本文設(shè)計了一個基于BJ26矩形波導(dǎo)的常壓微波等離子體反應(yīng)器。微波反應(yīng)器對于等離子體的產(chǎn)生起關(guān)鍵性作用，本設(shè)計中采用了矩形壓縮波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。首先運用Ansoft　HFSS仿真軟件對反應(yīng)器進行了模擬計算，得到不同矩形壓縮波導(dǎo)腔體內(nèi)的電場分布，從而對腔體進行了優(yōu)化設(shè)計，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。直流放電的缺點是有極放電、密度低、電離度低、運行氣壓高;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、不會產(chǎn)生電極污染和很寬的壓強范圍等一系列優(yōu)勢，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，例如粒子密度更大、無需配置和維護昂貴的真空設(shè)備等，因此正逐漸成為新的研究熱點。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://www.jnannai.com/)認(rèn)為對于大體積、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)價值。

　　本文對產(chǎn)生大功率微波等離子體做了初步的探討，設(shè)計了一個可隨時產(chǎn)生微波等離子體的開放系統(tǒng)，以期在本設(shè)計的基礎(chǔ)上可以通過進一步的研究實現(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)計中的常壓微波等離子體反應(yīng)器選擇了結(jié)構(gòu)較為簡單的矩形壓縮波導(dǎo)，并采用基于電磁場有限元方法分析微波工程問題的Ansoft HFSS電磁仿真軟件來優(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)過反應(yīng)器的調(diào)制，使得反應(yīng)器中的電場被重新分配，在某個位置處得到顯著加強，利用該強電場將此處空氣擊穿，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

　　本文運用HFSS仿真軟件對不同結(jié)構(gòu)、尺寸下微波等離子體反應(yīng)器內(nèi)部電場分布進行了模擬計算，并對比了各種模擬結(jié)果，得到如下結(jié)論：通過改變矩形壓縮波導(dǎo)尺寸、開孔位置及大小的方式均可以在一定程度上增大腔內(nèi)電場強度，但增幅有限;在開孔內(nèi)置入適當(dāng)長度的導(dǎo)電探針后，探針可聚集圓孔周圍電場，從而在孔內(nèi)產(chǎn)生足以擊穿空氣的強電場。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，運行時無需點火，反應(yīng)器便能產(chǎn)生均勻、穩(wěn)定的微波等離子體。