微波等离子体因粒子活性大、温度低、密度高和体积大等优点,且容易控制,具有广泛的应用前景,如:汽车发动机的微波点火(微波点火)、等离子体冶金、等离子炬化学元素探测、有机物表面处理和医学杀菌消毒等领域。但目前实验室常见的微波等离子体设备,绝大部分都是基于连续波磁控管的微波源(平均功率千瓦级)技术,因结构复杂和体积庞大,难以得到规模化的应用。为了解决的这一技术难题,本文对微波等离子体应用技术进行了研究,以实现微波等离子体设备小型化和轻量化。微波同轴传输线因结构简单、损耗小等特点得到了广泛应用。基于同轴谐振器的等离子体放电装置,可以以很低的馈入功率在其开口端获得较高的电场强度。为了与日趋成熟的微波固态源技术相配合,本文基于传输线理论,设计了新型调频和调谐结构的微波装置,一方面可以在腔体的开口端产生较高的电场强度,灵活地调整其谐振频率和反射系数;另一方面可以与微波固态源配合构建全自动的微波等离子体系统。本文设计了汽车发动机的微波火花塞装置和大气常压下小型微波等离子体炬装置,完成了样品的加工,搭建了测试系统并完成了相关实验,探索了微波等离子体技术的实用性。本文主要研究工作和创新点如下:1.微波点火:(a)设计了电、磁两种耦合方式馈电的微波火花塞,并且建立了微波电路的等效电路模型;(b)对影响微波火花塞性能的参数进行了研究,分别是谐振频率和电场强度。影响谐振频率的参数包括介质的厚度、介电常数、馈电的位置以及中心导体的直径;影响电场强度的参数包括:中心导体和外导体的放电端结构;(c)通过实验发现:电场强度越高,模拟气缸内产生的峰值压力越高,燃烧效率越高;另外,燃烧过程中产生的等离子体火核与中心导体结构直接相关,中心导体越大,等离了体火核越大,但对燃烧传播速度的影响有限;对比了电耦合和磁耦合火花塞的实验结果,发现同样电场强度下,电耦合火花塞一定程度上比磁耦合火花塞燃烧更充分。2.微波等离子体炬:研制了小型化的超宽带宽(30MHz)全自动大气压微波等离子体炬(CMPT)装置,工作中心频率为2.45GHz,设计了可以分别调节频率与反射系数的离子炬结构。首次搭建了全自动微波等离子体炬系统,通过实验研究了气体流量和微波功率对氩气等离子体射流尺寸等参数的影响;同时运用CMPT对有机玻璃(PMMA)表面进行改性处理,原子力显微镜和接触角测量仪结果显示:电场强度越大,被处理的PMMA表面越粗糙,水与有机物表面的接触角越小,表面改性越明显。3.研究微波与等离子体耦合问题:这一问题一直是阻碍实现微波等离子体规模化应用的难题,因为等离子体产生以后,整个谐振腔体的负载性能发生改变,随着微波源与等离子的耦合变差,系统效率下降;本文把等离子体看成一种有损耗的介质负载,作为等离子体炬整体的一部分,通过仿真计算得出同轴谐振器频点的漂移规律,其结果与实验数据整体趋势一致。本文所取得的研究成果为实现微波等离子体装置的小型化奠定了基础。