專利名稱：一種等離子體發(fā)生裝置和產(chǎn)生等離子體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及等離子體技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種等離子體發(fā)生裝置和產(chǎn)生等離子 體的方法。
背景技術(shù)：
目前，等離子體源在材料表面改性、有害氣體處理、電磁波傳播的動態(tài)控制、科學(xué)研究等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用價值，這些領(lǐng)域?qū)Φ入x子體源的要求一般包括電子密度高、放 電均勻、穩(wěn)定性好等。在眾多工業(yè)應(yīng)用和科學(xué)研究中，產(chǎn)生高密度等離子體的主要方式有高功率微波、 熱致電離和氣體放電等；其中，由于具有放電均勻、穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，低氣壓氣體放電 成為產(chǎn)生大體積、穩(wěn)定等離子體源的常用手段?；诘蜌鈮簹怏w放電原理，現(xiàn)有的等離子體發(fā)生裝置通常包括處于受控環(huán)境下的 陰極和陽極，且該受控環(huán)境包括處于低壓下的一種放電氣體或氣體混合物；當(dāng)在兩個電極 之間施加足夠的電壓時，氣體內(nèi)形成電子發(fā)射。該裝置結(jié)構(gòu)簡單、易實現(xiàn)、成本低，且能夠產(chǎn) 生均勻、穩(wěn)定的等離子體。但是，在某些特殊應(yīng)用中，例如等離子體微帶動態(tài)控制開關(guān)、等離子體填充波導(dǎo)、 材料內(nèi)表面處理等場合，經(jīng)常需要用到局域等離子體，也即，要求在特定的空間區(qū)域產(chǎn)生高 密度等離子體，而其它地方不發(fā)生放電，以避免系統(tǒng)整體性能受到影響；而現(xiàn)有裝置產(chǎn)生的 等離子體通常散亂分布在所述受控環(huán)境內(nèi)，不能滿足上述要求?？傊枰绢I(lǐng)域技術(shù)人員迫切解決的一個技術(shù)問題就是如何能夠產(chǎn)生符合要 求的局域等離子體。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種等離子體發(fā)生裝置和產(chǎn)生等離子體的方 法，用以產(chǎn)生符合要求的局域等離子體。為了解決上述問題，本發(fā)明公開了一種等離子體發(fā)生裝置，包括密封的真空倉，其包括一個進(jìn)氣口和一個出氣口 ；位于真空倉內(nèi)的半封閉陰極空腔，其外表面用絕緣介質(zhì)覆蓋；位于真空倉內(nèi)的陽極金屬板；負(fù)高壓電源，其負(fù)極端與半封閉陰極空腔相連，接地端與陽極金屬板相連；其中，所述半封閉陰極空腔的軸線與陽極金屬板平行；在真空倉內(nèi)通入工作氣體時，調(diào)整所述半封閉陰極空腔與陽極金屬板之間的距 離，使得該距離與工作氣體氣壓的乘積大于局域放電閾值。優(yōu)選的，所述半封閉陰極空腔為圓柱形，或者，球形，或者矩形。優(yōu)選的，所述絕緣介質(zhì)包括云母、玻璃和陶瓷。優(yōu)選的，所述裝置還包括限流電阻，其連接在所述半封閉陰極空腔和負(fù)高壓電源之間。優(yōu)選的，所述負(fù)高壓電源具有可調(diào)制脈寬。優(yōu)選的，所述負(fù)高壓電源具有可調(diào)電壓。優(yōu)選的，所述半封閉陰極空腔的材料為金屬。本發(fā)明實施例還公開了一種應(yīng)用上述等離子體發(fā)生裝置產(chǎn)生等離子體的方法，包 括在真空倉內(nèi)通入工作氣體；調(diào)整半封閉陰極空腔與陽極金屬板之間的距離，使得該距離與工作氣體氣壓的乘 積大于局域放電閾值，其中，所述半封閉陰極空腔的外表面用絕緣介質(zhì)覆蓋；控制負(fù)高壓電源輸出負(fù)高壓脈沖；在所述負(fù)高壓脈沖值大于放電擊穿電壓時，所述半封閉陰極空腔與陽極開始放 電，并在所述半封閉陰極空腔內(nèi)產(chǎn)生等離子體。優(yōu)選的，所述控制負(fù)高壓電源輸出負(fù)高壓脈沖的步驟，包括調(diào)節(jié)所述負(fù)高壓脈沖的寬度和電壓的大小。優(yōu)選的，所述方法還包括在往上調(diào)節(jié)所述負(fù)高壓脈沖的電壓的大小時，所述等離子體的放電電流增大。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點本發(fā)明設(shè)置半封閉陰極空腔，將其作為等離子體的產(chǎn)生環(huán)境；并且，采用絕緣介質(zhì) 覆蓋所述半封閉陰極空腔的外表面，由于工作氣體也不會與金屬發(fā)生反應(yīng)，使得半封閉陰 極空腔和陽極金屬板無介質(zhì)或金屬限制，因而能夠為氣體放電提供開放空間；這樣，在真空 倉內(nèi)通入工作氣體時，通過調(diào)整所述半封閉陰極空腔與陽極金屬板之間的距離，使得該距 離與工作氣體氣壓的乘積大于局域放電閾值，即能夠滿足局域放電規(guī)則，也即，僅在所述半 封閉陰極空腔內(nèi)部產(chǎn)生等離子體，而其它地方不發(fā)生放電，能夠避免系統(tǒng)整體性能受到影 響；另外，可以通過設(shè)置該半封閉陰極空腔的形狀、長度，使得所述產(chǎn)生的等離子體局 域一定形狀和尺度；再者，可設(shè)置所述負(fù)高壓電源具有可調(diào)制脈寬和/或可調(diào)電壓，這樣，可以通過控 制所述負(fù)高壓電源產(chǎn)生的脈沖寬度，來控制等離子體的產(chǎn)生和衰減，因而，本發(fā)明還可以具 有實時控制的優(yōu)點。其次，由于所述半封閉陰極空腔的軸線與陽極金屬板平行，所產(chǎn)生的等離子體可 經(jīng)半封閉陰極空腔的橫截面自由出入；最后，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，故可適宜工業(yè)化應(yīng)用，以及，方便應(yīng)用于等離子 體填充波導(dǎo)、微帶電磁波傳播控制、特殊材料內(nèi)表面處理等的等離子體工藝或科學(xué)研究。


圖1是本發(fā)明一種等離子體發(fā)生裝置實施例1的結(jié)構(gòu)圖；圖2是本發(fā)明一種等離子體發(fā)生裝置實施例2的結(jié)構(gòu)圖；圖3是圖2中半封閉陰極空腔4和絕緣介質(zhì)7沿軸線的剖視圖；圖4是本發(fā)明一種應(yīng)用等離子體發(fā)生裝置產(chǎn)生等離子體的方法實施例的流程圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實 施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明?，F(xiàn)有的等離子體發(fā)生裝置不能產(chǎn)生所述局域等離子體，一個主要原因是其利用陰 極外部的空間產(chǎn)生等離子體，因而產(chǎn)生的等離子體散亂分布在陰極外。
本專利發(fā)明人注意到了這一點，因而創(chuàng)造性地提出了本發(fā)明實施例的核心構(gòu)思之 一，也即，設(shè)置半封閉陰極空腔，將其作為等離子體的產(chǎn)生環(huán)境；進(jìn)一步，經(jīng)反復(fù)實驗發(fā)現(xiàn)局 域放電規(guī)則，該規(guī)則為，在陰極和陽極之間的距離d與工作氣體氣壓ρ的乘積大于局域放電 閾值，也即，pd> 5Τοπ· cm(托厘米)，并且，放電處于開放空間中時，能夠在半封閉陰極空 腔內(nèi)部產(chǎn)生等離子體，其中，所述放電處于開放空間是指陰極和陽極之間無介質(zhì)或金屬限 制。參照圖1，示出了本發(fā)明一種等離子體發(fā)生裝置實施例1的結(jié)構(gòu)圖，具體可以包 括密封的真空倉101，其可以包括一個進(jìn)氣口 111和一個出氣口 112 ；位于真空倉101內(nèi)的半封閉陰極空腔102，其外表面用絕緣介質(zhì)103覆蓋；位于真空倉101內(nèi)的陽極金屬板104 ；負(fù)高壓電源105，其負(fù)極端151與半封閉陰極空腔102相連，接地端152與陽極金 屬板104相連；其中，用斜線表示所述絕緣介質(zhì)103，所述半封閉陰極空腔102的軸線與陽極金屬 板104平行；在真空倉101內(nèi)通入工作氣體時，調(diào)整所述半封閉陰極空腔102與陽極金屬板104 之間的距離，使得該距離與工作氣體氣壓的乘積大于局域放電閾值?；谏鲜霭l(fā)明構(gòu)思，本實施例對等離子體發(fā)生裝置進(jìn)行以下改進(jìn)一、設(shè)置半封閉陰極空腔102 ；所述半封閉是指四周封閉，而兩端有開口與陽極發(fā)生放電，因而，所述半封閉陰極 空腔102是等離子體的產(chǎn)生環(huán)境，在實際中，可以選用鋁、銅、不銹鋼等金屬材料加工所述 半封閉陰極空腔102。另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)需要，設(shè)置該半封閉陰極空腔102的形狀，例如圓 柱形、球形、矩形等，本發(fā)明對此不加以限制。二、用絕緣介質(zhì)103覆蓋所述半封閉陰極空腔102的外表面；在實際中，所述絕緣介質(zhì)103可以包括云母、玻璃和陶瓷等；由于工作氣體通常為 氬氣、氦氣等放電氣體或氣體混合物，且工作氣體也不會與金屬發(fā)生反應(yīng)，這樣，所述半封 閉陰極空腔102和陽極金屬板104無介質(zhì)或金屬限制，因而能夠為氣體放電提供開放空間。三、調(diào)整該半封閉陰極空腔102與陽極金屬板104之間的距離d，使得該距離d與 工作氣體氣壓P的乘積大于局域放電閾值。由于所述半封閉陰極空腔102的軸線與陽極金屬板104所在的平面平行，因此，該 距離也即該軸線到該平面的距離；在實際中，可以根據(jù)當(dāng)前工作氣體氣壓，來移動所述半封 閉陰極空腔102和/或陽極金屬板104，使pd大于局域放電閾值。
例如，在當(dāng)前工作氣體氣壓ρ為IOOPa時，可以將該距離d調(diào)整為10cm，由于IOOOPa = 7. 6Torr，這樣，pd = IOOpaX IOcm = 0. 76Torr X IOcm = 7. 6Torr cm > 5Torr cm。本發(fā)明具有如下優(yōu)點首先，上述設(shè)置能夠使得僅在所述半封閉陰極空腔內(nèi)部產(chǎn)生等離子體，而其它地 方不發(fā)生放電，能夠避免系統(tǒng)整體性能受到影響；其次，可以通過設(shè)置該半封閉陰極空腔102的形狀、長度，使得所述產(chǎn)生的等離子 體局域一定形狀和尺度；再者，可設(shè)置所述負(fù)高壓電源105具有可調(diào)制脈寬和/或可調(diào)電壓，例如，脈寬可 調(diào)制無限長，電壓幅值為0 2000V可調(diào)等等，這樣，可以通過控制所述負(fù)高壓電源105產(chǎn) 生的脈沖寬度，來控制等離子體的產(chǎn)生和衰減，因而，本發(fā)明還可以具有實時控制的優(yōu)點。其次，由于所述半封閉陰極空腔102的軸線與陽極金屬板104平行，所產(chǎn)生的等離 子體可經(jīng)半封閉陰極空腔102的橫截面自由出入；最后，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，故可適宜工業(yè)化應(yīng)用，以及，方便應(yīng)用于等離子 體填充波導(dǎo)、微帶電磁波傳播控制、特殊材料內(nèi)表面處理等的等離子體工藝或科學(xué)研究。參照圖2，示出了本發(fā)明一種等離子體發(fā)生裝置實施例2的結(jié)構(gòu)圖，具體可以包 括圓柱形真空倉1，其一端為進(jìn)氣口 2，另一端為出氣口 3;位于圓柱形真空倉1內(nèi)的圓柱形半封閉陰極空腔4，其外表面用絕緣介質(zhì)7覆蓋；位于圓柱形真空倉1內(nèi)的陽極金屬板104 ；負(fù)高壓電源5，其負(fù)極端通過限流電阻8與半封閉陰極空腔4相連，接地端通過導(dǎo) 線與陽極金屬板6相連；其中，所述圓柱形半封閉陰極空腔4的軸線與陽極金屬板6平行；在圓柱形真空倉1內(nèi)通入工作氣體時，調(diào)整所述半封閉陰極空腔4與陽極金屬板 6之間的距離，使得該距離與工作氣體氣壓的乘積大于局域放電閾值。本實施例與實施例1的區(qū)別在于，在所述半封閉陰極空腔4和負(fù)高壓電源5之間 增加限流電阻8，其具有穩(wěn)壓作用，用以保證脈沖電壓的穩(wěn)定性。參考圖3，示出了該半封閉陰極空腔4和絕緣介質(zhì)7沿軸線的剖視圖。本實施例中，可以設(shè)置如下參數(shù)圓柱形半封閉陰極空腔4內(nèi)徑為10mm，長度為80mm ；所述半封閉陰極空腔4與陽極金屬板6之間的距離d為IOOmm ；圓柱形真空倉1的直徑320mm，高度600mm ；負(fù)高壓電源5的脈寬10 μ s c 可調(diào)；限流電阻Rb = IOkQ;工作氣體為氬氣，氣壓在100 IOOOPa范圍內(nèi)可調(diào)。這樣，在當(dāng)前工作氣體氣壓ρ為200Pa時，pd = 200paX10cm = 2X0. 76TorrX IOcm= 15. 2Torr cm > 5Torr cm ；又由于陰極和陽極之間區(qū)域為開放空間， 沒有其它介質(zhì)或金屬，因而能夠滿足局域放電條件。對于實施例2而言，由于其與實施例1基本相似，所以描述的比較簡單，相關(guān)之處參見實施例1的部分說明即可。與前述裝置實施例相應(yīng)，本發(fā)明還提供了一種應(yīng)用前述等離子體發(fā)生裝置產(chǎn)生等離子體的方法實施例，參照圖4，具體可以包括步驟401、在真空倉內(nèi)通入工作氣體；步驟402、調(diào)整半封閉陰極空腔與陽極金屬板之間的距離，使得該距離與工作氣體 氣壓的乘積大于局域放電閾值，其中，所述半封閉陰極空腔的外表面用絕緣介質(zhì)覆蓋；步驟403、控制負(fù)高壓電源輸出負(fù)高壓脈沖；步驟404、在所述負(fù)高壓脈沖值大于放電擊穿電壓時，所述半封閉陰極空腔與陽極 開始放電，并在所述半封閉陰極空腔內(nèi)產(chǎn)生等離子體。例如，在真空倉內(nèi)通入氣壓為SOPa的氬氣，控制負(fù)高壓電源輸出負(fù)高壓脈沖，其 中，所述控制過程可以為，調(diào)節(jié)所述負(fù)高壓脈沖的寬度和電壓的大小，使其為半封閉陰極空 腔提供脈寬5ms、幅值500V、上升沿1 μ s的方波負(fù)高壓。對于等離子體，其密度與放電電流存在一定的關(guān)系，例如，放電電流越大，其密度 也就越大；因此，在本發(fā)明的一種優(yōu)選實施例中，所述方法還可以包括在往上調(diào)節(jié)所述負(fù)高壓脈沖的電壓的大小時，所述等離子體的放電電流增大。當(dāng)然，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以根據(jù)需要，通過往下調(diào)節(jié)所述負(fù)高壓脈沖的電壓的 大小，來減小等離子體的放電電流，本發(fā)明對此不加以限制。為測試所述方法的過程參數(shù)，可利用帶高壓探頭(例如泰克P6015A)的示波器 (例如，泰克TDS3054B)測量半封閉陰極空腔電壓；利用串聯(lián)在電路中的安培表測量放電電流。測試結(jié)果表明，等離子體的放電電流在脈沖電壓穩(wěn)定在340V后立即產(chǎn)生，幅值為 10mA，示波器顯示電流信號脈沖與電壓信號的時延小于1 μ s ；當(dāng)脈沖電壓下降到0電位時， 放電電流隨即消失。因而，放電等離子體的產(chǎn)生或衰減可以由所述負(fù)高壓脈沖控制，本發(fā)明 具有實時控制的優(yōu)點。另外，可在真空倉的觀察窗處放置一個(XD(電荷耦合，器件，ChargeCoupled Device)相機，以記錄半封閉陰極空腔內(nèi)外各放電階段時的發(fā)光圖像；記錄結(jié)果表明，半封閉陰極空腔外基本沒有發(fā)光，發(fā)光區(qū)僅局限于空腔內(nèi)部，放電 沒有在腔外陰極和陽極之間產(chǎn)生正柱區(qū)，即本發(fā)明產(chǎn)生了處于半封閉陰極空腔內(nèi)部的局域 等離子體。等離子體頻率是等離子體的一個重要參數(shù)，它可由等離子體密度決定，例如，它們 之間的關(guān)系為力=8·98χΑ，其中，~為等離子體密度，fp為等離子體頻率。而所述等離子體頻率又與入射電磁波存在如下關(guān)系1.當(dāng)入射電磁波的頻率大于等離子體頻率時，電磁波可以進(jìn)入等離子體，并在等 離子體中傳播(或透射出等離子體)；2.當(dāng)入射電磁波的頻率小于等離子體頻率時，電磁波不能進(jìn)入等離子體，而被等 離子體完全反射。因此，可以通過改變?nèi)肷潆姶挪ǖ念l率，確定等離子體的密度，也即，可以利用微 波透射法測試所產(chǎn)生等離子體的密度。例如，在利用IOGHz的微波透射局域等離子體區(qū)時，測試結(jié)果表明，當(dāng)電流大于IOmA時，該波段微波可以完全被阻擋，表明此時等離子體頻率大于微波頻率IOGHz ；而根據(jù)公式<formula>formula see original document page 8</formula>IOGHz等離子體頻率對應(yīng)的等離子體密度為1. 2 X IO12Cm-3,因而，此時等 離子體的密度大于1. 2X1012cm_3。綜上，在半封閉陰極空腔的外表面用絕緣介質(zhì)覆蓋，且調(diào)整所述半封閉陰極空腔 與陽極金屬板之間的距離，使得該距離與工作氣體氣壓的乘積大于局域放電閾值時，本發(fā) 明能夠在半封閉陰極空腔內(nèi)部產(chǎn)生等離子體。本說明書中的各個實施例均采用遞進(jìn)的方式描述，每個實施例重點說明的都是與 其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可。對于方法實施例 而言，由于其與裝置實施例基本相似，所以描述的比較簡單，相關(guān)之處參見方法實施例的部 分說明即可。以上對本發(fā)明所提供的一種等離子體發(fā)生裝置和產(chǎn)生等離子體的方法，進(jìn)行了詳 細(xì)介紹，本文中應(yīng)用了具體個例對本發(fā)明的原理及實施方式進(jìn)行了闡述，以上實施例的說 明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù) 本發(fā)明的思想，在具體實施方式
及應(yīng)用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不 應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。
權(quán)利要求
一種等離子體發(fā)生裝置，其特征在于，包括密封的真空倉，其包括一個進(jìn)氣口和一個出氣口；位于真空倉內(nèi)的半封閉陰極空腔，其外表面用絕緣介質(zhì)覆蓋；位于真空倉內(nèi)的陽極金屬板；負(fù)高壓電源，其負(fù)極端與半封閉陰極空腔相連，接地端與陽極金屬板相連；其中，所述半封閉陰極空腔的軸線與陽極金屬板平行；在真空倉內(nèi)通入工作氣體時，調(diào)整所述半封閉陰極空腔與陽極金屬板之間的距離，使得該距離與工作氣體氣壓的乘積大于局域放電閾值。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述半封閉陰極空腔為圓柱形，或者，球形， 或者矩形。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述絕緣介質(zhì)包括云母、玻璃和陶瓷。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括限流電阻，其連接在所述半封閉陰 極空腔和負(fù)高壓電源之間。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述負(fù)高壓電源具有可調(diào)制脈寬。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述負(fù)高壓電源具有可調(diào)電壓。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述半封閉陰極空腔的材料為金屬。
8.一種應(yīng)用權(quán)利要求1所述的等離子體發(fā)生裝置產(chǎn)生等離子體的方法，其特征在于， 包括在真空倉內(nèi)通入工作氣體；調(diào)整半封閉陰極空腔與陽極金屬板之間的距離，使得該距離與工作氣體氣壓的乘積大 于局域放電閾值，其中，所述半封閉陰極空腔的外表面用絕緣介質(zhì)覆蓋；控制負(fù)高壓電源輸出負(fù)高壓脈沖；在所述負(fù)高壓脈沖值大于放電擊穿電壓時，所述半封閉陰極空腔與陽極開始放電，并 在所述半封閉陰極空腔內(nèi)產(chǎn)生等離子體。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制負(fù)高壓電源輸出負(fù)高壓脈沖的步 驟，包括調(diào)節(jié)所述負(fù)高壓脈沖的寬度和電壓的大小。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，還包括在往上調(diào)節(jié)所述負(fù)高壓脈沖的電壓的大小時，所述等離子體的放電電流增大。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種等離子體發(fā)生裝置和產(chǎn)生等離子體的方法，其中的等離子體發(fā)生裝置具體包括密封的真空倉，其包括一個進(jìn)氣口和一個出氣口；位于真空倉內(nèi)的半封閉陰極空腔，其外表面用絕緣介質(zhì)覆蓋；位于真空倉內(nèi)的陽極金屬板；負(fù)高壓電源，其負(fù)極端與半封閉陰極空腔相連，接地端與陽極金屬板相連；其中，所述半封閉陰極空腔的軸線與陽極金屬板平行；在真空倉內(nèi)通入工作氣體時，調(diào)整所述半封閉陰極空腔與陽極金屬板之間的距離，使得該距離與工作氣體氣壓的乘積大于局域放電閾值。本發(fā)明用以產(chǎn)生符合要求的局域等離子體。
文檔編號H05H1/24GK101835335SQ20101016896
公開日2010年9月15日 申請日期2010年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月5日
發(fā)明者何鋒, 彭祖林, 李賞, 歐陽吉庭, 繆勁松 申請人:北京理工大學(xué)