专利名称：一种高气压微波等离子体激励装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及微波等离子体技术，特别提供了一种可以稳定激发并维持高气压微波等离子体的装置。
微波等离子体与常规直流电弧、高频等离子体相比，具有无电极污染、等离子体反应活性高、能量利用率高等特点，是进行化学合成、材料表面改性的理想手段。微波等离子体按其工作压力可以分为低气压(小于760Torr)和高气压(大于760Torr)两种。低气压微波等离子体在薄膜沉积、等离子刻蚀等领域已获得了广泛的应用。为满足大规模的等离子体化学合成、发展新型光源的需要，在过去二十年中人们已经发明了多种高气压微波等离子体的激励技术，概括起来主要有以下几种方案(1)电容耦合微波等离子体的激励技术(CMP)；(2)同轴基表面波微波等离子体的激励技术(Surfatron)；(3)波导基表面波微波等离子体的激励技术(Surfaguide)；(4)TM010谐振腔(MIP)微波等离子体的激励技术。
电容耦合微波等离子体激励装置是通过一个空心圆管和置于其中心的棒状电极所组成的电容器，把微波能量耦合给石英管内的气体，使气体电离而形成CMP。但是它必须用高频火花“引燃”才能形成自持的CMP,CMP放电的缺点是微波能的泄漏和内电极的烧蚀。
Surfatron是通过同轴加载间隙电容，形成轴向高场强；外导体有效封闭电磁场能量，间隙顶端的小孔供等离子柱引出，表面波延拓和维持等离子体。该装置虽然没有微波能的泄漏，但是必须借助石英或其它耐高温透波介质管维持等离子体，这对于高吸波介质的等离子体化学合成不利，一旦吸波介质附着在介质管上，等离子体很快熄灭，另外介质管的抗等离子体烧蚀性能也影响等离子体的稳定性，所以等离子体不能长期稳定工作是Surfatron存在的主要问题。
Surfaguide是Surfatron的改进形式，将矩形波导的窄边尽可能缩小或使用重入柱压缩窄边，代替同轴加载电容，通过表面波引发和维持等离子体。与Surfatron相比Surfaguide功能大体相同但具有更大的功率容量。
MIP微波等离子体激励装置是尽可能缩小的微波谐振腔从缩小和积累两个角度来增加场强，并通过介质管的表面波激发和延拓等离子体，一般的MIP装置需要高频火花“引燃”，功率容量也较小。
本实用新型的目的在于提供一种高气压微波等离子体激励装置，其可以在高的气压情况下实现等离子体激励和维持，并且微波能基本不泄漏转换效率高，同时装置本身具有较长的使用寿命。
本实用新型提供了一种高气压微波等离子体激励装置，其特征在于该微波等离子体激励装置由波导-同轴转换机构(1)、透波气体密封窗(2)、带截止段的同轴开路谐振腔(3)和辐射开路同轴腔(4)组成；波导-同轴转换机构(1)同轴线的外导体通过透波气体密封窗(2)与同轴开路谐振腔(3)的外导体相连，波导-同轴转换机构(1)同轴线的内导体通过透波气体密封窗(2)经电容(5)将微波能量耦合给同轴开路谐振腔(3)，辐射开路同轴腔(4)同轴装设于同轴开路谐振腔(3)的内部。
本实用新型中所述透波气体密封窗(2)为一个透波的圆环，镶嵌于波导-同轴转换机构(1)同轴线内外导体之间；所述电容(5)为电容片或围绕同轴开路谐振腔(3)内导体的电容圈；所述同轴开路谐振腔(3)的内导体、同轴开路谐振腔(3)截止端的短路活塞、辐射开路同轴腔(4)的内导体、辐射开路同轴腔(4)截止端的短路活塞均是可调节的。
本实用新型中所述波导-同轴转换机构(1)同轴线的内导体为水冷结构；所述透波气体密封窗(2)的材料选自聚四氟乙烯、尼龙、石英、氮化硼或高纯氧化铝之一种；所述波导-同轴转换机构(1)同轴线经过两次或多次过渡段变换。
本实用新型具有下述特点1．采用波导-同轴转换以及中心内导体水冷措施，提高了装置的功率容量；功率容量可以达到20KW以上2．将等离子体的激发与维持结构有机地结合在一起，一方面避免了常规CMP的电极烧蚀问题，另一方面截止段有效地封闭电磁场，避免了微波能的泄漏，从而可以在不需要外界“引燃”的条件下实现等离子体的激发与维持。
3．采用透波密封窗使得等离子体的工作气体种类可以根据需要任意调整，从而增加了本实用新型的应用范围。
4．由于同轴传输线使用同阻抗变换，使得该馈能结构适合于任意大小的微波谐振腔，同时由于同轴腔具有较宽的频带，本实用新型的设计思想能够适合于米波、分米波和厘米波。
总之，本实用新型是在CMP的基础上，通过波导-同轴转换提高装置的功率容量，将辐射开路同轴腔(4)与带截止段的同轴开路谐振腔(3)有机地结合在一起，辐射开路同轴腔(4)从同轴开路谐振腔(3)中耦合微波能量，利用开路端的间隙电容“引燃”等离子体，同轴开路谐振腔(3)有效地积累微波能量、增强场强，同时截止段有效地封闭电磁场，避免了微波能的泄漏，从而可以在不需要外界“引燃”的条件下实现等离子体的激发与维持。由于本实用新型装置采用波导-同轴转换传输微波能量，将等离子体的激发与维持结合在一起，不需要靠外界高频“引燃”或介质表面波引发和维持等离子体。并带有气体密封结构，所以可以在各种高气压保护气氛、大气体流量、大功率容量的条件下，安全、稳定运行。本实用新型装置可应用于化学合成(如天然气的裂解、臭氧的制备、超细陶瓷粉体的合成等)，材料的表面改性与加工(如薄膜的沉积、金属材料的表面硬化及切削加工)，新型等离子体光源以及等离子体推进器。
以下结合附图通过实施例详述本实用新型。
附
图1为高气压微波等离子体激励装置结构示意图。
附图2为波导-同轴转换机构部分结构示意图。
附图3为透波气体密封窗部分结构示意图。
附图4为辐射开路同轴腔部分结构示意图。
附图5为同轴开路谐振腔部分结构示意图。
实施例1如图1所示，激发装置由波导-同轴转换机构(1)、透波气体密封窗(2)、带截止段的同轴开路谐振腔(3)和辐射开路同轴腔(4)等部分组成。
波导-同轴转换机构(1)的主要功能是将矩形波导传输过渡到同轴线传输，同轴传输内、外导体的尺寸可以根据需要进行放大或缩小，但此时必须有一段过渡段，以保证传输线的阻抗匹配。本装置所有的阻抗匹配设计均采用50欧姆标准阻抗。采用波导-同轴转换后，装置可以在0～20KW的功率范围内工作，等离子体的最高温度可达2000K以上。
透波气体密封窗(2)采用低介电常数的透波介质如聚四氟乙烯、尼龙、石英、氮化硼或高纯氧化铝等作为透波气体密封窗(2)，透波气体密封窗(2)与波导-同轴转换机构(1)同轴线内外导体间的密封，根据所选密封窗材料可以采用压力密封或钎焊密封。为了使透波气体密封窗(2)的引入不影响同轴线的传输性能，在透波气体密封窗(2)的位置也要进行阻抗变换。为保证密封窗的安全、稳定工作，内导体采用水冷以防止高功率工作时内导体温度升高，造成透波气体密封窗(2)的损坏。
由同轴开路谐振腔(3)内外导体和短路活塞构成的带截止段的同轴开路谐振腔(3)是等离子体的维持腔。波导-同轴转换机构(1)同轴传输线的外导体与同轴开路谐振腔(3)的外导体相连，波导-同轴转换机构(1)同轴传输线的内导体通过一个电容片或围绕谐振腔内导体的电容圈将微波能量耦合给同轴开路谐振腔(3)。同轴开路谐振腔(3)内导体的长度决定谐振腔的谐振频率。采用截止同轴开路谐振腔(3)后微波的泄漏最大值不超过0.01mW/cm2。
同轴开路谐振腔(3)内导体同时作为辐射开路同轴腔(4)的外导体与其内部的金属棒和短路活塞构成一个辐射开路同轴腔(4)，辐射开路同轴腔的尺寸也以满足开路谐振条件为准。辐射开路同轴腔(4)的功能是实现微波等离子体的激发，其工作原理与CMP相似。腔体的尺寸应满足开路谐振的条件。
整个装置的工作原理如下波导-同轴转换机构(1)同轴传输线将微波能传输到同轴开路谐振腔(3)，通过短路活塞和内导体的调节使同轴开路谐振腔(3)内充分储能，辐射开路同轴腔(4)通过调节内导体的长度使其谐振频率与微波源频率相同，在开路端的电容间隙引发等离子体，等离子一旦形成即脱离激发腔辐射开路同轴腔(4)，进入同轴开路谐振腔(3)，辐射开路同轴腔(4)自动停止工作，等离子体在同轴开路谐振腔(3)中得到维持。从而避免了类似常规CMP微波等离子体激励装置中电极的烧蚀问题。通过短路活塞和同轴开路谐振腔(3)内导体的调节可以使微波能完全消耗在等离子体上。截止段一方面有效地封闭电磁场，避免了微波能的泄漏，另一方面提高了腔体的品质因数，使得等离子体的激发与维持变得更加容易。
具体地，对于工作频率为2450MHZ的微波，激发装置的尺寸如下d1=10～43mm,d2=23～100mm，考虑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，当密封窗为聚四氟乙烯时d5=4～20mm,d6=14～67mm。其中d1为波导-同轴转换机构(1)原同轴线内导体外径，d2为波导-同轴转换机构(1)原同轴线外导体内径，d3为波导-同轴转换机构(1)转换后同轴线内导体外径，d4为波导-同轴转换机构(1)转换后同轴线外导体内径，δ为同轴转换机构(1)过渡段长度，d7为辐射开路同轴腔(4)的外径，d8为辐射开路同轴腔(4)的内径，l1为辐射开路同轴腔(4)的腔长，d9为同轴开路谐振腔(3)的外径，d10为同轴开路谐振腔(3)的内径，l2为同轴开路谐振腔(3)内导体的长度，l2+l3为同轴开路谐振腔(3)的腔长，d5为透波气体密封窗(2)的内径，d6透波气体密封窗(2)的外径。
实施例2对于工作频率为915MHZ的微波，激发装置的尺寸如下d1=10～108mm,d2=23～250mm，考虑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，当密封窗为聚四氟乙烯时d5=4～20mm,d6=14～67mm。
实施例3对于工作频率为314MHZ的微波，激发装置的尺寸如下d1=10～130mm,d2=23～300mm，考虑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，当密封窗为聚四氟乙烯时d5=4～20mm,d6=14～67mm。
实施例4其他如实施例1，密封窗为氮化硼时d5=4～20mm,d6=21～106mm。
实施例5其他如实施例1，密封窗为石英时d5=4～20mm,d6=17～89mm。
实施例6其他如实施例1，密封窗为氧化铝时d5=4～20mm,d6=47～236mm。
权利要求1.一种高气压微波等离子体激励装置，其特征在于该微波等离子体激励装置由波导一同轴转换机构(1)、透波气体密封窗(2)、带截止段的同轴开路谐振腔(3)和辐射开路同轴腔(4)组成；波导一同轴转换机构(1)同轴线的外导体通过透波气体密封窗(2)与同轴开路谐振腔(3)的外导体相连，波导一同轴转换机构(1)同轴线的内导体通过透波气体密封窗(2)经电容(5)将微波能量耦合给同轴开路谐振腔(3)，辐射开路同轴腔(4)同轴装设于同轴开路谐振腔(3)的内部。
2.按权利要求1所述高气压微波等离子体激励装置，其特征在于透波气体密封窗(2)为一个透波的圆环，镶嵌于波导-同轴转换机构(1)同轴线内外导体之间。
3.按权利要求1所述高气压微波等离子体激励装置，其特征在于所述电容(5)为电容片或围绕同轴开路谐振腔(3)内导体的电容圈。
4.按权利要求2所述高气压微波等离子体激励装置，其特征在于所述同轴开路谐振腔(3)的内导体、同轴开路谐振腔(3)截止端的短路活塞、辐射开路同轴腔(4)的内导体、辐射开路同轴腔(4)截止端的短路活塞均是可调节的。
5.按权利要求1所述高气压微波等离子体激励装置，其特征在于所述波导-同轴转换机构(1)同轴线的内导体为水冷结构。
6.按权利要求1所述高气压微波等离子体激励装置，其特征在于所述波导-同轴转换机构(1)同轴线经过两次或多次过渡段变换。
专利摘要一种高气压微波等离子体激励装置,其特征在于:该微波等离子体激励装置由波导一同轴转换机构、透波气体密封窗、带截止段的同轴开路谐振腔和辐射开路同轴腔组成;波导一同轴转换机构同轴线的外导体通过透波气体密封窗与同轴开路谐振腔的外导体相连,波导一同轴转换机构同轴线的内导体通过透波气体密封窗经电容将微波能量耦合给同轴开路谐振腔,辐射开路同轴腔同轴装设于同轴开路谐振腔的内部。本实用新型可以在高的气压情况下实现等离子体激励和维持,并且微波能基本不泄漏转换效率高,同时装置本身具有较长的使用寿命。
文档编号H05H1/30GK2425475SQ0021186
公开日2001年3月28日 申请日期2000年5月17日 优先权日2000年5月17日
发明者杨永进, 张劲松, 张军旗, 曹小明 申请人:中国科学院金属研究所