本发明涉及等离子体发生装置领域，具体涉及一种基于同轴的箭镞型结构的微波冷等离子体发生装置。
背景技术：
1、等离子体是由电子、离子、自由基、光子以及其他中性粒子组成。其中电子、离子和自由基是活性粒子，非常容易和其他固体物质的表面发生反应，等离子处理就是利用了这个特性来进行的。等离子体被视为物质除固态、液态、气态之外存在的第四种形态。等离子态的激发需要满足一定条件，比如一定的低压(真空)、一定的电场或温度等。等离子体按照温度分类可分为高温等离子体和低温等离子体。高温等离子体的温度可以从一两百度到上万度，等离子体射流本身温度高，而与固相接触碰撞后会让表面温度更高，这类等离子只适合处理陶瓷、金属等耐热材料。低温等离子体温度可控制在接近常温，适合处理塑料、硅胶、芯片等不耐热材料。
2、微波是等离子体产生的方法之一，微波等离子体相比于其他传统的等离子体具有基底温度低、微波发生器稳定易控、微波放电高效、安全性素高﹑等离子体安静等优点，其等离子体发生室和处理室可分合，工艺灵活。大气压微波等离子体射流由于其具有气体温度适中、系统稳定、成本较低等优势。广泛应用于材料表面清洁与蚀刻、污水处理、聚合物材料表面改性、创口消毒以及癌细胞处理等多种不同的领域。其中，等离子体射流的活性自由基与高能粒子会显著影响应用的效果。目前国内在微波等离子体技术的研究上有不少进展，但是离商业化还是有不小距离。
3、常压微波等离子体射流已经有了一定的研究，例如现有技术中，常压微波等离子体设备主要包括两种结构，第一种是矩形波导结构，其结构大多采用矩形波导作为等离子体激发区域。矩形波导左端设有微波馈入口，用于馈入微波，右端设有金属屏蔽板，使入射和反射波在矩形波导内形成驻波，陶瓷管上下贯穿矩形波导，通过微波激发陶瓷管内的反应气体从而产生微波等离子体；第二种是等离子体炬结构，该结构通常利用圆柱形的圆柱状腔构成的谐振腔，有聚焦电场的优势，实现微波能量在待激发区聚集通过压缩波导产生较大电场，用高压探针进行尖端放电，等离子体与圆柱形的谐振腔形成了同轴结构，持续通入气体，一方面维持等离子体的气体成分，一方面带动等离子体定向流出，同时气体带走大量热量，起到散热的作用。
4、但在上述两种结构中，自点火、等离子体维持和安全方面还存在以下问题：需要更高的微波功率才能激发形成等离子体；等离子体能量转换效率方面不高；常压等离子体炬不稳定，甚至在严苛的条件下等离子体难以维持；合成物料杂质较多，尤其是点火时需要金属丝“点火”，容易引入污染物；同时由于等离子体包含大量的自由电子，因此，等离子体的导电性极强，等离子体发生器产生等离子体后，高密度的柱形等离子体作为电磁能量传导介质，相当于“天线”，会向外辐射电磁波，现有技术未对微波辐射进行控制，长期使用不安全。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种基于同轴的箭镞型结构的微波冷等离子体发生装置，该发生装置通过设置锥形空腔的外导体筒套与具有箭头部的内导体进行结合，以解决现有技术中自点火实现困难，难以制备得到低温等离子体的问题。
2、本发明实施例通过下述技术方案实现：
3、本发明实施例提供一种基于同轴的箭镞型结构的微波冷等离子体发生装置，包括：
4、外导体筒套，设置为等离子体发生区域的外围结构，其内部包括连通设置的柱形空腔和锥形空腔，外导体筒套内部能够接通气源；
5、内导体，设置在外导体筒套内，且与外导体筒套同轴设置，内导体与外导体筒套之间形成有环状间隙，内导体用于传输微波能量到锥形空腔区域；
6、其中，内导体包括柱状部和箭头部，柱状部一端接通微波源，且另一端与箭头部的尖端相对侧连接，柱状部用于将微波源的微波能量传输给箭头部；
7、柱状部位于柱形空腔内，箭头部位于锥形空腔内；
8、箭头部的尖端设置在锥形空腔的尖端侧，锥形空腔的尖端侧的外导体筒套上设置有发射孔，箭头部的尖端端面低于发射孔的端面，发射孔设置为将冷等离子体发射到外导体筒套的外部环境中；
9、锥形空腔设置为将微波能量中的电场汇聚在箭头部的尖端处，使箭头部的尖端处的电场强度增加，实现自点火激发气源产生等离子体。
10、进一步地，外导体筒套包括柱形筒套和锥形筒套，柱形空腔位于柱形筒套内，锥形空腔位于锥形筒套内，柱形筒套的顶部与锥形筒套的底部可拆卸连接；
11、柱形空腔的直径与锥形空腔的最大直径相等。
12、进一步地，外导体筒套内设置有限位机构，限位机构设置为将内导体与外导体筒套同轴限位。
13、进一步地，柱形筒套内设置有环形槽，限位机构为限位垫片，限位垫片设置在环形槽内，限位垫片与外导体筒套同轴设置；
14、限位垫片中心设置有通孔，柱状部贯穿通孔，箭头部位于限位垫片的上方；限位垫片上设置有若干通气孔，通气孔用于将限位垫片下方的空腔中的气源流通到限位垫片上方的空腔中。
15、进一步地，柱状部包括轴向连接的下外接部和上内接部，下外接部连接有微波源连接机构，通孔的直径大于上内接部的直径且小于下外接部的外径；
16、箭头部包括轴向连接的尖端部和连接部，连接部为开口向下的中空结构，柱状部的上内接部可插入中空结构内；
17、上内接部设置为贯穿通孔后插入中空结构内，将限位垫片固定在柱状部与箭头部的连接处；
18、连接部的外径大于通孔的直径。
19、进一步地，当限位垫片固定在柱状部与箭头部的连接处时，下外接部的上端面与限位垫片的底部贴合，且连接部的下端面与限位垫片的上端贴合；
20、上内接部与连接部螺纹连接。
21、进一步地，微波源连接机构包括第一连接端和第二连接端，第一连接端与第二连接端之间设置有安装板，安装板与柱形筒套的底部通过若干螺栓机构固定连接；
22、第一连接端贯穿柱形筒套底部，且与柱状部的下外接部连接，安装板和第二连接端设置在柱形筒套的外侧，第二连接端用于接通微波源。
23、进一步地，柱形筒套底部设置有进气组件，进气组件连通柱形空腔，进气组件设置为其外侧连通气源管道，并将气源管道中的气源输送到柱形空腔内；
24、通过进气组件输送的气源首次进入柱形空腔内的流动方向为水平方向。
25、进一步地，外导体筒套的上方设置有阻隔机构，阻隔机构设置为在发射孔处阻止微波通过，且允许气体流通，防止微波能量在激发等离子体后泄露。
26、进一步地，阻隔机构包括四个阻隔块，相邻两个阻隔块之间存在间隙，四个阻隔块围合成椎体结构，椎体结构的直径从下到上逐渐减小，椎体结构设置有中心通道，中心通道设置为连通发射孔和外部环境，中心通道与发射孔同轴设置。
27、本发明实施例与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
28、1、本发明实施例提供的发生装置，外导体筒套是等离子体发生区域的外围结构，内部设置有柱形空腔和锥形空腔，用于接通气源，内导体与外导体筒套同轴设置，它们之间形成的环状间隙是微波能量转换为电场的关键区域，内导体负责将微波能量从微波源传输到锥形空腔区域。
29、当微波在柱形空腔和锥形空腔中传播时，由于空腔的尺寸和形状，微波会在空腔内形成驻波，驻波的腹点在锥形空腔的尖端处，有利于等离子体的产生。柱状部位于柱形空腔内，将微波源的能量传输到箭头部，柱状部有助于维持微波能量的有效传输，并确保能量在到达箭头部之前不会过多地衰减。箭头部位于锥形空腔内，其尖端是等离子体产生的关键区域，箭头部使得电场在尖端处集中，从而在该区域产生高电场强度，便于击穿气体并形成等离子体。
30、由于箭头部的设置位置与锥形空腔对应，即锥形空腔的尖端侧与箭头部的尖端侧对应，保证了电场能量的有效传递和集中，使得等离子体的发生可以在较低的微波功率下实现，实现自点火激发所述气源产生等离子体，提高了能效。
31、同时，锥形空腔的结构有助于控制等离子体的形态和射流长度，使其更加均匀和稳定。此外，由于箭头尖端低于发射孔的端面，有助于防止等离子体直接与装置的某些部分接触，从而保护装置并确保等离子体的稳定产生。
32、2、本发明实施例提供的外导体筒套包括柱形筒套和锥形筒套，柱形筒套内部形成柱形空腔，用于容纳内导体的柱状部，并为微波能量的传输提供通道；锥形筒套内部形成锥形空腔，有助于电场的聚焦，尤其是在箭头尖端附近，有助于等离子体的激发。
33、3、本发明实施例设置的限位机构保证了内导体和外导体筒套的同轴位置的稳定性，限位机构可以为限位垫片，与柱形筒套的环形槽配合，实现可拆卸的稳定连接，限位垫片上设置有若干通气孔，不仅确保了内导体的正确位置和同轴度，还保证了不影响气体在环状间隙中的流通。
34、4、本发明实施例在发射孔处设置阻隔器，相当于一个截止波导，它利用了波导中电磁波的截止频率原理，在截止频率以下，电磁波无法在波导中传播，因此可以实现对微波的截止。在等离子体发生装置中，即使在等离子体激发后，装置也能有效地防止微波能量的泄露，从而提高了操作的安全性。
35、5、本发明实施例中的气源从单一进气组件进入等离子体发生装置，且与微波源连接机构的输入端的位置相近。在实际使用时，可以将气体管路和微波源的电缆捆绑在一起，形成一根牵引线，且同侧设置不会时管路或者电缆弯折，该结构不仅使得装置更加整洁，而且也便于操作人员进行移动和定位，提高了操作的便利性。
36、总体而言，本发明的实施例提供的一种基于同轴的箭镞型结构的微波冷等离子体发生装置，通过设置锥形空腔的外导体筒套与具有箭头部的内导体进行结合，将箭头部的尖端设置为低于锥形空腔的尖端，在同轴的终端形成了锥形腔体的同时采用了独特的箭镞型内导体结构，不阻挡内部气体流通的同时，提高同轴终端的电场强度，便于低功率自激发工作气体产生等离子体。
1.一种基于同轴的箭镞型结构的微波冷等离子体发生装置，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种基于同轴的箭镞型结构的微波冷等离子体发生装置，其特征在于，所述外导体筒套(100)包括柱形筒套(104)和锥形筒套(105)，所述柱形空腔(101)位于所述柱形筒套(104)内，所述锥形空腔(102)位于所述锥形筒套(105)内，所述柱形筒套(104)的顶部与所述锥形筒套(105)的底部可拆卸连接；
3.根据权利要求2所述的一种基于同轴的箭镞型结构的微波冷等离子体发生装置，其特征在于，所述外导体筒套(100)内设置有限位机构(300)，所述限位机构(300)设置为将所述内导体(200)与所述外导体筒套(100)同轴限位。
4.根据权利要求3所述的一种基于同轴的箭镞型结构的微波冷等离子体发生装置，其特征在于，所述柱形筒套(104)内设置有环形槽(106)，所述限位机构(300)为限位垫片(301)，所述限位垫片(301)设置在所述环形槽(106)内，所述限位垫片(301)与所述外导体筒套(100)同轴设置；
5.根据权利要求4所述的一种基于同轴的箭镞型结构的微波冷等离子体发生装置，其特征在于，所述柱状部(201)包括轴向连接的下外接部(203)和上内接部(204)，所述下外接部(203)连接有微波源连接机构(400)，所述通孔(302)的直径大于所述上内接部(204)的直径且小于所述下外接部(203)的外径；
6.根据权利要求5所述的一种基于同轴的箭镞型结构的微波冷等离子体发生装置，其特征在于，当所述限位垫片(301)固定在所述柱状部(201)与箭头部(202)的连接处时，所述下外接部(203)的上端面与所述限位垫片(301)的底部贴合，且所述连接部(206)的下端面与所述限位垫片(301)的上端贴合；
7.根据权利要求5所述的一种基于同轴的箭镞型结构的微波冷等离子体发生装置，其特征在于，所述微波源连接机构(400)包括第一连接端(401)和第二连接端(402)，所述第一连接端(401)与所述第二连接端(402)之间设置有安装板(403)，所述安装板(403)与所述柱形筒套(104)的底部通过若干螺栓机构(404)固定连接；
8.根据权利要求7所述的一种基于同轴的箭镞型结构的微波冷等离子体发生装置，其特征在于，所述柱形筒套(104)底部设置有进气组件(500)，所述进气组件(500)连通所述柱形空腔(101)，所述进气组件(500)设置为其外侧连通气源管道，并将气源管道中的气源输送到所述柱形空腔(101)内；
9.根据权利要求1所述的一种基于同轴的箭镞型结构的微波冷等离子体发生装置，其特征在于，所述外导体筒套(100)的上方设置有阻隔机构(600)，所述阻隔机构(600)设置为在所述发射孔(103)处阻止微波通过，且允许气体流通，防止微波能量在激发等离子体后泄露。
10.根据权利要求9所述的一种基于同轴的箭镞型结构的微波冷等离子体发生装置，其特征在于，所述阻隔机构(600)包括四个阻隔块(601)，相邻两个阻隔块(601)之间存在间隙，四个所述阻隔块(601)围合成椎体结构，所述椎体结构的直径从下到上逐渐减小，所述椎体结构设置有中心通道(602)，所述中心通道(602)设置为连通所述发射孔(103)和外部环境，所述中心通道(602)与所述发射孔(103)同轴设置。
