CN109195299B - 一种圆柱表面波等离子体产生装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种圆柱表面波等离子体产生装置，包括依次连接的高频电源(1)、阻抗调节单元(2)、能量传输波导(3)、波导转换器(4)和圆柱形开槽波导(5)，所述的圆柱形开槽波导(5)外壁上嵌套有介质管(6)，所述的圆柱形开槽波导(5)上开有多处狭缝，微波在圆柱形开槽波导(5)的内壁面上形成传导电流，该传导电流在狭缝处被狭缝切断并以位移电流的形式穿越狭缝，位移电流在狭缝处形成的电场辐射入介质管(6)方向使得介质管附近的工作气体电离，并在介质管(6)的外壁周围产生等离子体。与现有技术相比，本发明具有产生的高密度等离子体更具均匀、稳定以及活化基团数量更多等优点。

Description

一种圆柱表面波等离子体产生装置

技术领域

本发明涉及微波技术与天线设计领域，尤其是涉及一种圆柱表面波等离子体产生装置。

背景技术

等离子体作为“物质的第四态”，因其在现代产业中的广泛使用，比如碳纳米管的制备、半导体的加工、材料的表面改性等，使得国内外学者对等离子体源的研究引起极大的关注，与其他等离子体源相比，表面波等离子体源具有能够实现无电极放电放电，无需磁场，设备结构简单，且能够保证生成的等离子体更纯净。

无论是平面表面波还是圆柱表面波，表面波等离子体的尺寸与介质管的尺寸相关、而介质管尺寸又与波导尺寸相关，但波导尺寸往往又决定传输的模式。圆波导内存在众多的传播模式且容易发生极化简并，很难实现单模传输，导致产生的等离子体不够均匀稳定。

专利CN201410489693.5公开了一种表面波等离子体设备，其包括依次相连的微波产生装置、微波传输装置和反应腔室，微波产生装置用于产生形成表面波等离子体的微波；微波传输装置包括波导和狭缝天线，狭缝天线被划分为多个子天线，且每个子天线对应反应腔室的不同区域，子天线的数量和距离由相关波导的波长决定，微波产生装置产生的微波经由各个波导和与相关波导对应的子天线耦合至反应腔室的不同区域。该发明采用的波导与天线的耦合技术，但该技术存在耦合过程中的损耗较大、可能出现间歇性的不稳定状态以及结构复杂的缺点。

发明内容

矩形波导中的模式具有场结构简单、稳定、频带宽和损耗小等特点并且圆波导中的场分布又与矩形波导中的模的场分布很相似，因此本发明可在基于方圆波导转换器的基础上，对圆波导直接进行开槽设计，在工程上实现由矩形波导中模向圆波导中模的过渡，以保证产生的圆柱表面波等离子体的密度更高且更加均匀。同时，本发明的结构能够对圆柱形物体的内表面进行均匀地等离子体加工，这是平面结构源所不能达到的。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种圆柱表面波等离子体产生装置，包括依次连接的高频电源、阻抗调节单元、能量传输波导、波导转换器和圆柱形开槽波导，所述的圆柱形开槽波导外壁上嵌套有介质管，所述的介质管外围套设有反应腔体，所述的介质管外壁与反应腔体的内壁间形成真空空腔，所述的圆柱形开槽波导上开有多处狭缝，所述的高频电源向阻抗调节单元输出微波，阻抗调节单元将微波的功率大小进行调节，之后阻抗调节单元将调节后的微波耦合入能量传输波导中，之后通过能量传输波导传输至波导转换器处并进一步传输至圆柱形开槽波导中，微波在圆柱形开槽波导的壁面上产生表面电流，该表面电流在狭缝处以位移电流的形式穿越狭缝，位移电流在狭缝处形成的电场使得介质管周围的工作气体电离，并在介质管的外壁周围产生等离子体，当等离子体密度足够高时，圆柱形开槽波导上的微波将以表面波的形式沿介质管表面传导，从而在介质管的外壁上形成均匀的表面波离子体。其中工作气体为空气。

进一步地，所述的高频电源的频率为微波波段即300MHz～3THz，就目前商用而言，普遍使用2.45GHz或915MHz。

进一步地，所述的能量传输波导可为矩形波导、圆柱波导或同轴波导中的一种或多种。

进一步地，所述的能量传输波导可为矩形波导。

所述的阻抗调节单元为与能量传输波导的波导形式相对应的阻抗匹配器。

所述的波导转换器为根据使用波导结构，将波导转化为圆形开槽波导的结构，其用于将能量传输波导的主模转换为圆柱形开槽波导的TE₁₁主模。

进一步地，所述的波导转换器依次包括传输段、过渡段和实现段，所述的传输段与能量传输波导连接并且两者的截面相同，传输段的波导类型与能量传输波导相同，所述的实现段与圆柱形开槽波导连接并且两者截面相同，实现段为与圆柱形开槽波导截面相同的圆波导，过渡段为截面渐变的波导，其由与能量传输波导相同的截面渐变为与实现段相同的圆波导截面。

进一步地，所述的狭缝为开设在圆柱形开槽波导壁面上的槽口，该槽口垂直切割圆柱形开槽波导壁面上的表面电流。

进一步地，所述的狭缝为矩形槽口，该矩形槽口的短边平行于圆柱形开槽波导的轴向方向，任意相邻两条垂直于波导径向方向的狭缝的中心间距为半个圆柱形开槽波导的波导波长。任意相邻两条平行波导径向方向的狭缝的边缘间距根据圆波导的内截面直径及狭缝的长度和每圈的个数综合考虑而得。

所述的介质管的材质为石英玻璃、派克拉斯玻璃或氧化铝陶瓷中的一种，其功能除了形成表面波界面，还需在与反应腔壁连接处安装真空密封。

反应腔体右壁开有圆形凹槽，凹槽直径为2r*，根据实际应用情况的需要，该腔壁凹槽可用来固定介质管底部。介质管管口无缝插入腔壁圆孔两端之间的缝槽中，同时与反应腔体的连接处需要使用相关结构进行真空密封，管底既可以垂直沿伸到所述腔壁右壁处的凹槽以固定，也可以悬空，其长度根据实际需要改变。

一种圆柱表面波等离子体产生装置对材料表面进行等离子改性的方法，在介质管外壁与反应腔体的内壁间的真空空腔中设置载料板，将待改性材料固定于载料板上，对反应腔体抽真空，开启高频电源并通过阻抗调节单元调节输出功率，介质管外壁产生表面波等离子体扩散至待改性材料上。

与现有技术相比，本发明使用方便、设备结构相对简单、支出低、性能稳定、参数可调、环境适应性强，产生的等离子体尺寸可观，具有多种实际应用，比如等离子体灭菌、碳纳米管的制备、高聚物的表面改性等，根据不同的具体应用，在保证反应腔体处于真空状态的条件下，通入不同的工作气体，利用三销钉匹配器微调微波源的输入输出功率，能够确保产生的圆柱状表面波等离子体的尺寸、密度、均匀性、稳定性都能较好地达到实际应用的具体要求。

本发明基于波导尺寸的选择、传输模式的转换、狭缝天线的开槽设计三者的协调作用，解决了现有圆柱形波导内由于存在的多模传输、模式的极化简并而引发的表面波放电不均匀不稳定且密度不够高等问题。本发明的有益效果如下：

(1)表面波等离子体在产生方式上能够实现无电极放电且无需磁场，不但设备结构相对简单，而且产生的等离子体更加纯净，活化基团数量较射频等离子体高出许多。

(2)通过对传输波导、波导转换器、圆柱形波导的外观、型号以及尺寸的选择，在工程上容易实现由传输波导中的主模向圆柱形波导中的主模进行过渡。在确保传输波导的主模是单模传输的前提下，也能保证圆柱形开槽波导的主模是单模传输，这样一来，将确保在圆柱形开槽波导的表面进行放电产生的表面波等离子体将更加均匀、更加稳定。

(3)通过对圆柱形波导壁进行开槽设计，耦合出的狭缝天线阵能够比较容易生成且维持临界密度以上的稳定均匀的表面波等离子体。同时，该结构能够对圆柱形物体的内表面进行均匀地等离子体加工，这是平面结构源所不能达到的。

附图说明

图1为本发明中等离子体产生装置的整体结构示意图；

图2是本发明专利优选矩形波导尺寸设计的结构示意图；

图3是本发明专利优选方圆波导转换器结构设计的整体示意图；

图4是本发明专利优选方圆波导转换器尺寸设计的截面示意图；

图5是本发明专利优选圆波导进行表面开槽设计的结构示意图。

图中：1、高频电源，2、阻抗调节单元，3、能量传输波导，4、波导转换器，5、圆柱形开槽波导，6、介质管，10、反应腔体，12、石英观察窗，13、材料基板，14、三销钉匹配器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

圆柱表面波等离子体产生装置包括依次连接的高频电源1、阻抗调节单元2、能量传输波导3、波导转换器4和圆柱形开槽波导5，参见图1，所述的圆柱形开槽波导5外壁上嵌套有介质管6，所述的介质管6的材质为石英玻璃、派克拉斯玻璃或氧化铝陶瓷中的一种。所述的介质管6外围套设有反应腔体10，所述的介质管6外壁与反应腔体10的内壁间形成真空空腔，所述的圆柱形开槽波导5上开有多处狭缝。

高频电源优选为2.45GHz的微波源，以下皆以2.45GHz参数为例，如使用其他频率如915MHz，则相应部件的尺寸需根据频率进行调整即可。就2.45GHz的微波源而言，由光速和工作频率可知，其工作波长约为0.12245m。与本装置中的阻抗调节单元相接，通过调节阻抗调节单元上的三销钉匹配器，将微波能量耦合进能量传输波导。

所述的能量传输波导3优选为矩形波导。该波导的衰减与材料有关，因此优选导电率高的非铁磁材料，使导体表面电阻尽量小。参见图2，当增大波导窄边高度b能使衰减变小，但当b＞a/2时单模工作的频带又会变窄。因此在传播所要求功率时，为保证波导不至于发生击穿，适当地增加波导窄边高度b会增高功率容量。综合上述因素，矩形波导的尺寸优选为a＝86.4mm≈0.7λ,b＝a/2＝43.2mm，虽然矩形波导内也会存在众多模式的波，而此时矩形波导TE₁₀模式的截止波长λ_c＝2a＝0.1728m，且满足max{a,2b}＜λ＜2a，所以矩形波导中只传输TE₁₀模式波。

波导转换器4优选为方-圆波导转换器，其用于将矩形波导3的TE₁₀主模转换为圆柱形开槽波导5的TE₁₁主模。所述的方-圆波导转换器依次包括矩形段、过渡段和圆形段，参见图3，所述的矩形段与能量传输波导3连接并且两者的截面相同，所述的圆形段与圆柱形开槽波导5连接并且两者截面相同，由于圆波导中TE₁₁模式的场分布与矩形波导的TE₁₀模的场分布很相似。基于该转换器，在工程上容易实现将矩形波导中的TE₁₀主模过渡到圆波导中TE₁₁主模，以保证产生的圆柱表面波等离子体的密度更高且更加均匀、稳定。结合仿真，分析方圆波导转换器4的发射系数随过渡段张角变化的关系，并考虑到实际应用的方便，发现波导转换器的轴向长度L不宜过长且依据发射系数越小，参见图4，转换器性能越好的原则。综合考虑之后，优选发射系数

此时对应的L＝95.5mm。当L＝(85.5-100.5)mm时，再次结合转换器的发射系数随轴向长度L变化的仿真关系分析，恰巧当L＝95.5mm时，反射系数取得最小值，转换器的性能最佳，此时相应地d＝8.5mm。为了便于实际应用，需要适当调整直圆波导段的长度以确保圆波导口面的电场极化方向为垂直方向。经过不断地调整，恰巧发现d＝8.5mm时，圆波导口面的电场极化方向为垂直方向。方-圆波导转换器的设计能够较好地实现矩形波导内TE₁₀模式的波向圆波导中TE₁₁模式的波过渡。

介质管为圆柱形，管径为2r*，其外嵌于圆波导，管壁厚度约为10mm，材质为石英玻璃、派克拉斯玻璃或氧化铝陶瓷中的一种，其管口无缝插入腔壁圆孔两端之间的缝槽中，同时与反应腔体10的连接处需要使用相关结构进行真空密封，管底既可以垂直沿伸到所述腔壁右壁处的凹槽以固定，也可以悬空，其长度根据实际需要进行调整。

圆柱形开槽波导5的内截面直径为83.62mm，外截面直径为90.20mm。TE₁₁模式的截止波长λ_c＝3.41r＝0.1425721m，且工作波长满足2.62r＜λ＜3.14r，因此所述圆波导5中只可传输TE₁₁模式的波。

根据圆波导5的面电流分布，可考虑其开槽位置，其原理是通过切断面电流线，迫使狭缝周围的壁电流绕行，大部分的壁电流将以位移电流的形式穿越狭缝，根据波导壁开缝原则可知，狭缝天线在电场强度最大处沿此处场强方向开缝产生的电场强度更大，狭缝天线辐射出的电场强度越大，越容易击穿工作气体产生等离子体。又知圆波导的波导波长为

因此可将狭缝沿圆柱形开槽波导5的外壁上平行分布有4圈，每圈设有5个，狭缝为矩形狭缝，其长边长度为40mm，短边长度为10mm，所述的短边平行于圆柱形开槽波导5的轴向方向，参见图5，任意相邻两条垂直波导径向方向的狭缝的中心间距d＝λ_g/2＝119.5mm，任意相邻两条平行波导径向方向的狭缝的边缘间距d*＝(83.62π-40×5)/5＝12.51mm。因此，狭缝天线的开口方式并不唯一，主要由电磁波的传播频率和相应的波导尺寸所共同决定。

具体工作时，所述的高频电源1向阻抗调节单元2输出微波，阻抗调节单元2将微波的功率大小进行调节，之后阻抗调节单元2将调节后的微波耦合入能量传输波导3中，之后通过能量传输波导3传输至波导转换器4处并进一步传输至圆柱形开槽波导5中，微波在圆柱形开槽波导5的壁面上产生传导电流，传导电流在狭缝处以位移电流的形式穿越狭缝，位移电流在狭缝处形成的电场使得介质管附近的工作气体电离，并在介质管6的外壁周围产生等离子体。当等离子体密度足够高时，微波将以表面波的形式延介质表面传导，从而在整个管壁外侧形成均匀的表面波等离子体。

对材料进行改性时，所述的反应腔体10可以优选为矩形，参见图1，材质为不锈钢，其左壁中央开有直径为93.62mm的圆孔，右壁开有圆形凹槽，凹槽直径为2r*，根据实际应用的具体需要，该腔壁凹槽可用以固定介质管底部。上壁设置石英观察窗，用以观察表面波放电现象并对放电状况实时性地加以调整。在介质管6外壁与反应腔体10的内壁间的真空空腔中设置载料板13，将待改性材料固定于载料板13上，对反应腔体10抽真空，开启高频电源1并通过阻抗调节单元2调节输出功率，介质管6外壁产生等离子体扩散至待改性材料上。利用介质管壁周围产生的高密度且均匀稳定的圆柱状表面波等离子体对材料基板上的材料表面加以有效改性。此外，所述反应腔体10通常与本装置外的抽真空装置以及气路系统相组接。

Claims (5)

1.一种圆柱表面波等离子体产生装置，其特征在于，包括依次连接的高频电源（1）、阻抗调节单元（2）、能量传输波导（3）、波导转换器（4）和圆柱形开槽波导（5），所述的圆柱形开槽波导（5）外壁上嵌套有介质管（6），所述的介质管（6）外围套设有反应腔体（10），所述的介质管（6）外壁与反应腔体（10）的内壁间形成真空空腔，所述的圆柱形开槽波导（5）上开有多处狭缝，所述的高频电源（1）向阻抗调节单元（2）输出微波，阻抗调节单元（2）将微波的功率大小进行调节，之后阻抗调节单元（2）将调节后的微波耦合入能量传输波导（3）中，之后通过能量传输波导（3）传输至波导转换器（4）处并进一步传输至圆柱形开槽波导（5）中，微波在圆柱形开槽波导（5）的壁面上产生表面电流，该表面电流在狭缝处以位移电流的形式穿越狭缝，位移电流在狭缝处形成的电场使得介质管（6）周围的工作气体电离，并在介质管（6）的外壁周围产生等离子体，当等离子体密度足够高时，圆柱形开槽波导（5）上的微波将以表面波的形式沿介质管（6）表面传导，从而在介质管（6）的外壁上形成均匀的表面波离子体；

所述的狭缝为开设在圆柱形开槽波导（5）壁面上的槽口，该槽口垂直切割圆柱形开槽波导（5）壁面上的表面电流，所述的狭缝为矩形槽口，该矩形槽口的短边平行于圆柱形开槽波导（5）的轴向方向，相邻两条垂直于波导径向方向的狭缝的中心间距为半个圆柱形开槽波导（5）的波导波长；

所述的能量传输波导（3）为矩形波导、圆柱波导或同轴波导中的一种或多种，所述的波导转换器（4）用于将能量传输波导（3）的主模转换为圆柱形开槽波导（5）的TE₁₁主模，所述的波导转换器依次包括传输段、过渡段和实现段，所述的传输段与能量传输波导（3）连接并且两者的截面相同，所述的实现段与圆柱形开槽波导（5）连接并且两者截面相同，所述的过渡段为截面渐变的波导，过渡段截面由与传输段相同的截面渐变为与实现段相同的截面。

2.根据权利要求1所述的一种圆柱表面波等离子体产生装置，其特征在于，所述的高频电源的频率为300MHz~3THz。

3.根据权利要求1所述的一种圆柱表面波等离子体产生装置，其特征在于，所述的阻抗调节单元（2）为与能量传输波导（3）的波导形式相对应的阻抗匹配器。

4.根据权利要求1所述的一种圆柱表面波等离子体产生装置，其特征在于，所述的介质管（6）的材质为石英玻璃、派克拉斯玻璃或氧化铝陶瓷中的一种。

5.一种利用权利要求1所述圆柱表面波等离子体产生装置对材料表面进行等离子改性的方法，其特征在于，在介质管（6）外壁与反应腔体（10）的内壁间的真空空腔中设置载料板（13），将待改性材料固定于载料板（13）上，对反应腔体（10）抽真空，开启高频电源（1）并通过阻抗调节单元（2）调节输出功率，介质管（6）外壁产生表面波等离子体并扩散至待改性材料上。

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