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微波等离子体具有诸多优异的特性,具有广阔的应用前景。目前微波等离子体应用的最大瓶颈是设计具有高品质因素的微波等离子体谐振腔,而微波谐振腔的研制是对麦克斯韦方程组求解为基础。与其它求解方法相比,数值计算法在谐振腔的设计过程中具有独特的优势,能极大地提高研制效率。本论文在比较多种数值计算法的基础上,利用有限元软件HFSS分别对大面积微波等离子体谐振腔和常压微波等离子体炬谐振腔进行计算和模拟。主要工作包括:
1、在大面积多模谐振腔模式互补设想的基础上,计算了满足主模和次模同时存在的谐振腔直径与长度必须满足的范围。利用有限元软件HFSS对装置中天线尺寸及短路活塞的位置等因素对谐振腔内微波电场分布和微波能量耦合效率的影响作出了系统研究,结果表明:采用多模传输的同轴天线更利于微波能量的耦合;适当大小的喇叭天线角度以及合适的短路活塞位置有利于谐振腔内微波电场的集中。在此基础上研制出直径为400mm的微波谐振腔,产生的微波等离子体直径达150mm,并用该装置成功制备直径为100mm的金刚石膜。
2、建立了常见的矩形表面波装置的模型。在确定狭缝宽度范围的基础上,计算了等功率辐射微波能量的狭缝天线阵。分别研究了表面波装置中石英玻璃板的厚度和介电常数对表面波模式和强度的影响。发现石英玻璃板过厚、介电常数较大和较小都不利于表面波的激发。提出了多路耦合的设想,在模拟的基础上研制出了满足工业化应用需要的面积为1.1×1.4 m2的六路耦合表面波等离子体装置。
3、为获得大面积微波等离子体,建立了环形狭缝圆柱形谐振腔的计算模型。讨论了环形波导的波导波长、波导曲率半径等参数与模式分布的关系。在此基础上,设计出了环形波导H面的狭缝天线阵,对不同结构的狭缝天线阵情况下谐振腔内的电场分布进行了模拟。结果表明:同相位狭缝天线阵更利于大面积等离子体的产生。通过对环形波导及狭缝天线等影响因素的系统研究,设计出了直径为250mm的大面积微波等离子体谐振腔。
4、设计了一种具有特殊天线结构的常压微波等离子体炬装置,并对宽壁中心开孔的矩形谐振腔、耦合天线的结构和位置、短路活塞的位置进行了模拟和优化,成功获得了稳定的微波等离子体炬。