CN101835335B - 一种等离子体发生装置和产生等离子体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种等离子体发生装置和产生等离子体的方法，其中的等离子体发生装置具体包括：密封的真空仓，其包括一个进气口和一个出气口；位于真空仓内的半封闭阴极空腔，其外表面用绝缘介质覆盖；位于真空仓内的阳极金属板；负高压电源，其负极端与半封闭阴极空腔相连，接地端与阳极金属板相连；其中，所述半封闭阴极空腔的轴线与阳极金属板平行；在真空仓内通入工作气体时，调整所述半封闭阴极空腔与阳极金属板之间的距离，使得该距离与工作气体气压的乘积大于局域放电阈值。本发明用以产生符合要求的局域等离子体。

Description

一种等离子体发生装置和产生等离子体的方法

技术领域

本发明涉及等离子体技术领域，特别是涉及一种等离子体发生装置和产生等离子体的方法。 

背景技术

目前，等离子体源在材料表面改性、有害气体处理、电磁波传播的动态控制、科学研究等领域有着广泛的应用价值，这些领域对等离子体源的要求一般包括电子密度高、放电均匀、稳定性好等。 

在众多工业应用和科学研究中，产生高密度等离子体的主要方式有：高功率微波、热致电离和气体放电等；其中，由于具有放电均匀、稳定、结构简单等优点，低气压气体放电成为产生大体积、稳定等离子体源的常用手段。 

基于低气压气体放电原理，现有的等离子体发生装置通常包括处于受控环境下的阴极和阳极，且该受控环境包括处于低压下的一种放电气体或气体混合物；当在两个电极之间施加足够的电压时，气体内形成电子发射。该装置结构简单、易实现、成本低，且能够产生均匀、稳定的等离子体。 

但是，在某些特殊应用中，例如等离子体微带动态控制开关、等离子体填充波导、材料内表面处理等场合，经常需要用到局域等离子体，也即，要求在特定的空间区域产生高密度等离子体，而其它地方不发生放电，以避免系统整体性能受到影响；而现有装置产生的等离子体通常散乱分布在所述受控环境内，不能满足上述要求。 

总之，需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是：如何能够产生符合要求的局域等离子体。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种等离子体发生装置和产生等离子体的方法，用以产生符合要求的局域等离子体。 

为了解决上述问题，本发明公开了一种等离子体发生装置，包括： 

密封的真空仓，其包括一个进气口和一个出气口； 

位于真空仓内的半封闭阴极空腔，其外表面用绝缘介质覆盖； 

位于真空仓内的阳极金属板； 

负高压电源，其负极端与半封闭阴极空腔相连，接地端与阳极金属板相连； 

其中，所述半封闭阴极空腔的轴线与阳极金属板平行； 

在真空仓内通入工作气体时，调整所述半封闭阴极空腔与阳极金属板之间的距离，使得该距离与工作气体气压的乘积大于局域放电阈值。 

优选的，所述半封闭阴极空腔为圆柱形，或者球形。 

优选的，所述绝缘介质包括云母、玻璃和陶瓷。 

优选的，所述装置还包括：限流电阻，其连接在所述半封闭阴极空腔和负高压电源之间。 

优选的，所述负高压电源具有可调制脉宽。 

优选的，所述负高压电源具有可调电压。 

优选的，所述半封闭阴极空腔的材料为金属。 

本发明实施例还公开了一种应用上述等离子体发生装置产生等离子体的方法，包括： 

在真空仓内通入工作气体； 

调整半封闭阴极空腔与阳极金属板之间的距离，使得该距离与工作气体气压的乘积大于局域放电阈值，其中，所述半封闭阴极空腔的外表面用绝缘介质覆盖； 

控制负高压电源输出负高压脉冲； 

在所述负高压脉冲值大于放电击穿电压时，所述半封闭阴极空腔与阳极开始放电，并在所述半封闭阴极空腔内产生等离子体。 

优选的，所述控制负高压电源输出负高压脉冲的步骤，包括： 

调节所述负高压脉冲的宽度和电压的大小。 

优选的，所述方法还包括： 

在往上调节所述负高压脉冲的电压的大小时，所述等离子体的放电电流增大。 

与现有技术相比，本发明具有以下优点： 

本发明设置半封闭阴极空腔，将其作为等离子体的产生环境；并且，采用绝缘介质覆盖所述半封闭阴极空腔的外表面，由于工作气体也不会与金属发生反应，使得半封闭阴极空腔和阳极金属板无介质或金属限制，因而能够为气体放电提供开放空间；这样，在真空仓内通入工作气体时，通过调整所述半封闭阴极空腔与阳极金属板之间的距离，使得该距离与工作气体气压的乘积大于局域放电阈值，即能够满足局域放电规则，也即，仅在所述半封闭阴极空腔内部产生等离子体，而其它地方不发生放电，能够避免系统整体性能受到影响； 

另外，可以通过设置该半封闭阴极空腔的形状、长度，使得所述产生的等离子体局域一定形状和尺度； 

再者，可设置所述负高压电源具有可调制脉宽和/或可调电压，这样，可以通过控制所述负高压电源产生的脉冲宽度，来控制等离子体的产生和衰减，因而，本发明还可以具有实时控制的优点。 

其次，由于所述半封闭阴极空腔的轴线与阳极金属板平行，所产生的等离子体可经半封闭阴极空腔的横截面自由出入； 

最后，本发明结构简单，操作方便，故可适宜工业化应用，以及，方便应用于等离子体填充波导、微带电磁波传播控制、特殊材料内表面处理等的等离子体工艺或科学研究。 

附图说明

图1是本发明一种等离子体发生装置实施例1的结构图； 

图2是本发明一种等离子体发生装置实施例2的结构图； 

图3是图2中半封闭阴极空腔4和绝缘介质7沿轴线的剖视图； 

图4是本发明一种应用等离子体发生装置产生等离子体的方法实施例的流程图。 

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。 

现有的等离子体发生装置不能产生所述局域等离子体，一个主要原因是其利用阴极外部的空间产生等离子体，因而产生的等离子体散乱分布在阴极外。 

本专利发明人注意到了这一点，因而创造性地提出了本发明实施例的核心构思之一，也即，设置半封闭阴极空腔，将其作为等离子体的产生环境；进一步，经反复实验发现局域放电规则，该规则为，在阴极和阳极之间的距离d与工作气体气压p的乘积大于局域放电阈值，也即，pd＞5Torr cm(托厘米)，并且，放电处于开放空间中时，能够在半封闭阴极空腔内部产生等离子体，其中，所述放电处于开放空间是指阴极和阳极之间无介质或金属限制。 

参照图1，示出了本发明一种等离子体发生装置实施例1的结构图，具体可以包括： 

密封的真空仓101，其可以包括一个进气口111和一个出气口112； 

位于真空仓101内的半封闭阴极空腔102，其外表面用绝缘介质103覆盖； 

位于真空仓101内的阳极金属板104； 

负高压电源105，其负极端151与半封闭阴极空腔102相连，接地端152与阳极金属板104相连； 

其中，用斜线表示所述绝缘介质103，所述半封闭阴极空腔102的轴线与阳极金属板104平行； 

在真空仓101内通入工作气体时，调整所述半封闭阴极空腔102与阳极金属板104之间的距离，使得该距离与工作气体气压的乘积大于局域放电阈值。 

基于上述发明构思，本实施例对等离子体发生装置进行以下改进： 

一、设置半封闭阴极空腔102； 

所述半封闭是指四周封闭，而两端有开口与阳极发生放电，因而，所述半封闭阴极空腔102是等离子体的产生环境，在实际中，可以选用铝、铜、不锈钢等金属材料加工所述半封闭阴极空腔102。 

另外，本领域技术人员可以根据需要，设置该半封闭阴极空腔102的形状，例如圆柱形、球形、矩形等，本发明对此不加以限制。 

二、用绝缘介质103覆盖所述半封闭阴极空腔102的外表面； 

在实际中，所述绝缘介质103可以包括云母、玻璃和陶瓷等；由于工作气体通常为氩气、氦气等放电气体或气体混合物，且工作气体也不会与金属发生反应，这样，所述半封闭阴极空腔102和阳极金属板104无介质或金属限制，因而能够为气体放电提供开放空间。 

三、调整该半封闭阴极空腔102与阳极金属板104之间的距离d，使得该距离d与工作气体气压p的乘积大于局域放电阈值。 

由于所述半封闭阴极空腔102的轴线与阳极金属板104所在的平面平行，因此，该距离也即该轴线到该平面的距离；在实际中，可以根据当前工作气体气压，来移动所述半封闭阴极空腔102和/或阳极金属板104，使pd大于局域放电阈值。 

例如，在当前工作气体气压p为100Pa时，可以将该距离d调整为10cm，由于1000Pa＝7.6Torr，这样， 

pd＝100pa×10cm＝0.76Torr×10cm＝7.6Torr cm＞5Torr cm。 

本发明具有如下优点： 

首先，上述设置能够使得仅在所述半封闭阴极空腔内部产生等离子体，而其它地方不发生放电，能够避免系统整体性能受到影响； 

其次，可以通过设置该半封闭阴极空腔102的形状、长度，使得所述产生的等离子体局域一定形状和尺度； 

再者，可设置所述负高压电源105具有可调制脉宽和/或可调电压，例如，脉宽可调制无限长，电压幅值为0～2000V可调等等，这样，可以通过控制所述负高压电源105产生的脉冲宽度，来控制等离子体的产生和衰减， 因而，本发明还可以具有实时控制的优点。 

其次，由于所述半封闭阴极空腔102的轴线与阳极金属板104平行，所产生的等离子体可经半封闭阴极空腔102的横截面自由出入； 

最后，本发明结构简单，操作方便，故可适宜工业化应用，以及，方便应用于等离子体填充波导、微带电磁波传播控制、特殊材料内表面处理等的等离子体工艺或科学研究。 

参照图2，示出了本发明一种等离子体发生装置实施例2的结构图，具体可以包括： 

圆柱形真空仓1，其一端为进气口2，另一端为出气口3； 

位于圆柱形真空仓1内的圆柱形半封闭阴极空腔4，其外表面用绝缘介质7覆盖； 

位于圆柱形真空仓1内的阳极金属板104； 

负高压电源5，其负极端通过限流电阻8与半封闭阴极空腔4相连，接地端通过导线与阳极金属板6相连； 

其中，所述圆柱形半封闭阴极空腔4的轴线与阳极金属板6平行； 

在圆柱形真空仓1内通入工作气体时，调整所述半封闭阴极空腔4与阳极金属板6之间的距离，使得该距离与工作气体气压的乘积大于局域放电阈值。 

本实施例与实施例1的区别在于，在所述半封闭阴极空腔4和负高压电源5之间增加限流电阻8，其具有稳压作用，用以保证脉冲电压的稳定性。 

参考图3，示出了该半封闭阴极空腔4和绝缘介质7沿轴线的剖视图。 

本实施例中，可以设置如下参数： 

圆柱形半封闭阴极空腔4内径为10mm，长度为80mm； 

所述半封闭阴极空腔4与阳极金属板6之间的距离d为100mm； 

圆柱形真空仓1的直径320mm，高度600mm； 

负高压电源5的脉宽10μs～∞可调； 

限流电阻Rb＝10kΩ； 

工作气体为氩气，气压在100～1000Pa范围内可调。 

这样，在当前工作气体气压p为200Pa时，pd＝200pa×10cm＝2×0.76Torr×10cm＝15.2Torr cm＞5Torr cm；又由于阴极和阳极之间区域为开放空间，没有其它介质或金属，因而能够满足局域放电条件。 

对于实施例2而言，由于其与实施例1基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见实施例1的部分说明即可。 

与前述装置实施例相应，本发明还提供了一种应用前述等离子体发生装置产生等离子体的方法实施例，参照图4，具体可以包括： 

步骤401、在真空仓内通入工作气体； 

步骤402、调整半封闭阴极空腔与阳极金属板之间的距离，使得该距离与工作气体气压的乘积大于局域放电阈值，其中，所述半封闭阴极空腔的外表面用绝缘介质覆盖； 

步骤403、控制负高压电源输出负高压脉冲； 

步骤404、在所述负高压脉冲值大于放电击穿电压时，所述半封闭阴极空腔与阳极开始放电，并在所述半封闭阴极空腔内产生等离子体。 

例如，在真空仓内通入气压为80Pa的氩气，控制负高压电源输出负高压脉冲，其中，所述控制过程可以为，调节所述负高压脉冲的宽度和电压的大小，使其为半封闭阴极空腔提供脉宽5ms、幅值500V、上升沿1μs的方波负高压。 

对于等离子体，其密度与放电电流存在一定的关系，例如，放电电流越大，其密度也就越大；因此，在本发明的一种优选实施例中，所述方法还可以包括： 

在往上调节所述负高压脉冲的电压的大小时，所述等离子体的放电电流增大。 

当然，本领域技术人员还可以根据需要，通过往下调节所述负高压脉冲的电压的大小，来减小等离子体的放电电流，本发明对此不加以限制。 

为测试所述方法的过程参数，可利用带高压探头(例如泰克P6015A)的示波器(例如，泰克TDS3054B)测量半封闭阴极空腔电压；利用串联在电路中的安培表测量放电电流。 

测试结果表明，等离子体的放电电流在脉冲电压稳定在340V后立即产生，幅值为10mA，示波器显示电流信号脉冲与电压信号的时延小于1μs；当脉冲电压下降到0电位时，放电电流随即消失。因而，放电等离子体的产生或衰减可以由所述负高压脉冲控制，本发明具有实时控制的优点。 

另外，可在真空仓的观察窗处放置一个CCD(电荷耦合，器件，ChargeCoupled Device)相机，以记录半封闭阴极空腔内外各放电阶段时的发光图像； 

记录结果表明，半封闭阴极空腔外基本没有发光，发光区仅局限于空腔内部，放电没有在腔外阴极和阳极之间产生正柱区，即本发明产生了处于半封闭阴极空腔内部的局域等离子体。 

等离子体频率是等离子体的一个重要参数，它可由等离子体密度决定，例如，它们之间的关系为 其中，n_e为等离子体密度，f_p为等离子体频率。 

而所述等离子体频率又与入射电磁波存在如下关系： 

1.当入射电磁波的频率大于等离子体频率时，电磁波可以进入等离子体，并在等离子体中传播(或透射出等离子体)； 

2.当入射电磁波的频率小于等离子体频率时，电磁波不能进入等离子体，而被等离子体完全反射。 

因此，可以通过改变入射电磁波的频率，确定等离子体的密度，也即，可以利用微波透射法测试所产生等离子体的密度。 

例如，在利用10GHz的微波透射局域等离子体区时，测试结果表明，当电流大于10mA时，该波段微波可以完全被阻挡，表明此时等离子体频率大于微波频率10GHz；而根据公式 

10GHz等离子体频率对应的等离子体密度为1.2×10¹²cm^-3，因而，此时等离子体的密度大于1.2×10¹²cm^-3。 

综上，在半封闭阴极空腔的外表面用绝缘介质覆盖，且调整所述半封闭阴极空腔与阳极金属板之间的距离，使得该距离与工作气体气压的乘积大于局域放电阈值时，本发明能够在半封闭阴极空腔内部产生等离子体。 

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于方法实施例而言，由于其与装置实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。 

以上对本发明所提供的一种等离子体发生装置和产生等离子体的方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。 

Claims (10)

1.一种等离子体发生装置，其特征在于，包括：

密封的真空仓，其包括一个进气口和一个出气口；

位于真空仓内的半封闭阴极空腔，其外表面用绝缘介质覆盖；

位于真空仓内的阳极金属板；

负高压电源，其负极端与半封闭阴极空腔相连，接地端与阳极金属板相连；

其中，所述半封闭阴极空腔的轴线与阳极金属板平行；

在真空仓内通入工作气体时，调整所述半封闭阴极空腔与阳极金属板之间的距离，使得该距离与工作气体气压的乘积大于局域放电阈值。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述半封闭阴极空腔为圆柱形，或者球形。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述绝缘介质包括云母、玻璃和陶瓷。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：限流电阻，其连接在所述半封闭阴极空腔和负高压电源之间。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述负高压电源具有可调制脉宽。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述负高压电源具有可调电压。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述半封闭阴极空腔的材料为金属。

8.一种应用权利要求1所述的等离子体发生装置产生等离子体的方法，其特征在于，包括：

在真空仓内通入工作气体；

调整半封闭阴极空腔与阳极金属板之间的距离，使得该距离与工作气体气压的乘积大于局域放电阈值，其中，所述半封闭阴极空腔的外表面用绝缘介质覆盖；

控制负高压电源输出负高压脉冲；

在所述负高压脉冲值大于放电击穿电压时，所述半封闭阴极空腔与阳极开始放电，并在所述半封闭阴极空腔内产生等离子体。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述控制负高压电源输出负高压脉冲的步骤，包括：

调节所述负高压脉冲的宽度和电压的大小。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：

在往上调节所述负高压脉冲的电压的大小时，所述等离子体的放电电流增大。

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