等離子體生成器的A方向端的正視圖。
如圖2所示，連接導體2插在外導體4的中部。連接導體2設置有兩個進氣管3，惰性氣體通過兩個進氣管3引入介電材料6中。連接導體2也可設置有單個進氣管3。惰性氣體包括氦和氬。
圖3為圖1所示的能夠利用低電功率生成等離子體的便攜式微波等離子體生成器的B方向端的正視圖。
如圖3所示，外導體4環(huán)繞同軸電纜10，同軸電纜10在中央具有第一內(nèi)導體7，并且介電材料6設置在同軸電纜10的外部套和第一內(nèi)導體7之間。釋放梢5位于同軸電纜10的B方向的端部上。釋放梢5釋放的等離子體在B方向上輸出。
圖4為能夠利用低電功率生成等離子體的便攜式微波等離子體生成器的示意圖，其具有長度可調(diào)的同軸電纜。
如圖4所示，便攜式微波等離子體生成器400中部的橢圓形部分(由虛線標出)為同軸電纜延伸件11,其用于調(diào)節(jié)同軸電纜的外導體4的長度以及同軸電纜的第一內(nèi)導體7的長度。例如，同軸電纜10的外導體4和同軸電纜10的第一內(nèi)導體7能夠以可滑動的方式或者可附接可分離的方式伸長或縮短，從而調(diào)節(jié)同軸電纜IO的長度。
利用同軸電纜延伸件ll調(diào)節(jié)同軸電纜IO的長度不僅可以有效地產(chǎn)生諧振，還能夠?qū)崿F(xiàn)阻抗匹配，阻抗匹配防止微波反射。同軸電纜IO的下部和包括延伸件11的同軸部分的上部可相互附接或相互分離。如此，當諧振器的端部被等離子體腐蝕掉時，可以替換包括延伸件ll的同軸電纜IO,從而延長微波等離子體生成器的壽命。
根據(jù)本發(fā)明能夠利用低電功率生成等離子體的便攜式微波等離子體生成器可通過調(diào)節(jié)連接部1的位置而調(diào)節(jié)其阻抗。這樣則無需安裝在微波振蕩器(未示出)和微波等離子體生成器之間實現(xiàn)阻抗匹配的阻抗匹配裝置，或者在放大器與微波等離子體生成器之間實現(xiàn)阻抗匹配的阻抗匹配裝置，其中微波振蕩器通過第二內(nèi)導體8向同軸電纜10施加微波，放大器放大從微波振蕩器輸出的微波。現(xiàn)在將對便攜式微波等離子體生成器的操作以及與其外圍裝置的關系進行描述。
圖5為根據(jù)本發(fā)明能夠利用低電功率生成等離子體的便攜式微波等離子體生成器的示意圖。
參考圖5,從饋送點9看去的同軸電纜10的輸入阻抗Z!N由以下公式3表示，其中在饋送點9處，同軸電纜10的第一內(nèi)導體7和連接部1的第二內(nèi)導體8相互接觸。公式3
zw = z, ||Z2 = Z0
1
(，
a/,
■ + -
tanh(X)a/，
+ tanh(_/A:/2)
sin'(風)cos'(風)
cot(風)+ tan(風))
其中，第一阻抗Zi是對于饋送點9的左側的同軸電纜10的阻抗，第二阻抗Z2為對于饋送點9的右側的同軸電纜的阻抗，Zo是同軸電纜IO的特性阻抗，j是復數(shù)V3， l!為饋送點9和同軸電纜10左端之間的距離，12為饋送點9和同軸電纜IO右端之間的距離，k為復傳播常數(shù)或波數(shù)，其為波長的倒數(shù)，a為同軸電纜10的衰減常數(shù)，P為同軸電纜10的相位常數(shù)。公式3是基于假設(al) =1， tan( ctl)-( al)。
同軸電纜10的左端連接到連接導體2，因此，第一阻抗&的負載阻抗ZL為O(零)。同軸電纜10的右端是開放的，因此，負載阻抗為w(無窮大)。同軸電纜10的衰減常數(shù)a ,以及同軸電纜10的相位常數(shù)I3都為由同軸電纜10電特性自動確定的常數(shù)。因此，輸入阻抗ZjN(即諧振器的輸入阻抗ZnJ是由h和12決定的。
當同軸電纜10的長度小于微波波長的1/4 (四分之一)時，調(diào)節(jié)l,意味著調(diào)節(jié)諧振器的電感，調(diào)節(jié)12意味著調(diào)節(jié)諧振器的電容。因此，諧振器相當于由相互并聯(lián)的電阻、電感和電容組成。因此，通過調(diào)整h和12中任何一個而確定饋送點9的位置。當輸入阻抗Zw設為50Q(歐姆)時，并不需要安裝單獨的阻抗匹配裝置。
同軸電纜10的長度大約為微波波長的1/4 (四分之一 )或3/4 (四分之三)。同軸電纜10的長度也可為微波波長的1/4(四分之一)的任
9意倍數(shù)或3/4 (四分之三)的任意倍數(shù)。
圖6為根據(jù)本發(fā)明能夠利用低電功率生成等離子體的便攜式微波等離子體生成器的實際產(chǎn)品的照片。
如圖6所示，便攜式微波等離子體生成器中的同軸電纜IO的長度為微波波長的1/4(四分之一 )。SMA(微型A類，Sub Miniature versionA)連接器用作為連接部1。
圖7為圖6中所示的能夠利用低電功率生成等離子體的便攜式微波等離子體生成器的右端F的正視圖。
如圖7所示，在便攜式微波等離子體生成器的右端、釋放梢5與第 一 內(nèi)導體7之間具有間隙。如果便攜式微波等離子體生成器利用900兆赫茲頻率的微波產(chǎn)生諧振，并且同軸電纜10的長度是微波波長的1/4(四分之一)，那么該間隙為40jwm(微米)。如果便攜式微波等離子體生成器利用2.45千兆赫茲頻率的微波產(chǎn)生諧振，并且同軸電纜10的長度是微波波長的3/4 (四分之三)，那么該間隙為lOOpm (微米)。
圖8為圖6中所示的能夠利用低電功率生成等離子體的便攜式微波等離子體生成器的左端R的正視圖。
如圖8所示，惰性氣體被引入進氣管3。
如上所述，為具體用途而設計的同軸電纜100用于根據(jù)本發(fā)明的便攜式微波等離子體生成器。但是，也可利用廣泛應用的普通類型的半剛性同軸電纜。電壓和電磁場在諧振器的端部達到最大，即，在便攜式微波等離子體生成器的端部。因此，與常規(guī)微波等離子體生成器相比較，根據(jù)本發(fā)明的便攜式微波等離子體生成器使用最少的電功率有效地生成等離子體。此外，便攜式微波等離子體生成器的長度為10cm或?qū)谖⒉úㄩL的四分之一。這樣使便攜式微波等離子體生成器具有便攜性。如果諧振器的阻抗調(diào)整為微波振蕩器的輸出阻抗，那么該便攜式微波等離子體生成器并不需要安裝單獨的阻抗匹配裝置。
在不違背本發(fā)明的精神和本質(zhì)特征情況下，本發(fā)明具有多種形式的實施方式。應該理解，除非具體地-說明，前面所述的實施方式并不局限于任何前面描述的細節(jié)，而是廣泛地解釋權利要求所限定的精神和范圍。因此，任何落入權利要求界限和范圍的變化和改良，或與權 利要求界限和范圍的等同都包括在權利要求中。
權利要求
1.一種能夠利用低電功率生成等離子體的便攜式微波等離子體生成器，包括同軸電纜，所述同軸電纜包括第一內(nèi)導體，以及介電材料，環(huán)繞所述第一內(nèi)導體；外導體，環(huán)繞所述同軸電纜；連接導體，包括至少一個進氣管，并且所述連接導體在所述同軸電纜的一端電連接于所述第一內(nèi)導體和所述外導體之間；以及連接部，包括第二內(nèi)導體，所述第二內(nèi)導體穿過所述外導體并連接至所述第一內(nèi)導體。
2. 如權利要求1所述的便攜式微波等離子體生成器，其中所述介電材料是空氣，惰性氣體引入所述介電材料的空間內(nèi)，并且通過所述 第二內(nèi)導體施加微波。
3. 如權利要求2所述的便攜式微波等離子體生成器，其中所述惰 性氣體為選自氦和氬組成的組中的一種。
4. 如權利要求2所述的便攜式微波等離子體生成器，其中所述微 波的頻率為900兆赫茲或2.45千兆赫茲。
5. 如權利要求2所述的便攜式微波等離子體生成器，其中所述同 軸電纜的長度為微波波長的四分之一或四分之三。
6. 如權利要求2所述的便攜式微波等離子體生成器，其中所述同 軸電纜的長度為微波波長的四分之一的任意倍數(shù)或四分之三的任意倍數(shù)。
7. 如權利要求1所述的便攜式微波等離子體生成器，其中，所述 同軸電纜包括至少兩個部分，所述兩個部分能夠以調(diào)整所述同軸電纜 長度的方式相互附接和分離，或者能夠以調(diào)整所述同軸電纜長度的方 式相對于4皮此滑動。
8. 如權利要求4所述的便攜式微波等離子體生成器，進一步包括 釋放梢，所述釋放梢位于所述同軸電纜的另一端，在所述同軸電纜上 釋放等離子體。
9. 如權利要求8所述的便攜式微波等離子體生成器，其中，當微 波的頻率是900兆赫茲時，所述釋放梢和所述第一內(nèi)導體之間的間隙 是40/rni。
10. 如權利要求8所述的便攜式微波等離子體生成器，其中，當 微波的頻率是2.45千兆赫茲時，所述釋放梢和所述第一內(nèi)導體之間的 間隙是lOOpm。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種在大氣壓力下能夠利用低電功率生成等離子體的小型便攜式微波等離子體生成器，其包括同軸電纜，外導體，連接導體以及連接部。同軸電纜包括第一內(nèi)導體和環(huán)繞第一內(nèi)導體的介電材料。外導體環(huán)繞同軸電纜。連接導體包括至少一個進氣管。連接導體在同軸電纜的一端電連接于第一內(nèi)導體和外導體之間。連接部包括穿過外導體并連接于第一內(nèi)導體的第二內(nèi)導體。
文檔編號H05H1/30GK101662880SQ20091012711
公開日2010年3月3日 申請日期2009年3月11日 優(yōu)先權日2008年8月26日
發(fā)明者峻 崔, 李在九, 費利佩·伊薩 申請人:浦項工科大學校產(chǎn)學協(xié)力團