專利名稱：狹縫與大縫結(jié)合式微波等離子體反應(yīng)腔的制作方法
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，特別涉及用于產(chǎn)生大面積微波等離子體的反 應(yīng)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計。
背景技術(shù)：
等離子體在新材料、微電子等工業(yè)和生物研究等領(lǐng)域有很強的實用價值，特別是利用 微波激發(fā)等離子體的方式，相對其它的等離子體激發(fā)方式而言，等離子體的存在空間較大， 帶電粒子密度較高，有很大的應(yīng)用拓展空間。特別是大面積(大體積)微波等離子體，在 相關(guān)工業(yè)上的使用價值更高。微波等離子體反應(yīng)腔一般采用單一或混合的微波模式使等離子體團產(chǎn)生于結(jié)構(gòu)不同 的腔體的內(nèi)部，由于結(jié)構(gòu)不同，產(chǎn)生的等離子體的面積也不相同。而現(xiàn)有的用于產(chǎn)生大面 積微波等離子體的反應(yīng)腔，其主要利用了狹縫天線對微波的衍射作用，稱之為狹縫式反應(yīng) 腔。此類微波等離子體反應(yīng)腔的結(jié)構(gòu)及激發(fā)原理如圖1、 2所示，該反應(yīng)腔包括在圓柱 形反應(yīng)腔體12 (目前成熟腔體基本為圓柱形)的外圍環(huán)繞有環(huán)形波導(dǎo)11，在環(huán)形波導(dǎo)和反應(yīng)腔的結(jié)合共有部位28 (環(huán)形波導(dǎo)內(nèi)壁，同時為反應(yīng)腔外壁)，根據(jù)微波波導(dǎo)波長的大小 在環(huán)形波導(dǎo)駐波波節(jié)處分布與之相對應(yīng)的狹縫24 (圖中示出八個狹縫)，每個狹縫位置均 對應(yīng)駐波26的波節(jié)，27為環(huán)形波導(dǎo)中心線；環(huán)形波導(dǎo)外壁29上開有圓孔25。通過狹縫 將環(huán)形波導(dǎo)內(nèi)的微波能量輸入進反應(yīng)腔形成表面波，激發(fā)等離子體。這種反應(yīng)腔產(chǎn)生的等 離子體面積盡管較大，但由于狹縫天線衍射產(chǎn)生的電場主要集中在狹縫附近，在腔體中心 部位電場一般較小，而微波等離子體激發(fā)一般依靠電場作用，因此，在較高氣壓下Ol0 a) 腔體形成的等離子體多集中于狹縫附近，很難在腔體中心部位形成，造成腔內(nèi)等離子體分 布不均勻。這種分布的不均勻，必然會限制微波等離子體的使用價值，因此，研究如何擴 大微波電場的分布使等離子體分布均勻，是十分必要的。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有狹縫式反應(yīng)腔中，電場分布不均勻造成的不足。提出一 種狹縫與大縫結(jié)合式微波等離子體反應(yīng)腔，它在原狹縫式微波等離子體反應(yīng)腔的基礎(chǔ)上進 行了改進，在環(huán)形波導(dǎo)上額外設(shè)計了大縫的結(jié)構(gòu)，使之與狹縫的結(jié)構(gòu)相配合，有效的改善 了電場分布，產(chǎn)生的等離子體更加均勻，.在腔體中心部位也能存在。 本發(fā)明的技術(shù)方案如下包括上下均由可拆卸法蘭密閉的豎直放置空心圓柱形反應(yīng)腔 體，在腔體中部，環(huán)繞有一橫截面為矩形的環(huán)形波導(dǎo)，環(huán)形波導(dǎo)內(nèi)壁與腔體外壁重合；環(huán) 形波導(dǎo)內(nèi)壁上開鑿有與環(huán)形波導(dǎo)內(nèi)駐波波節(jié)數(shù)目對應(yīng)的狹縫，狹縫的位置恰好在駐波波節(jié) 處；環(huán)形波導(dǎo)外壁開有用于與方圓模式轉(zhuǎn)換波導(dǎo)(或者耦合天線)相連的一個通孔(微波 通過模式轉(zhuǎn)換波導(dǎo)從通孔向環(huán)形波導(dǎo)內(nèi)傳輸)；其特征在于，在環(huán)形波導(dǎo)內(nèi)壁上，還開有 大縫，用于在反應(yīng)腔形成中部最大、向外圍逐漸降低的對稱強電場，與狹縫形成的電場互 補，使反應(yīng)腔內(nèi)電場分布均勻。大縫可以開在微波剛進入環(huán)形波導(dǎo)時的首端，也可以開在與之對應(yīng)的末端，也可兩端 均開鑿。該大縫的中心最好處于通孔中心與腔體中心的連線及其延長線上腔體的中心、環(huán)形波導(dǎo)的中心與狹縫及大縫的中心處于同一水平面。上述整個腔體選擇對微波吸收較少的金屬材料制作。本發(fā)明的原理為微波傳輸?shù)倪^程為功率源輸出的微波能，先通過標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)傳 輸，經(jīng)過環(huán)流器、銷釘調(diào)節(jié)器、定向耦合器、短路活塞等標(biāo)準(zhǔn)器件后，通過方圓轉(zhuǎn)換波導(dǎo) 傳入環(huán)形波導(dǎo)，再通過狹縫和大縫進入反應(yīng)腔體形成電場。通過環(huán)形波導(dǎo)內(nèi)壁的狹縫傳輸 入反應(yīng)腔中，使反應(yīng)腔中部的某一平面在狹縫附近形成高電場，由于狹縫為沿反應(yīng)腔外壁 平均分布，則形成的高電場區(qū)域易呈環(huán)狀，且也分布于反應(yīng)腔中該平面的外圍，中心部位 電場很低。微波通過大縫也傳輸入反應(yīng)腔中，在反應(yīng)腔該平面上形成中部最大、向外圍逐 漸降低的對稱強電場，與狹縫形成的電場互補。這種電場與狹縫作用下的電場共同作用， 使腔內(nèi)該平面的整體電場值較高，分布變得均勻，有助于等離子體的均勻激發(fā)和分布。而 大縫形成的這一電場可通過大縫的尺寸與反應(yīng)腔的尺寸、微波頻率等參數(shù)進行配合獲得優(yōu) 化。腔體中狹縫、大縫、環(huán)形波導(dǎo)等的具體尺寸，根據(jù)設(shè)計中環(huán)形波導(dǎo)內(nèi)的駐波數(shù)、微波 傳輸?shù)念l率不同而不同。環(huán)形波導(dǎo)中心線的周長一般為波導(dǎo)內(nèi)駐波波長的整數(shù)倍。環(huán)形波導(dǎo)的橫截面尺寸與傳輸該頻率微波所用的標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)相近。狹縫與大縫的高度一般為環(huán) 形波導(dǎo)高度的一半，大縫的寬度與環(huán)形波導(dǎo)橫截面的寬度接近。具體尺寸可通過電磁學(xué)理 論估算并借助專業(yè)軟件仿真優(yōu)化。本發(fā)明的創(chuàng)新之處在于提出狹縫與大縫相配合的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)，必然可使反應(yīng)腔內(nèi) 電場分布的均勻性提高，彌補僅含有狹縫結(jié)構(gòu)的反應(yīng)腔體的不足。在實際應(yīng)用中，只要環(huán) 形波導(dǎo)內(nèi)壁上開鑿的大縫的中心位置在通孔中心與腔體中心(腔體水平放置時，該中心為 與通孔中心同水平面的腔體軸心)的連線及其延長線上，或者大縫中心位置與該連線及其 延長線的水平或垂直距離在半個駐波波長內(nèi)，大縫形狀一般為矩形，也可為圓形、橢圓等 對稱結(jié)構(gòu)，都能使整體電場分布得到明顯改善。本發(fā)明的腔體的尺寸設(shè)計、狹縫的個數(shù)選擇、微波傳輸器件的選取等屬成熟技術(shù)，并 非本專利需要保護內(nèi)容。
本發(fā)明的有益效果本發(fā)明以己有的狹縫微波等離子體反應(yīng)腔為基礎(chǔ)，在環(huán)形波導(dǎo)的內(nèi)壁上，又額外設(shè)置 一種大縫的結(jié)構(gòu)，通過狹縫和大縫的共同作用，使反應(yīng)腔內(nèi)電場分布均勻，等離子體團分 布范圍擴大，有助于工業(yè)應(yīng)用。


圖1是普通8狹縫式反應(yīng)腔的外觀示意圖。圖2是普通8狹縫式反應(yīng)腔中心平面的剖面圖。圖3是本發(fā)明的實施例中反應(yīng)腔中心平面的剖面圖。 圖4是本實施例的反應(yīng)腔內(nèi)電場作用原理圖。圖5是實施例通過電腦計算得出的反應(yīng)腔內(nèi)電場效果圖及普通8狹縫式反應(yīng)腔內(nèi)電場 效果圖；其中(a)為普通8狹縫式反應(yīng)腔內(nèi)電場效果圖，(b)為本實施例的反應(yīng)腔內(nèi)電場效果圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。 本發(fā)明提出的狹縫與大縫結(jié)合式微波等離子體反應(yīng)腔的一個實施例結(jié)構(gòu)如圖3所示。 在本實施例中以2.45GHz微波頻率輸入，反應(yīng)腔體32為豎直放置的空心圓柱形，上下均 山可拆卸法蘭密閉(圖中未示出)。在腔體中部，環(huán)繞有一橫截面為矩形的環(huán)形波導(dǎo)31， 環(huán)形波導(dǎo)內(nèi)壁38與反應(yīng)腔體外壁重合；環(huán)形波導(dǎo)內(nèi)壁上開鑿有與環(huán)形波導(dǎo)內(nèi)四個駐波的 波節(jié)數(shù)目對應(yīng)的八個狹縫34，狹縫的位置恰好在駐波波節(jié)處；環(huán)形波導(dǎo)31外壁開有一通 孔35，該通孔與方圓模式轉(zhuǎn)換波導(dǎo)(或者耦合天線)相連，微波通過模式轉(zhuǎn)換波導(dǎo)從通孔 向環(huán)形波導(dǎo)內(nèi)傳輸；在環(huán)形波導(dǎo)31的末端還開有大縫33。圓柱形反應(yīng)腔體32及環(huán)形波導(dǎo) 31由黃銅制造。本實施例的環(huán)形波導(dǎo)的橫截面為矩形，且其與微波傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)(WR430)橫 截面尺寸相似。在環(huán)形波導(dǎo)內(nèi)，微波以TEu)模式傳播，經(jīng)計算，駐波波長約為15.5cm， 對應(yīng)環(huán)形波導(dǎo)中心線周長在62cm左右，因此環(huán)形波導(dǎo)的平均直徑約為20cm。反應(yīng)腔直徑 約在13 14cm之間，狹縫高100mm寬15mm，大縫高100mm寬50mm。本實施例的反應(yīng)腔內(nèi)電場作用原理如圖4所示，圖中，環(huán)形波導(dǎo)41內(nèi)的微波將通過 狹縫44以TEw模式46進入反應(yīng)腔42中。而由于反應(yīng)腔直徑的限制，通過大縫43進入反 應(yīng)腔42中的微波模式主要為TEn、 TM(H等低次軸對稱模47，高次模大部分被截止，不能 進入腔體，因此，在腔體內(nèi)將形成TEn、 TM(H以及TE4,模式為主的混合模，而TE41模在 狹縫44附近形成較強電場，并向腔中心處遞減，TEU、 TM(H模式在腔體中心處形成較強 電場，并向外遞減，幾種電場的疊加，恰好使整體電場更加均勻。圖5為電腦計算反應(yīng)腔內(nèi)電場效果圖，其中(a)為普通八狹縫式反應(yīng)腔的效果圖，(b) 為本實施例的反應(yīng)腔效果圖。對比普通八狹縫式反應(yīng)腔和本實施例的兩縫結(jié)合的反應(yīng)腔， 可明顯看出發(fā)明的結(jié)構(gòu)對腔內(nèi)電場的改善作用。大縫和狹縫結(jié)合腔體中，相關(guān)尺寸經(jīng)過仿 真優(yōu)化后，大縫與其兩側(cè)的狹縫部分重合，在圖中表現(xiàn)為一個大縫和六個狹縫。從圖中看 出，在僅有八個狹縫的普通大面積微波等離子體腔體中，電場的高值區(qū)域(圖中用灰色的 深淺表示電場值的高低)集中在狹縫附近以及環(huán)形波導(dǎo)內(nèi)，不利于腔體中心部位等離子體 的獲得，而本發(fā)明的大縫和狹縫結(jié)合的腔體結(jié)構(gòu)，得到的電場高值區(qū)域在整個腔體內(nèi)，且 腔體內(nèi)電場分布均勻，2/3以上的面積區(qū)域電場差別在30%內(nèi)，有助于獲得相對均勻的等 離子體。同時，環(huán)形波導(dǎo)內(nèi)電場較低，能量向腔內(nèi)的轉(zhuǎn)換效率較高。該實施例指出了兩種縫配合的腔體結(jié)構(gòu)對電場的改善作用，這種結(jié)構(gòu)有利于均勻等離 子體的獲得。利用這種組合的原理，可設(shè)計不同狹縫個數(shù)與大縫組合的腔體結(jié)構(gòu)。由于縫 隙個數(shù)、腔體尺寸均可變化，產(chǎn)生的電場模式與實例并不一定相同，但只要反應(yīng)腔中的綜 合電場是依靠狹縫與大縫產(chǎn)生的電場的疊加效應(yīng)使其均勻性得到改善，應(yīng)屬于本發(fā)明涵蓋 的結(jié)構(gòu)范圍。
權(quán)利要求
1、一種狹縫與大縫結(jié)合式微波等離子體反應(yīng)腔，包括上下均由可拆卸法蘭密閉的豎直放置空心圓柱形反應(yīng)腔體，在腔體中部，環(huán)繞有一橫截面為矩形的環(huán)形波導(dǎo)，環(huán)形波導(dǎo)內(nèi)壁與腔體外壁重合；環(huán)形波導(dǎo)內(nèi)壁上開鑿有與環(huán)形波導(dǎo)內(nèi)駐波波節(jié)數(shù)目對應(yīng)的狹縫，狹縫的位置在駐波波節(jié)處；環(huán)形波導(dǎo)外壁開有用于與方圓模式轉(zhuǎn)換波導(dǎo)或者耦合天線相連的一個通孔；其特征在于，在環(huán)形波導(dǎo)內(nèi)壁上，還開有大縫，用于在反應(yīng)腔形成中部最大、向外圍逐漸降低的對稱強電場，與狹縫形成的電場互補，使反應(yīng)腔內(nèi)電場分布均勻。
2、 如權(quán)利要求1所述反應(yīng)腔，其特征在于，該大縫開在微波剛進入環(huán)形波導(dǎo)時的首 端，或開在與之對應(yīng)的末端，或兩端均開有大縫；該大縫的中心處于通孔中心與腔體中心 的連線及其延長線上。
3、 如權(quán)利要求1所述反應(yīng)腔，其特征在于，該大縫形狀為矩形、圓形或橢圓形對稱 結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及狹縫與大縫結(jié)合式微波等離子體反應(yīng)腔，屬于微波等離子體激發(fā)技術(shù)領(lǐng)域，該反應(yīng)包括上下均由可拆卸法蘭密閉的豎直放置空心圓柱形反應(yīng)腔體，在腔體中部，環(huán)繞有一橫截面為矩形的環(huán)形波導(dǎo)，環(huán)形波導(dǎo)內(nèi)壁與腔體外壁重合；環(huán)形波導(dǎo)內(nèi)壁上開鑿有與環(huán)形波導(dǎo)內(nèi)駐波波節(jié)數(shù)目對應(yīng)的狹縫，狹縫的位置在駐波波節(jié)處；環(huán)形波導(dǎo)外壁開有用于與方圓模式轉(zhuǎn)換波導(dǎo)或者耦合天線相連的一個通孔；其特征在于，在環(huán)形波導(dǎo)內(nèi)壁上，開有一大縫，用于在反應(yīng)腔形成中部最大、向外圍逐漸降低的對稱強電場，與狹縫形成的電場互補，使反應(yīng)腔內(nèi)電場分布均勻。本發(fā)明有效的改善了電場分布，產(chǎn)生的等離子體更加均勻，在腔體中心部位也能存在。
文檔編號H05H1/46GK101119609SQ20071012165
公開日2008年2月6日 申請日期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 申請人:清華大學(xué)