專利名稱：一種高氣壓微波等離子體激勵裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及微波等離子體技術，特別提供了一種可以穩(wěn)定激發(fā)并維持高氣壓微波等離子體的裝置。
微波等離子體與常規(guī)直流電弧、高頻等離子體相比，具有無電極污染、等離子體反應活性高、能量利用率高等特點，是進行化學合成、材料表面改性的理想手段。微波等離子體按其工作壓力可以分為低氣壓(小于760Torr)和高氣壓(大于760Torr)兩種。低氣壓微波等離子體在薄膜沉積、等離子刻蝕等領域已獲得了廣泛的應用。為滿足大規(guī)模的等離子體化學合成、發(fā)展新型光源的需要，在過去二十年中人們已經發(fā)明了多種高氣壓微波等離子體的激勵技術，概括起來主要有以下幾種方案(1)電容耦合微波等離子體的激勵技術(CMP)；(2)同軸基表面波微波等離子體的激勵技術(Surfatron)；(3)波導基表面波微波等離子體的激勵技術(Surfaguide)；(4)TM010諧振腔(MIP)微波等離子體的激勵技術。
電容耦合微波等離子體激勵裝置是通過一個空心圓管和置于其中心的棒狀電極所組成的電容器，把微波能量耦合給石英管內的氣體，使氣體電離而形成CMP。但是它必須用高頻火花“引燃”才能形成自持的CMP,CMP放電的缺點是微波能的泄漏和內電極的燒蝕。
Surfatron是通過同軸加載間隙電容，形成軸向高場強；外導體有效封閉電磁場能量，間隙頂端的小孔供等離子柱引出，表面波延拓和維持等離子體。該裝置雖然沒有微波能的泄漏，但是必須借助石英或其它耐高溫透波介質管維持等離子體，這對于高吸波介質的等離子體化學合成不利，一旦吸波介質附著在介質管上，等離子體很快熄滅，另外介質管的抗等離子體燒蝕性能也影響等離子體的穩(wěn)定性，所以等離子體不能長期穩(wěn)定工作是Surfatron存在的主要問題。
Surfaguide是Surfatron的改進形式，將矩形波導的窄邊盡可能縮小或使用重入柱壓縮窄邊，代替同軸加載電容，通過表面波引發(fā)和維持等離子體。與Surfatron相比Surfaguide功能大體相同但具有更大的功率容量。
MIP微波等離子體激勵裝置是盡可能縮小的微波諧振腔從縮小和積累兩個角度來增加場強，并通過介質管的表面波激發(fā)和延拓等離子體，一般的MIP裝置需要高頻火花“引燃”，功率容量也較小。
本發(fā)明的目的在于提供一種高氣壓微波等離子體激勵裝置，其可以在高的氣壓情況下實現等離子體激勵和維持，并且微波能基本不泄漏轉換效率高，同時裝置本身具有較長的使用壽命。
本發(fā)明提供了一種高氣壓微波等離子體激勵裝置，其特征在于該微波等離子體激勵裝置由波導一同軸轉換機構(1)、透波氣體密封窗(2)、帶截止段的同軸開路諧振腔(3)和輻射開路同軸腔(4)組成；波導-同軸轉換機構(1)同軸線的外導體通過透波氣體密封窗(2)與同軸開路諧振腔(3)的外導體相連，波導-同軸轉換機構(1)同軸線的內導體通過透波氣體密封窗(2)經電容(5)將微波能量耦合給同軸開路諧振腔(3)，輻射開路同軸腔(4)同軸裝設于同軸開路諧振腔(3)的內部。
本發(fā)明中所述透波氣體密封窗(2)為一個透波的圓環(huán)，鑲嵌于波導一同軸轉換機構(1)同軸線內外導體之間；所述電容(5)為電容片或圍繞同軸開路諧振腔(3)內導體的電容圈；所述同軸開路諧振腔(3)的內導體、同軸開路諧振腔(3)截止端的短路活塞、輻射開路同軸腔(4)的內導體、輻射開路同軸腔(4)截止端的短路活塞均是可調節(jié)的。
本發(fā)明中所述波導-同軸轉換機構(1)同軸線的內導體為水冷結構；所述透波氣體密封窗(2)的材料選自聚四氟乙烯、尼龍、石英、氮化硼或高純氧化鋁之一種；所述波導-同軸轉換機構(1)同軸線經過兩次或多次過渡段變換。
本發(fā)明具有下述特點1．采用波導-同軸轉換以及中心內導體水冷措施，提高了裝置的功率容量；功率容量可以達到20KW以上2．將等離子體的激發(fā)與維持結構有機地結合在一起，一方面避免了常規(guī)CMP的電極燒蝕問題，另一方面截止段有效地封閉電磁場，避免了微波能的泄漏，從而可以在不需要外界“引燃”的條件下實現等離子體的激發(fā)與維持。
3．采用透波密封窗使得等離子體的工作氣體種類可以根據需要任意調整，從而增加了本發(fā)明的應用范圍。
4．由于同軸傳輸線使用同阻抗變換，使得該饋能結構適合于任意大小的微波諧振腔，同時由于同軸腔具有較寬的頻帶，本發(fā)明的設計思想能夠適合于米波、分米波和厘米波。
總之，本發(fā)明是在CMP的基礎上，通過波導一同軸轉換提高裝置的功率容量，將輻射開路同軸腔(4)與帶截止段的同軸開路諧振腔(3)有機地結合在一起，輻射開路同軸腔(4)從同軸開路諧振腔(3)中耦合微波能量，利用開路端的間隙電容“引燃”等離子體，同軸開路諧振腔(3)有效地積累微波能量、增強場強，同時截止段有效地封閉電磁場，避免了微波能的泄漏，從而可以在不需要外界“引燃”的條件下實現等離子體的激發(fā)與維持。由于本發(fā)明裝置采用波導-同軸轉換傳輸微波能量，將等離子體的激發(fā)與維持結合在一起，不需要靠外界高頻“引燃”或介質表面波引發(fā)和維持等離子體，并帶有氣體密封結構，所以可以在各種高氣壓保護氣氛、大氣體流量、大功率容量的條件下，安全、穩(wěn)定運行。本發(fā)明裝置可應用于化學合成(如天然氣的裂解、臭氧的制備、超細陶瓷粉體的合成等)，材料的表面改性與加工(如薄膜的沉積、金屬材料的表面硬化及切削加工)，新型等離子體光源以及等離子體推進器。下面結合附圖通過實施例詳述本發(fā)明。
附

圖1為高氣壓微波等離子體激勵裝置結構示意圖。
附圖2為波導一同軸轉換機構部分結構示意圖。
附圖3為透波氣體密封窗部分結構示意圖。
附圖4為輻射開路同軸腔部分結構示意圖。
附圖5為同軸開路諧振腔部分結構示意圖。
實施例1如圖1所示，激發(fā)裝置由波導-同軸轉換機構(1)、透波氣體密封窗(2)、帶截止段的同軸開路諧振腔(3)和輻射開路同軸腔(4)等部分組成。
波導一同軸轉換機構(1)的主要功能是將矩形波導傳輸過渡到同軸線傳輸，同軸傳輸內、外導體的尺寸可以根據需要進行放大或縮小，但此時必須有一段過渡段，以保證傳輸線的阻抗匹配。本裝置所有的阻抗匹配設計均采用50歐姆標準阻抗。采用波導-同軸轉換后，裝置可以在0～20KW的功率范圍內工作，等離子體的最高溫度可達2000K以上。
透波氣體密封窗(2)采用低介電常數的透波介質如聚四氟乙烯、尼龍、石英、氮化硼或高純氧化鋁等作為透波氣體密封窗(2)，透波氣體密封窗(2)與波導-同軸轉換機構(1)同軸線內外導體間的密封，根據所選密封窗材料可以采用壓力密封或釬焊密封。為了使透波氣體密封窗(2)的引入不影響同軸線的傳輸性能，在透波氣體密封窗(2)的位置也要進行阻抗變換。為保證密封窗的安全、穩(wěn)定工作，內導體采用水冷以防止高功率工作時內導體溫度升高，造成透波氣體密封窗(2)的損壞。
由同軸開路諧振腔(3)內外導體和短路活塞構成的帶截止段的同軸開路諧振腔(3)是等離子體的維持腔。波導-同軸轉換機構(1)同軸傳輸錢的外導體與同軸開路諧振腔(3)的外導體相連，波導一同軸轉換機構(1)同軸傳輸線的內導體通過一個電容片或圍繞諧振腔內導體的電容圈將微波能量耦合給同軸開路諧振腔(3)。同軸開路諧振腔(3)內導體的長度決定諧振腔的諧振頻率。采用截止同軸開路諧振腔(3)后微波的泄漏最大值不超過0.01mW/cm2。
同軸開路諧振腔(3)內導體同時作為輻射開路同軸腔(4)的外導體與其內部的金屬棒和短路活塞構成一個輻射開路同軸腔(4)，輻射開路同軸腔的尺寸也以滿足開路諧振條件為準。輻射開路同軸腔(4)的功能是實現微波等離子體的激發(fā)，其工作原理與CMP相似。腔體的尺寸應滿足開路諧振的條件。
整個裝置的工作原理如下波導-同軸轉換機構(1)同軸傳輸線將微波能傳輸到同軸開路諧振腔(3)，通過短路活塞和內導體的調節(jié)使同軸開路諧振腔(3)內充分儲能，輻射開路同軸腔(4)通過調節(jié)內導體的長度使其諧振頻率與微波源頻率相同，在開路端的電容間隙引發(fā)等離子體，等離子一旦形成即脫離激發(fā)腔輻射開路同軸腔(4)，進入同軸開路諧振腔(3)，輻射開路同軸腔(4)自動停止工作，等離子體在同軸開路諧振腔(3)中得到維持。從而避免了類似常規(guī)CMP微波等離子體激勵裝置中電極的燒蝕問題。通過短路活塞和同軸開路諧振腔(3)內導體的調節(jié)可以使微波能完全消耗在等離子體上。截止段一方面有效地封閉電磁場，避免了微波能的泄漏，另一方面提高了腔體的品質因數，使得等離子體的激發(fā)與維持變得更加容易。
具體地，對于工作頻率為2450MHZ的微波，激發(fā)裝置的尺寸如下d1=10～43mm,d2=23～100mm，考慮到密封窗的制作方便通常取d3=6～20mm,d4=13～46mm,δ=10～30mm,d7=4～39mm,d8=2～17mm,d9=10～90mm,d10=5～40mm,l1=30.6～150mm,l2=30.6～150mm,l3=40～80mm，當密封窗為聚四氟乙烯時d5=4～20mm,d6=14～67mm。其中d1為波導-同軸轉換機構(1)原同軸線內導體外徑，d2為波導-同軸轉換機構(1)原同軸線外導體內徑，d3為波導-同軸轉換機構(1)轉換后同軸線內導體外徑，d4為波導-同軸轉換機構(1)轉換后同軸線外導體內徑，δ為同軸轉換機構(1)過渡段長度，d7為輻射開路同軸腔(4)的外徑，d8為輻射開路同軸腔(4)的內徑，l1為輻射開路同軸腔(4)的腔長，d9為同軸開路諧振腔(3)的外徑，d10為同軸開路諧振腔(3)的內徑，l2為同軸開路諧振腔(3)內導體的長度，l2+l3為同軸開路諧振腔(3)的腔長，d5為透波氣體密封窗(2)的內徑，d6透波氣體密封窗(2)的外徑。
實施例2對于工作頻率為915MHZ的微波，激發(fā)裝置的尺寸如下d1=10～108mm,d2=23～250mm，考慮到密封窗的制作方便通常取d3=6～20mm,d4=13～46mm,δ=10～50mm,d7=7～107mm,d8=3～47mm,d9=23～250mm,d10=10～108mm,l1=80～200mm,l2=80～200mm,l3=80～250mm，當密封窗為聚四氟乙烯時d5=4～20mm,d6=14～67mm。
實施例3對于工作頻率為314MHZ的微波，激發(fā)裝置的尺寸如下d1=10～130mm,d2=23～300mm，考慮到密封窗的制作方便通常取d3=6～20mm,d4=13～46mm,δ=10～80mm,d7=7～128mm,d8=3～127mm,d9=23～300mm,d10=10～130mm,l1=140～600mm,l2=240～450mm,l3=240～500mm，當密封窗為聚四氟乙烯時d5=4～20mm,d6=14～67mm。
實施例4其他如實施例1，密封窗為氮化硼時d5=4～20mm,d6=21～106mm。
實施例5其他如實施例1，密封窗為石英時d5=4～20mm,d6=17～89mm。
實施例6其他如實施例1，密封窗為氧化鋁時d5=4～20mm,d6=47～236mm。
權利要求
1.一種高氣壓微波等離子體激勵裝置，其特征在于該微波等離子體激勵裝置由波導-同軸轉換機構(1)、透波氣體密封窗(2)、帶截止段的同軸開路諧振腔(3)和輻射開路同軸腔(4)組成；波導-同軸轉換機構(1)同軸線的外導體通過透波氣體密封窗(2)與同軸開路諧振腔(3)的外導體相連，波導-同軸轉換機構(1)同軸線的內導體通過透波氣體密封窗(2)經電容(5)將微波能量耦合給同軸開路諧振腔(3)，輻射開路同軸腔(4)同軸裝設于同軸開路諧振腔(3)的內部。
2.按權利要求1所述高氣壓微波等離子體激勵裝置，其特征在于透波氣體密封窗(2)為一個透波的圓環(huán)，鑲嵌于波導-同軸轉換機構(1)同軸線內外導體之間。
3.按權利要求1所述高氣壓微波等離子體激勵裝置，其特征在于所述電容(5)為電容片或圍繞同軸開路諧振腔(3)內導體的電容圈。
4.按權利要求2所述高氣壓微波等離子體激勵裝置，其特征在于所述同軸開路諧振腔(3)的內導體、同軸開路諧振腔(3)截止端的短路活塞、輻射開路同軸腔(4)的內導體、輻射開路同軸腔(4)截止端的短路活塞均是可調節(jié)的。
5.按權利要求1所述高氣壓微波等離子體激勵裝置，其特征在于所述波導-同軸轉換機構(1)同軸線的內導體為水冷結構。
6.按權利要求1所述高氣壓微波等離子體激勵裝置，其特征在于所述透波氣體密封窗(2)的材料選自聚四氟乙烯、尼龍、石英、氮化硼或高純氧化鋁之一種。
7.按權利要求1所述高氣壓微波等離子體激勵裝置，其特征在于所述波導-同軸轉換機構(1)同軸線經過兩次或多次過渡段變換。
8.按權利要求4所述高氣壓微波等離子體激勵裝置，其特征在于對于工作頻率為2450MHZ的微波，激發(fā)裝置的尺寸如下d1=10～43mm,d2=23～100mm,d3=6～20mm,d4=13～46mmδ=10～30mm,d7=4～39mm,d8=2～17mm,d9=10～90mm d10=5～40mm,l1=30.6～150mm,l2=30.6～150mm,l3=40～80mm；其中d1為波導-同軸轉換機構(1)原同軸線內導體外徑，d2為波導-同軸轉換機構(1)原同軸線外導體內徑，d3為波導-同軸轉換機構(1)轉換后同軸線內導體外徑，d4為波導-同軸轉換機構(1)轉換后同軸線外導體內徑，δ為同軸轉換機構(1)過渡段長度，d7為輻射開路同軸腔(4)的外徑，d8為輻射開路同軸腔(4)的內徑，l1為輻射開路同軸腔(4)的腔長，d9為同軸開路諧振腔(3)的外徑，d10為同軸開路諧振腔(3)的內徑，l2為同軸開路諧振腔(3)內導體的長度，l2+l3為同軸開路諧振腔(3)的腔長。
9.權利要求8所述高氣壓微波等離子體激勵裝置，其特征在于當密封窗為聚四氟乙烯時d5=4～20mm,d6=14～67mm；其中d5為透波氣體密封窗(2)的內徑，d6透波氣體密封窗(2)的外徑。
10.按權利要求8所述高氣壓微波等離子體激勵裝置，其特征在于當密封窗為氮化硼時d5=4～20mm,d6=21～106mm；其中d5為透波氣體密封窗(2)的內徑，d6透波氣體密封窗(2)的外徑。
11.按權利要求8所述高氣壓微波等離子體激勵裝置，其特征在于當密封窗為石英時d5=4～20mm,d6=17～89mm；其中d5為透波氣體密封窗(2)的內徑，d6透波氣體密封窗(2)的外徑。
12.按權利要求8所述高氣壓微波等離子體激勵裝置，其特征在于當密封窗為氧化鋁時d5=4～20mm,d6=47～236mm；其中d5為透波氣體密封窗(2)的內徑，d6透波氣體密封窗(2)的外徑。
13.按權利要求4所述高氣壓微波等離子體激勵裝置，其特征在于對于工作頻率為915MHZ的微波，激發(fā)裝置的尺寸如下d1=10～108mm,d2=23～250mm,d3=6～20mm,d4=13～46mm,δ=10～50mm,d7=7～107mm,d8=3～47mm,d9=23～250mm,d10=10～108mm,l1=80～200mm,l2=80～200mm,l3=80～250mm；其中d1為波導-同軸轉換機構(1)原同軸線內導體外徑，d2為波導-同軸轉換機構(1)原同軸線外導體內徑，d3為波導-同軸轉換機構(1)轉換后同軸線內導體外徑，d4為波導-同軸轉換機構(1)轉換后同軸線外導體內徑，δ為同軸轉換機構(1)過渡段長度，d7為輻射開路同軸腔(4)的外徑，d8為輻射開路同軸腔(4)的內徑，l1為輻射開路同軸腔(4)的腔長，d9為同軸開路諧振腔(3)的外徑，d10為同軸開路諧振腔(3)的內徑，l2為同軸開路諧振腔(3)內導體的長度，l2+l3為同軸開路諧振腔(3)的腔長。
14.按權利要求13所述高氣壓微波等離子體激勵裝置，其特征在于當密封窗為聚四氟乙烯時d5=4～20mm,d6=14～67mm；其中d5為透波氣體密封窗(2)的內徑，d6透波氣體密封窗(2)的外徑。
15.按權利要求14所述高氣壓微波等離子體激勵裝置，其特征在于對于工作頻率為314MHZ的微波，激發(fā)裝置的尺寸如下d1=10～130mm,d2=23～300mm,d3=6～20mm,d4=13～46mm,δ=10～80mm,d7=7～128mm,d8=3～127mm,d9=23～300mm,d10=10～130mm,l3=140～600mm,l2=240～450mm,l3=240～500mm；其中d1為波導-同軸轉換機構(1)原同軸線內導體外徑，d2為波導-同軸轉換機構(1)原同軸線外導體內徑，d3為波導-同軸轉換機構(1)轉換后同軸線內導體外徑，d4為波導-同軸轉換機構(1)轉換后同軸線外導體內徑，δ為同軸轉換機構(1)過渡段長度，d7為輻射開路同軸腔(4)的外徑，d8為輻射開路同軸腔(4)的內徑，l1為輻射開路同軸腔(4)的腔長，d9為同軸開路諧振腔(3)的外徑，d10為同軸開路諧振腔(3)的內徑，l2為同軸開路諧振腔(3)內導體的長度，l2+l3為同軸開路諧振腔(3)的腔長。
16.按權利要求15所述高氣壓微波等離子體激勵裝置，其特征在于當密封窗為聚四氟乙烯時d5=4～20mm,d6=14～67mm；其中d5為透波氣體密封窗(2)的內徑，d6透波氣體密封窗(2)的外徑。
17.權利要求1所述高氣壓微波等離子體激勵裝置，用于化學合成，材料的表面改性與加工，新型等離子體光源以及空間飛行器的離子體推進器。
全文摘要
一種高氣壓微波等離子體激勵裝置,其特征在于:該微波等離子體激勵裝置由波導—同軸轉換機構、透波氣體密封窗、帶截止段的同軸開路諧振腔和輻射開路同軸腔組成;波導—同軸轉換機構同軸線的外導體通過透波氣體密封窗與同軸開路諧振腔的外導體相連,波導—同軸轉換機構同軸線的內導體通過透波氣體密封窗經電容將微波能量耦合給同軸開路諧振腔,輻射開路同軸腔同軸裝設于同軸開路諧振腔的內部。本發(fā)明可以在高的氣壓情況下實現等離子體激勵和維持,并且微波能基本不泄漏轉換效率高,同時裝置本身具有較長的使用壽命。
文檔編號H05H1/46GK1324207SQ0011042
公開日2001年11月28日 申請日期2000年5月17日 優(yōu)先權日2000年5月17日
發(fā)明者楊永進, 張勁松, 張軍旗, 曹小明 申請人:中國科學院金屬研究所