本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于BJ26矩形波導(dǎo)的常壓微波等離子體反應(yīng)器。微波反應(yīng)器對(duì)于等離子體的產(chǎn)生起關(guān)鍵性作用，本設(shè)計(jì)中采用了矩形壓縮波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。首先運(yùn)用Ansoft　HFSS仿真軟件對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行了模擬計(jì)算，得到不同矩形壓縮波導(dǎo)腔體內(nèi)的電場(chǎng)分布，從而對(duì)腔體進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終制作了常壓微波等離子體反應(yīng)器。將反應(yīng)器安裝在微波系統(tǒng)中，獲得了頻率為2.45GHz功率可調(diào)的穩(wěn)定的微波等離子體。

　　等離子體的產(chǎn)生方法有直流放電、射頻放電、微波放電等。直流放電的缺點(diǎn)是有極放電、密度低、電離度低、運(yùn)行氣壓高;射頻放電雖然密度和電離度有所提高，但應(yīng)用范圍受限;而微波放電技術(shù)與上述等離子體產(chǎn)生技術(shù)相比，具有能量轉(zhuǎn)化效率高、不會(huì)產(chǎn)生電極污染和很寬的壓強(qiáng)范圍等一系列優(yōu)勢(shì)，正被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。

　　目前，在低氣壓條件下產(chǎn)生微波等離子體較為容易，因此在工業(yè)上得到了一定的應(yīng)用，例如等離子體真空鍍膜、刻蝕、表面清洗等，而在常壓條件下產(chǎn)生微波等離子體則較為困難。常壓微波等離子體與低壓相比擁有諸多優(yōu)勢(shì)，例如粒子密度更大、無(wú)需配置和維護(hù)昂貴的真空設(shè)備等，因此正逐漸成為新的研究熱點(diǎn)。常壓微波等離子體射流或炬已經(jīng)有了一定的研究，利用這種方式可以很容易獲得氦氣、氬氣等工作氣體的等離子體流，但由于其體積小，不便于大體積、大功率的工業(yè)應(yīng)用，因此真空技術(shù)網(wǎng)(http://smsksx.com/)認(rèn)為對(duì)于大體積、大功率常壓微波等離子體的研究具有良好的發(fā)展前景和工業(yè)價(jià)值。

　　本文對(duì)產(chǎn)生大功率微波等離子體做了初步的探討，設(shè)計(jì)了一個(gè)可隨時(shí)產(chǎn)生微波等離子體的開(kāi)放系統(tǒng)，以期在本設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上可以通過(guò)進(jìn)一步的研究實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)放大，從而獲得大體積、大功率下的常壓微波等離子體。

　　本設(shè)計(jì)中的常壓微波等離子體反應(yīng)器選擇了結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的矩形壓縮波導(dǎo)，并采用基于電磁場(chǎng)有限元方法分析微波工程問(wèn)題的Ansoft HFSS電磁仿真軟件來(lái)優(yōu)化反應(yīng)器。

1、整體裝置

　　常用的微波等離子體產(chǎn)生裝置包括三個(gè)部分：微波功率源、微波傳輸系統(tǒng)和微波反應(yīng)器及其附加裝置，如圖1所示。

　　微波功率源為整個(gè)系統(tǒng)提供微波能量。微波傳輸系統(tǒng)包括環(huán)形器和三銷釘阻抗匹配器。為避免反射波損害微波功率源，采用環(huán)形器隔離反射波，并采用三銷釘阻抗匹配器盡量減少微波反射。

　　從傳輸系統(tǒng)輸入的微波能量經(jīng)過(guò)反應(yīng)器的調(diào)制，使得反應(yīng)器中的電場(chǎng)被重新分配，在某個(gè)位置處得到顯著加強(qiáng)，利用該強(qiáng)電場(chǎng)將此處空氣擊穿，從而得到等離子體。

圖1　常用微波等離子體產(chǎn)生裝置原理圖

4、結(jié)論

　　本文運(yùn)用HFSS仿真軟件對(duì)不同結(jié)構(gòu)、尺寸下微波等離子體反應(yīng)器內(nèi)部電場(chǎng)分布進(jìn)行了模擬計(jì)算，并對(duì)比了各種模擬結(jié)果，得到如下結(jié)論：通過(guò)改變矩形壓縮波導(dǎo)尺寸、開(kāi)孔位置及大小的方式均可以在一定程度上增大腔內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度，但增幅有限;在開(kāi)孔內(nèi)置入適當(dāng)長(zhǎng)度的導(dǎo)電探針后，探針可聚集圓孔周圍電場(chǎng)，從而在孔內(nèi)產(chǎn)生足以擊穿空氣的強(qiáng)電場(chǎng)。依托這一結(jié)論，制作了所需的常壓微波等離子體反應(yīng)器，運(yùn)行時(shí)無(wú)需點(diǎn)火，反應(yīng)器便能產(chǎn)生均勻、穩(wěn)定的微波等離子體。