微波等离子体产生及甲烷制氢应用初探

【摘要】：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
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TN015;O53
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第1章 绪论11-19
• 1.1 课题的研究背景11-16
• 1.1.1 微波等离子体概述11-12
• 1.1.2 微波等离子体的基本参量12
• 1.1.3 微波等离子体的诊断方法12-15
• 1.1.4 微波等离子体源的研究现状15-16
• 1.2 课题的研究意义16-17
• 1.3 本文研究内容17-19
• 第2章 微波等离子体产生原理与实验系统的建立19-35
• 2.1 微波等离子体的产生原理19-21
• 2.1.1 微波产生等离子体的物理过程19-20
• 2.1.2 微波与等离子体的相互作用20-21
• 2.2 微波等离子体试验系统的建立21-28
• 2.2.1 微波源的工作原理21
• 2.2.2 矩形波导微波场分布理论21-24
• 2.2.3 微波激励等离子体实验系统的建立24-28
• 2.3 发射光谱法诊断等离子体电子激发温度原理28-30
• 2.3.1 发射光谱简介28-29
• 2.3.2 发射光谱法诊断原理29-30
• 2.4 朗缪尔(Langmuir)探针法诊断等离子体电子温度和电子密度30-34
• 2.4.1 朗缪尔(Langmuir)探针法诊断原理30-31
• 2.4.2 双探针法诊断原理31-32
• 2.4.3 探针的制作过程32-33
• 2.4.4 双探针法诊断装置及诊断过程33-34
• 2.5 本章小结34-35
• 第3章 微波等离子体的特性研究35-58
• 3.1 微波等离子体的光谱特性35-36
• 3.1.1 氮气等离子体的光谱特性35-36
• 3.1.2 氩气等离子体的光谱特性36
• 3.2 反应腔结构对微波激励等离子体的影响36-40
• 3.2.1 短路活塞位置对微波激励等离子体的影响37-39
• 3.2.2 反应腔结构对微波等离子体的影响39-40
• 3.3 微波功率和工作气压对微波激励等离子体的影响40-45
• 3.3.1 微波输入功率对微波激励等离子体的影响40-42
• 3.3.2 气压对微波等离子体的影响42-45
• 3.4 氩气微波等离子体离子光谱激发特性研究45-50
• 3.4.1 氩气微波等离子体中离子激发情况46
• 3.4.2 氩气微波等离子体光谱强度的变化46-50
• 3.5 发射光谱法诊断微波等离子体电子激发温度实验结果与分析50-52
• 3.5.1 发射光谱法诊断氩等离子体50
• 3.5.2 发射光谱诊断试验结果与分析50-52
• 3.6 双探针法诊断微波等离子体电子温度和电子密度实验结果与分析52-56
• 3.6.1 微波输入功率对电子温度和电子密度的影响52-54
• 3.6.2 工作气压对电子温度和电子密度的影响54-56
• 3.7 本章小结56-58
• 第4章 微波等离子体甲烷制氢实验探讨58-65
• 4.1 引言58-59
• 4.2 微波等离子体甲烷制氢反应机理探讨59-60
• 4.2.1 甲烷等离子体状态59
• 4.2.2 氢气等离子体状态59-60
• 4.2.3 微波等离子体甲烷制氢的自由基反应机理60
• 4.3 微波等离子体甲烷制氢实验过程60-61
• 4.4 微波等离子体甲烷制氢实验结果与分析61-63
• 4.4.1 微波等离子体甲烷制氢产物分析61-62
• 4.4.2 微波输入功率对甲烷制氢结果的影响62-63
• 4.4.3 气压对甲烷制氢结果的影响63
• 4.5 本章小结63-65
• 第五章 结论与展望65-67
• 5.1 结论65-66
• 5.2 展望66-67
• 参考文献67-73
• 攻读学位期间公开发表论文73-74
• 致谢74

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