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微波等离子体产生及甲烷制氢应用初探

徐晓文

  微波等离子体以其高电离度、高电子温度和电子密度、适用压强范围宽、无内部电极污染等优点在等离子体材料表面处理、薄膜制备、化学气相沉积、刻蚀以及甲烷转化制氢等领域展现出了卓越的应用潜力。与直流放电、交流放电和高频放电产生等离子体方法不同,微波放电不能简单地通过普通的电路传递能量,必须依靠波导元件将微波能量传递并耦合到反应器中产生等离子体。然而,由于目前向等离子体反应器内高效传递微波能量的耦合技术还不成熟,对微波等离子体特性也缺乏了解,加之缺少千瓦级以上的微波等离子体化学反应实验平台,致使许多基于高功率微波等离子体化学反应的实验研究难以进行,严重地阻碍了微波等离子体化学应用技术的发展。因此,建立一套高功率微波等离子体发生实验平台,并在此基础上开展微波等离子体放电特性研究及应用技术探索已变得非常必要。 本文基于电磁场理论,成功地建立了一套微波频率为2.45GHz,主模为TE10模的3kW微波等离子体发生系统。该系统由微波发生单元、等离子体反应器、真空抽气单元、冷却单元和等离子体诊断单元五部分组成,可在微波功率0~3kW、工作气压100Pa~100kPa范围内完成微波等离子体产生、特性及其应用的实验研究,是目前国内少有的专门用于大功率微波等离子体研究的实验平台。 采用垂直和45°角反应器实验研究了微波等离子体的放电特性,结果发现微波电场的最大值出现在微波谐振腔1/4波导波长处,在该处微波等离子体反应器插入的角度对微波等离子体激发出的活性物种种类没有影响,但垂直反应器的发射光谱强度相对较强,说明垂直反应器中产生的活性粒子密度相对较高;在100~1000Pa的工作气压下、微波输入功率仅为150~500W,微波等离子体的电子温度就高达6eV以上,电子密度可达1017/m3以上,随着微波注入功率的增加和气压的降低电子密度甚至超过1018/m3。 以甲烷为反应气体,在垂直微波等离子体反应器中对微波等离子体甲烷制氢方法进行了初步探讨,结果发现甲烷等离子体反应产物中有CH、C、C2、Hα、Hβ等产物的生成,并且氢的含量最大,但反应器中的碳化现象也很严重。……   
[关键词]:微波等离子;激发特性;电子温度;电子密度;制氢
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:大连海事大学2011年