專利名稱：降低微波等離子體激發(fā)難度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微波等離子體激發(fā)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及微波等離子體的激發(fā)方法。
技術(shù)背景等離子體在新材料、微電子工業(yè)和生物研究等領(lǐng)域有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值，特別是利用微 波激發(fā)等離子體的方式，相對(duì)其它的等離子體激發(fā)方式而言，在高氣壓下(>104Pa)等離 子體的存在范圍可以控制的較大，帶電粒子密度較高，維持相對(duì)容易，有很大的應(yīng)用拓展 空間。目前，在低氣壓環(huán)境下(〈104Pa)微波等離子體的獲得和應(yīng)用技術(shù)已逐步成熟，但 在高氣壓或大氣壓領(lǐng)域，僅有利用微波等離子體炬獲得等離子體的方法相對(duì)成熟，但這種 方法獲得的等離子體體積有限，不適合工業(yè)的需要。而采用體積較大的微波反應(yīng)腔激發(fā)等 離子體，固然可以保證等離子體的體積，但由于相關(guān)研究仍處于初級(jí)階段，現(xiàn)有腔體品質(zhì) 因數(shù)較低，目前較理想的腔體激發(fā)大氣壓下的氬氣并形成等離子體團(tuán)也需要2 kW微波輸 入，激發(fā)氬氣一空氣混合氣體一般也需要4 kW以上，激發(fā)大氣壓下的空氣則需要更高的 能量，限制了腔體的應(yīng)用。因此有效降低這種微波反應(yīng)腔中等離子體的激發(fā)難度，既節(jié)約 能源，也對(duì)該行業(yè)的發(fā)展有一定的幫助。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種降低微波等離子體激發(fā)難度的 方法，采用噴氣電離管向微波反應(yīng)腔內(nèi)噴入一定的電離氣體、再通過微波功率源向腔內(nèi)輸 入微波能量的方法，有效地降低高氣壓下腔內(nèi)等離子體的激發(fā)難度。該方法通過向腔內(nèi)持續(xù)通入電離后的氣體，使腔內(nèi)部分粒子帶電，更易誘發(fā)受微波電 場(chǎng)作用的中性氣體電離，使氣體放電更容易，從而在較低的微波能量輸入下，獲得微波等 離子體。該方法對(duì)較低氣壓下的微波等離子體激發(fā)同樣有效。本發(fā)明的降低微波等離子體激發(fā)難度的方法，其特征在于，包括以下步驟1) 在普通的微波反應(yīng)腔中，插入噴氣電離管；在電離管內(nèi)通入工作氣體；2) 對(duì)噴氣電離管逐漸加大電壓直至氣體放電，使噴氣電離管產(chǎn)生電離流；3) 調(diào)節(jié)噴氣電離管的工作電壓使電離流被吹到反應(yīng)腔內(nèi)的高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域；4) 向反應(yīng)腔內(nèi)逐步加入微波能，直至等離子體團(tuán)激發(fā)；5) 調(diào)整微波能以維持等離子體，關(guān)閉噴氣電離管的電壓。上述噴氣電離管所用電源一般可為10 30kHz交流電，工作氣體一般可選用易電離的
氦氣或氬氣。本發(fā)明所述噴氣電離管的制作屬于本領(lǐng)域的技術(shù)人員的成熟技術(shù)，具體結(jié)構(gòu)及制作方 法在此不予詳述。本發(fā)明的特點(diǎn)及有益效果本發(fā)明的創(chuàng)新之處在于將噴氣電離管插入微波等離子體反應(yīng)腔中，噴氣管產(chǎn)生的電離 氣流易誘發(fā)其它中性氣體電離；且噴氣電離管使腔內(nèi)原電場(chǎng)產(chǎn)生畸變使局部部位場(chǎng)強(qiáng)極 高，放電更容易。因此，在電離管作用下用較小的微波輸入即可有效激發(fā)微波等離子體。本發(fā)明可使普通微波等離子體反應(yīng)腔在高氣壓或大氣壓下激發(fā)等離子體的難度降低， 對(duì)微波等離子體的實(shí)際應(yīng)用有促進(jìn)作用。在實(shí)際中，若采用其它可噴出電離流的設(shè)備來降低微波等離子體激發(fā)難度的方法，也 應(yīng)視為與本發(fā)明方法相同予以保護(hù)。


圖1是為本發(fā)明采用的噴氣電離管的示意圖。 圖2是本發(fā)明方法的反應(yīng)腔的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本項(xiàng)發(fā)明作進(jìn)一步說明。本實(shí)施例采用的電離管的結(jié)構(gòu)為同軸電極式，如圖1所示，其組成包括絕緣進(jìn)氣嘴 管4與內(nèi)電極2相連，內(nèi)電極2下端為實(shí)心金屬棒，上端空心并開有氣孔5，其外套有絕 緣密閉層7，使氣體穿過它們進(jìn)入同軸電極區(qū)域，外電極1為空心金屬圓柱體套在內(nèi)電極 下部外，兩電極間距一般不超過lcm，在兩電極間，有一介質(zhì)阻擋層3。其中，內(nèi)電極通 過電源接頭8與電源相連，外電極接地。噴氣電離管的作用方式為工作氣體通過絕緣的進(jìn)氣嘴4進(jìn)入內(nèi)電極2，再通過內(nèi)電 極上的氣孔5進(jìn)入同軸的內(nèi)外電極間，受電場(chǎng)作用激發(fā)，產(chǎn)生等離子體，由于這種等離子 體是在外電極l (直徑20mm)、內(nèi)電極2和介質(zhì)阻擋層3共同作用下產(chǎn)生，被稱作介質(zhì)阻 擋放電等離子體。由于氣流的作用，該等離子體流、即電離流6被吹出電極間的反應(yīng)區(qū)域， 進(jìn)入微波反應(yīng)腔體。本實(shí)施例采用已有的體積較大的微波反應(yīng)腔，其組成結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括噴氣電 離管21插入反應(yīng)腔20中，腔體上端兩個(gè)氣體輸入氣嘴22和下端兩個(gè)氣體輸出氣嘴28， 側(cè)上方的觀察孔23用以安放攝像頭，觀察等離子體的激發(fā)狀況。在激發(fā)腔的下端有一可 拆卸式圓盤天線27，必要時(shí)可用它調(diào)節(jié)激發(fā)腔的諧振情況。環(huán)形波導(dǎo)25的入口 24接標(biāo)準(zhǔn) 的方圓轉(zhuǎn)換波導(dǎo)，微波能量通過縫隙天線26進(jìn)入反應(yīng)腔內(nèi)部。本實(shí)施例的方法，包括以下步驟1) 首先將噴氣電離管插入上述反應(yīng)腔體的一端部，在電離管內(nèi)通入氦氣或氬氣；2) 開啟電源并對(duì)噴氣電離管逐漸加大電壓直至氣體放電，使噴氣電離管產(chǎn)生電離流， 并在工作氣流的作用下吹到反應(yīng)腔中；3) 調(diào)節(jié)噴氣電離管的工作電壓(噴氣電離管電離流的強(qiáng)度和長(zhǎng)度與外加電源電壓、 氣體流量等參數(shù)有關(guān)，可根據(jù)需要進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整)，使電離流能到達(dá)反應(yīng)腔內(nèi)的高場(chǎng)強(qiáng)區(qū) 域(該高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域先通過探頭測(cè)量確定)；4) 在噴氣電離管工作10秒后，向反應(yīng)腔內(nèi)逐步加入微波能，直至等離子體團(tuán)激發(fā)；5) 調(diào)整微波能以維持等離子體，關(guān)閉噴氣電離管上電壓。這種方法用較低的微波功率即可順利獲得等離子體，但該等離子體的面積、均勻性與 反應(yīng)腔性質(zhì)有關(guān)。對(duì)于不同的反應(yīng)腔體，該種方法均有效。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，采用本方法的微波反應(yīng)腔，能順利得到大氣壓下開放的氦氣-空氣混合 氣體以及氬氣-空氣混合氣體的微波等離子體團(tuán)，所需要的能量分別為3.5 kW和1.6 kW。 目前未在文獻(xiàn)中看到有在開放環(huán)境中獲得此類等離子體的報(bào)道。根據(jù)輸入氣體(氦氣、氬 氣)的不同，采用該方法相比直接用微波激發(fā)所節(jié)約的微波能比例也不盡相同，但均能有 效降低獲得等離子體的難度。
權(quán)利要求
1、一種降低微波等離子體激發(fā)難度的方法，其特征在于，包括以下步驟1)在普通的微波反應(yīng)腔中，插入噴氣電離管；在電離管內(nèi)通入工作氣體；2)對(duì)噴氣電離管逐漸加大電壓直至氣體放電，使噴氣電離管產(chǎn)生電離流；3)調(diào)節(jié)噴氣電離管的工作電壓使電離流被吹到反應(yīng)腔內(nèi)的高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域；4)向反應(yīng)腔內(nèi)逐步加入微波能，直至等離子體團(tuán)激發(fā)；5)調(diào)整微波能以維持等離子體，關(guān)閉噴氣電離管的電壓。
全文摘要
本發(fā)明涉及降低微波等離子體激發(fā)難度的方法，屬于微波等離子體激發(fā)技術(shù)領(lǐng)域，本方法包括；在普通的微波反應(yīng)腔中，插入噴氣電離管；在電離管內(nèi)通入工作氣體；對(duì)噴氣電離管逐漸加大電壓直至氣體放電，使噴氣電離管產(chǎn)生電離流；調(diào)節(jié)噴氣電離管的工作電壓使電離流被吹到反應(yīng)腔內(nèi)的高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域；向反應(yīng)腔內(nèi)逐步加入微波能，直至等離子體團(tuán)激發(fā)；調(diào)整微波能以維持等離子體，關(guān)閉噴氣電離管的電壓。本發(fā)明可使普通微波等離子體反應(yīng)腔在高氣壓或大氣壓下激發(fā)等離子體的難度降低，對(duì)微波等離子體的實(shí)際應(yīng)用有促進(jìn)作用。
文檔編號(hào)H05H1/30GK101119608SQ20071012165
公開日2008年2月6日 申請(qǐng)日期2007年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月12日
發(fā)明者劍 馮, 亮 劉, 張貴新 申請(qǐng)人:清華大學(xué)