常壓微波等離子體炬裝置的研究及應用進展

劉　繁，翁　俊，孫　祁，汪建華，王秋良

（1.中國科學院電工研究所，北京　100080；

2.武漢工程大學材料科學與工程學院 等離子體化學與新材料重點實驗室，武漢　430073）

常壓微波等離子體炬裝置的研究及應用進展

劉繁1，2，翁俊2，孫祁2，汪建華2，王秋良1

（1.中國科學院電工研究所，北京100080；

2.武漢工程大學材料科學與工程學院 等離子體化學與新材料重點實驗室，武漢430073）

常壓微波等離子體炬有著優異的性能，具有廣泛的應用前景，常壓微波等離子體炬裝置的研究受到研究人員和工業界的廣泛關注。文章對常壓微波等離子體炬的性質、裝置及應用等方面的研究成果進行了簡要概述，著重闡述了常壓微波等離子體炬裝置的基本原理，對各種裝置的優、缺點進行了分析。最后詳細討論了常壓微波等離子體炬裝置的應用和今后研究方向。

常壓；微波等離子體炬；裝置；應用

0　引言

常壓等離子體炬具有較高的電子密度和溫度，設備成本低、操作簡單、不需要昂貴的真空設備等優點[1-2]，自1933年Engel等[3]首次在常壓下利用氫氣和空氣放電激發以來，常壓等離子體炬在材料、環保等領域有著極其廣闊的應用前景[4]。然而直流輝光放電等離子體炬是有極放電，并且密度和電離度都較低，使其應用范圍受到了一定的限制。而隨之發展的射頻等離子體炬雖然是無極放電，解決了內部電極污染的問題，但其密度和電離度仍較低。隨著微波等離子體技術的不斷發展，常壓微波等離子體炬因其具有更高的能量利用率、沒有高電壓鞘層及其伴隨的離子壁濺射等優點，越來越接近和滿足工業生產和實際應用要求。

1　常壓微波等離子體炬裝置

微波放電是在高頻電磁場的作用下將氣體激發而產生等離子體?；钚詮?、激發的亞穩態原子多是微波等離子體的特點[5]。常壓微波等離子體炬是將電磁場能量傳輸并壓縮到噴嘴處激發產生，噴嘴處的電場強度對激發等離子體炬起著至關重要的作用，因此，增強噴嘴處電場強度是不同結構常壓微波等離子體炬裝置的優化及設計的基礎依據之一。自從對常壓微波等離子體炬進行研究以來，到目前已經開發出很多種激發常壓微波等離子體炬的裝置，根據裝置的結構特點，可將微波等離子體炬裝置分為兩類：對矩形波導進行特殊設計的裝置和采用特殊噴嘴結構的裝置。

1.1特殊矩形波導的常壓微波等離子體炬裝置

常壓微波等離子體炬矩形波導腔裝置的研制過程中，常采用壓縮矩形波導窄邊尺寸的方式來達到增加噴嘴處電場強度的目的，常見的窄邊壓縮方式有漸變式壓縮和階梯式壓縮兩種。

圖1為韓國亞洲大學Hong等[6-7]設計的一套常壓微波等離子體炬裝置及等離子體炬的激發示意圖。該系統主要2.45 GHz的微波等離子體炬和由質量流量控制器控制的氣路兩部分組成。型號為SM745的Richardson磁控管提供的微波能經環形器，在矩形波導內以TE10模式傳輸，并由三螺釘調節阻抗，同時此裝置采用階梯型矩形波導來對窄邊進行壓縮的方式，使位于諧振腔短路面λg/4處的駐波位置的電場強度增強，來達到激發等離子體炬的目的。實驗放電過程中，輸入的微波功率為1 000 W，而反射功率幾乎為0 W。Hong等在此裝置上進行了微波等離子體炬及碳氫燃料火焰的性能研究工作，發現碳氫燃料燃燒的火焰體積是等離子體炬的30～50倍。

圖1　階梯型矩形波導常壓微波等離子體炬裝置圖

理論計算及實驗研究中發現，壓縮窄邊能夠達到增強噴嘴處電場強度的目的，因此研究者設計了多種不同的結構壓縮方式。圖2為日本愛之工業大學設計的壓縮矩形波導常壓微波等離子體炬裝置示意圖[8]，其特點是漸變式波導從圖兩個窄邊面同時向波導中心壓縮。頻率為2.45 GHz的磁控管將1 kW的微波能量通過能量耦合器輸出到微波傳輸系統，同時選用E-H阻抗調配器和短路活塞對整個系統進行阻抗調節，最終在噴嘴尖端激發出等離子體炬。與韓國亞洲大學的等離子體炬裝置相比，其漸縮式矩形波導由五個漸變的臺階代替了單一的斜面，完成波導截面從寬到窄的過渡。Takamura等[8]在此裝置上進行了氬/氮微波等離子體炬的形成以及衰減過程的機理研究，發現微波等離子體炬的衰減速度受到氣體湍流流速和復合率的影響。美國麻省理工學院（MIT）等離子體科學與核聚變中心同樣也采用同時壓縮矩形波導窄邊的方式設計出1臺常壓微波等離子體炬裝置，并利用此裝置來進行了監測環境中金屬元素的研究工作。

圖2　壓縮波導式常壓微波等離子體炬裝置圖

1.2特殊噴嘴結構的常壓微波等離子體裝置

除了對矩形波導結構進行優化以外，科研工作者常選取對常壓微波等離子體裝置內的噴嘴結構進行改進來達到增強噴嘴處電場強度的目的。

英國利物浦大學Al-Shamma’a等[9]通過對常壓微波等離子體炬裝置的矩形諧振腔內噴嘴結構進行優化設計來增強等離子體炬。圖3為研制的具有特殊階梯型噴嘴結構的常壓微波等離子體炬裝置的結構示意圖。

圖3　利物浦大學常壓微波等離子體炬裝置結構圖

目前投入使用的微波等離子體炬系統主要有3套，分別為用于切割和減少汽車尾氣排放實驗的功率為1 kW、頻率2.45 GHz的等離子體炬裝置，用于高溫測試的功率6 kW、頻率2.45 GHz的等離子體炬裝置，以及用于切割、焊接的功率10 kW、頻率896 MHz的等離子體炬裝置。這種漸縮式噴嘴可以解釋為數個臺階的特殊梯形波導結構，在最后一級臺階，即波導窄邊壓縮最大處插入噴嘴，可擊穿氣體產生等離子體炬。

漸變式噴嘴常壓微波等離子體炬裝置的基本原理：可長時間連續工作的磁控管將直流電場中取得的直流能量最大限度的轉換成微波能量，并通過能量耦合器輸出到微波傳輸系統。微波經過環形器和波導管，在三螺釘阻抗調配器和波導短路活塞的調節下，最大限度的耦合到矩形諧振腔內，并在噴嘴尖端處激發微波等離子體炬。

圖4為湖北省等離子體化學與新材料重點實驗室研制的具有特殊漸變過渡噴嘴結構的常壓微波等離子體炬裝置示意圖。該裝置與一般的微波等離子體激發裝置一致，主要由微波功率和總控制系統、微波傳輸系統、微波反應器及附屬系統和多參數測控系統四部分組成[10]。功率1 kW，工作頻率2.45 GHz的微波將微波能量以主模TE10模式通過WR340矩形波導傳輸到等離子體耦合腔中，在腔體電場最強處插入噴嘴，激發出常壓微波等離子體炬。

圖4　階梯噴嘴結構的常壓微波等離子體裝置實物圖

圖5為常壓微波等離子體裝置的噴嘴結構示意圖。噴嘴的作用是最大限度的將微波能量耦合到矩形諧振腔腔中，并盡量減小反射。噴嘴由三個獨立的部分構成。噴嘴底部為一個焊接在波導腔壁上的圓臺形結構，噴嘴中間部分的下半段為一圓柱形結構，上半段為一圓臺形結構，噴嘴的頂部也為一圓臺形結構。除了底部固定在波導壁上，噴嘴的中間部分和頂部可以任意調進和調出。分別對噴嘴各部分的長度進行調節使噴嘴長度達到理想值，同時從噴嘴的另一端通入工作氣體，微波等離子體炬很容易就會被激發出來。

2　常壓微波等離子體炬的應用

由于常壓微波等離子體炬自身獨特的優勢，使得微波等離子體炬被廣泛的應用于材料制備、醫療、軍事、廢氣處理等許多領域，特別是目前在廣受關注的能源及環境領域，常壓微波等離子體炬具有不可替代的地位。

圖5　常壓微波等離子體裝置階梯噴嘴結構示意圖

2.1等離子體光譜診斷及分析

早在1958年，就有學者把微波耦合等離子體用于光譜化學分析。等離子體中存在大量的帶電粒子，粒子之間相互作用輻射出的電磁波頻率范圍較廣，等離子體診斷的重要一點就是對這些輻射進行測量，并通過圖像獲得重要參數，如：電子和離子的溫度與密度、等離子體的成分與分布、電磁場的時間和空間分布以及各種不穩定性等[11-13]。

目前普遍使用的感應耦合等離子體（ICP）光譜源需要在高真空下，同時配備大功率電源及耦合線圈進行工作，此種設備不適合野外便攜式檢測操作[14]。微波等離子體炬元素光譜分析法具有電容耦合微波等離子體（CMP）和微波誘導等離子體（MIP）所不具備的一系列優勢，如：可用He作為工作氣體來測定包括鹵族元素在內的幾乎所有元素，操作簡單、儀器成本低及避免等離子體污染等。隨著微波能應用的不斷深入，微波等離子體炬不僅用于原子光譜分析，還應用于質譜法的離子化源、氣相色譜、離子色譜、超臨界流體色譜的檢測器等。

Attila等[15]設計了一臺基底材料是藍寶石的常壓微波等離子體源。裝置利用微帶傳輸線在狹縫間產生等離子體，運行過程中He的流量控制在50～ 1 000 ml/min。該等離子體源可對非金屬如鹵族、硫族元素的特征譜進行檢測分析，其靈敏度高且便于攜帶。遼寧石油化工大學的李麗華等[16]采用微波等離子體炬原子發射光譜法（MPT-AES）測定了鋼中鎳、鉻的含量，測定過程簡單、快速，測定結果與國家標準方法測定結果吻合。

2.2等離子體表面改性技術

等離子體表面處理技術作為一種新興的改性手段，具有無污染、快速、經濟、高效的改變各種材料的表面性能[17]等優點，在材料的表面改性處理方法上有著巨大的優勢和潛能，被廣泛應用于高分子材料和金屬材料等固體的表面改性。等離子體表面處理技術本質上是通過激發氣體形成的等離子體與材料表面進行相互作用，讓材料表面獲得某些物理或化學性能，例如光電性能、氣密性、疏水性、親水性及材料穩定性等[18-19]。

用于材料加工的常壓微波等離子體炬通常屬于局部非平衡等離子體。利物浦大學的Ahmed等[20]設計了基于矩形波導的2.45 GHz低成本常壓微波等離子體炬反應器，在選擇合適的微波功率、氣體類型及流量等工藝參數情況下，可以利用等離子體進行焊接、切割、加工石英和陶瓷等。另外對親水性改性的研究和應用也十分普遍，如紡織品的親水性改性以提高印染性能，金屬表面親水性的提高有利于附著力的提高。Dong等[21]通過提高微波處理頻率和功率可以降低鋁金屬表面的接觸角。實驗結果表明，接觸角可從72.35°減小到36.47°。親水性的提高有利于金屬表面油漆涂層的黏附力的提高，同時通過對材料進行改性可使其適應復雜的工作環境，提高材料使用壽命。

2.3材料制備與合成

常壓微波等離子體技術在材料的制備與合成方面應用最為廣泛，尤其是在納米材料及薄膜的制備領域。在納米材料的制備方面，常壓微波等離子體炬能制備單晶類聚四氟乙烯納米管[22]、納米鋁粉[23]、納米V2O5[24]，具有可見光催化性的單分散納米TiO2[25]等納米級的高純顆粒。如韓國亞洲大學Dong等在O2/Ar/H2氣氛下利用常壓微波等離子體炬進行了分解氣相VOCl3制備納米級五氧化二釩粉末的研究。Ja?ek等[26]利用常壓微波等離子體炬在硅襯底上合成了長為50μm、直徑為15 nm的碳納米管。

在薄膜材料的制備方面，陳飛等[27]利用常壓微波等離子體槍在鈦合金表面成功的制備了一層厚度為1.0μm的類金剛石膜。林江等[28]以氮氣為載氣，在四乙氧基硅烷的硅基底桑沉積了一層平整致密的氧化硅薄膜。

2.4廢物處理與環境保護

隨著社會的進步，低碳經濟綠色環境已經成為一種共識，常壓微波等離子體炬技術因其獨特優勢在廢氣處理、污水處理及固態廢物處理等方面受到了廣泛關注與研究，并顯示出了廣闊的應用前景。

常壓等離子體炬高溫熱解爐處理垃圾在持續的研究和應用中逐漸趨于成熟，對城市生活垃圾和工業垃圾有廣泛的適用性[29-31]。上世紀90年代，該項技術僅被用于一些公司如威爾頓的Startech環境公司和美國Westinghouse公司處理垃圾，隨后日本Eco Valley Utashinai公司進一步證明了該項技術的應用前景，公司利用常壓等離子體炬技術處理城市垃圾，每年可輸出30億瓦特的電能，處理后的垃圾混合物可以作為建筑材料，同時處理垃圾過程中的副產品可轉換為像天然氣一樣的能源。亞特蘭大的Geoplasma公司也籌建了10倍于日本Eco Valley Utashinai公司的垃圾處理廠，日均垃圾處理達2.7× 105kg，每天輸出電量1.6億瓦特[32]。

工業廢氣對環境污染不斷加重，嚴重威脅著人類的健康。解宏端[33]利用常壓微波等離子體炬對含甲苯的空氣進行了凈化處理實驗，發現常壓微波等離子體炬除了可直接有效的對這些廢氣進行處理，還能間接的減少廢氣的排放。解宏瑞利用常壓微波等離子體炬進行了四氟化碳處理研究，其分解率可高達99%以上。

2.5等離子體武器

除了上述應用之外，常壓微波等離子體炬技術在其他軍事領域也起著重要的作用。等離子體武器使發射到空中的超高頻電磁能束或激光束在大氣中聚焦，形成密度和電離度非常高的等離子體區，空襲兵器一旦進入該區域就會在0.1 s內被撕成碎片[34]。等離子體防空武器因有著簡單、攔截率高、容易在瞬間擊中大量目標以及便于運輸等優點，在軍事上具有重要地位。

3　總結

常壓微波等離子體炬技術發展至今，裝置設計及應用發展已取得了很大的進步，然而想要在各領域更好的發揮其優異性能，獲得更好的發展，還必須解決很多相關等離子體源理論和工程實踐問題。如在微波等離子體源的理論設計中如何使獲得高效穩定的微波等離子體炬，進一步提高等離子體的電離密度，使等離子體炬更符合工程要求等；在工程實踐中如何進一步實現利用常壓微波等離子體炬制備、合成及表面處理材料的工業化應用，更有效的利用等離子體改善保護環境等都是常壓微波等離子體炬工業化應用所需要解決的主要問題。但作為一種等離子體源—常壓微波等離子體炬，必將對生產、環境產生更加積極地推動作用。

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RESEARCH AND APPLICATIONOFATMOSPHERIC PRESSUREM ICROWAVE PLASMA TORCH DEVICE

LIU Fan1，2，WENG Jun2，SUN Qi2，WANG Jian-hua2，WANG Qiu-liang1
（1.Institute of electricalengineering chinese academ y of sciences，Beijing100080，China；
2.Province Key Lab of Plasma Chem istry and Advanced Materials，SchoolofMaterial Scienceand Engineering，Wuhan Instituteof Technology，Wuhan430073，China）

A tmospheric pressurem icrowave plasma torch has excellentperformance and aw ide application prospect，the study of atmospheric pressuremicrowave plasma torch device

extensiveattention of the researchersand industry.In this paper，the nature，installation and application of the atmospheric pressurem icrowave plasma torch，were explained briefly.The basic principle of atmospheric pressuremicrowave plasma torch devicewas emphatically elaborated，and the advantages and disadvantages of various deviceswere analyzed.Finally，the application of atmospheric pressure m icrowave plasma torch device and the research direction in the futurewere discussed in detail.

atmospheric pressure；microwave plasma torch；device；application

O539

A

1006-7086（2016）01-0001-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.01.001

2015-11-30

湖北省教育廳項目（Q20151517）

劉繁（1983-），女，湖北仙桃人，講師，從事微波電磁場的計算模擬及等離子體應用領域研究。E-mail：liufan9441@163.com。