CN102802337B - 一种等离子体源装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等离子体源装置，包括：微波发生器、超材料以及等离子生成器，所述的微波发生器、超材料以及等离子生成器顺序相设置，所述的微波发生器用于产生微波；所述的超材料用于将所述的微波发生器发出的微波进行调制成能与所述的等离子发生器发生谐振的微波至等离子生成器，所述的等离子体生成器用于生成等离子体。本发明提供的等离子体源装置体积小、简单、易于实现、成本低、具有广泛的应用前景。

Description

一种等离子体源装置

技术领域

本发明涉及等离子体源领域，更具体地说，涉及一种等离子体源装置。

背景技术

众所周知，等离子体是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它是除去固、液、气外，物质存在的第四态，即：等离子体是物质的第四态，即电离了的“气体”，它呈现出高度激发的不稳定态。

其实，人们对等离子体现象并不生疏。在自然界里，炽热烁烁的火焰、光辉夺目的闪电、以及绚烂壮丽的极光等都是等离子体作用的结果。对于整个宇宙来讲，几乎99.9％以上的物质都是以等离子体态存在的，如恒星和行星际空间等都是由等离子体组成的，用人工方法，如核聚变、核裂变、辉光放电及各种放电都可产生等离子体。

等离子体偏离热力学平衡的性质。大体有两类方式。一类是等离子体宏观参量如密度、温度、压强及其他热力学量的不均匀性，由此产生的不稳定性使等离子体整体的形状改变，称为宏观不稳定性或位形空间不稳定性，可用磁流体力学分析，故又称磁流体力学不稳定性。另一类是等离子体的速度空间分布函数偏离麦克斯韦分布，由此产生的不稳定性称为微观不稳定性或速度空间不稳定性，可用等离子体动力论分析，故又称动力论不稳定性。

等离子体的不稳定性(无论宏观、微观)也可按引起它的驱动能量分类。如磁能引起的电流不稳定性；等离子体向弱磁场区膨胀时膨胀能引起的交换不稳定性；密度、温度梯度产生的等离子体膨胀能引起的漂移不稳定性；非麦克斯韦分布或压强各向异性对应的自由能引起的速度空间不稳定性等。

等离子体中种类多样的不稳定性会导致带电粒子的逃逸或输运系数的异常增大，破坏等离子体的约束或限制约束时间。因此，保持良好的谐振电磁波产生稳定的电场，克服等离子体的各种不稳定性，成为人们面临的一个课题。

目前，超材料(metamaterial)作为一种材料设计理念以及研究前沿，越来越引起人们的关注，所谓超材料，是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通的超常材料功能。

迄今发展出的“超材料”包括：“左手材料”、光子晶体、“超磁性材料”等，超材料性质往往不主要决定与构成材料的本征性质，而决定于其中的人工结构。

超材料影响电磁波主要关注以下几个方面的指标：

1)高性能。对电磁波的影响应具有较高的性能，接近所需要的影响状态。

2)低损耗。具有较高的能量影响效率，以实现节能降耗的目标。

3)尺寸小。不占用过多空间。

此外，对电磁波的影响应易于实现，设计不应太复杂，器件成本不应过高。

超材料由介质基材和设置上基材上的多个人为结构组成，可以提供各种普通材料具有和不具有的材料特性。单个人为结构大小一般小于1/10个波长，其对外加电场和/或磁场具有电响应和/或磁响应，从而具有表现出等效介电常数和/或等效磁导率，或者等效折射率和波阻抗。人为的结构的等效介电常数和等效磁导率(或等效折射率和波阻抗)由单元几何尺寸参数决定，可人为设计和控制。并且，人为结构可以具有人为设计的各向异性的电磁参数，从而产生许多新奇的现象，为实现电磁波的影响提供了可能。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种体积小、简单、易于实现以及成本低的等离子体源装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：微波发生器、超材料以及等离子生成器，所述的微波发生器、超材料以及等离子生成器依次设置，所述的微波发生器用于产生微波；所述的超材料用于将所述的微波发生器发出的微波调制成能与所述的等离子发生器发生谐振的微波后，发送至所述的等离子生成器，所述的等离子体生成器用于生成等离子体。

在本发明所述的等离子体源装置中，所述超材料由基材以及多个人造微结构组成，所述基材分成多个晶格，所述人造微结构置于所述晶格中形成一个单元。

在本发明所述的等离子体源装置中，所述超材料由多个超材料片状基板堆叠形成，所有的人造微结构在空间中形成周期阵列。

在本发明所述的等离子体源装置中，所述所有的人造微结构在空间中呈均匀性的周期阵列。

在本发明所述的等离子体源装置中，所述的等离子生成器包括谐振腔、电极组以及气体。

在本发明所述的等离子体源装置中，在基材选定的情况下，通过改变人造微结构的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排布获得内部的空间调制结果。

在本发明所述的等离子体源装置中，所述基材由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。

在本发明所述的等离子体源装置中，所述的人造微结构为具有图案的附着在基材上的金属线。

在本发明所述的等离子体源装置中，所述金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在基材上。

在本发明所述的等离子体源装置中，所述金属线为铜线或银线。

在本发明所述的等离子体源装置中，所述金属线呈二维雪花状，其具有相互垂直呈“十”字的第一主线及第二主线，所述第一主线的两端各垂直设置一个第一支线，所述第二主线的两端各垂直设置一个第二支线。

在本发明所述的等离子体源装置中，所述第一主线及第二主线相互平分，所述第一支线的中心连接在第一主线上，所述第二支线的中心连接在第二主线上。

实施本发明的等离子体源装置，具有以下有益效果：

1.体积小，不占用过多的空间；

2.简单、易于实现、低成本，通过超材料对调制结果加以影响，不依赖设备的种类及形状。

附图说明

图1是本发明实施例一种等离子体源装置结构方框图；

图2为本发明实施例中超材料结构示意图；

图3a为本发明实施例中超材料的正视图；

图3b为本发明实施例中超材料微结构的示意图；

图3c为本发明实施例中超材料立体结构图；

图4至图6为图3b人造微结构的衍生图；

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

“超材料″是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。

“超材料″重要的三个重要特征：

(1)“超材料″通常是具有新奇人工结构的复合材料；

(2)“超材料″具有超常的物理性质(往往是自然界的材料中所不具备的)；

(3)“超材料″性质往往不主要决定与构成材料的本征性质，而决定于其中的人工结构。

请参阅图1，在本发明实例中，一种等离子体源装置，包括：微波发生器10、超材料20以及等离子体生成器30，微波发生器10、超材料20以及等离子生成器30顺序设置，微波发生器10用于产生微波；超材料20用于将微波发生器10发出的微波进行调制成能与等离子发生器30发生谐振的微波至等离子生成器30；等离子体生成器30用于生成等离子体。

在本发明实施例中，等离子体生成器30包括谐振腔301、电极组302以及气体303。谐振腔301用于接收超材料发送的电磁波发生谐振，电极组302用于生成电离子，气体303充塞整个等离子体空腔中。

由公知常识可知，我们可知，等离子体的产生主要是靠电子去撞击中性气体原子，使中性气体原子解离而产生等离子体，但中性气体原子的原子核对其外围的电子有一束缚的能量，我们称它为束缚能，而外界的电子能量必须大于此束缚能，才会有能力解离此中性气体原子。但是，此外界的电子往往是能量不足的，没有解离中性气体原子的能力，所以，我们必须用外加能量的方法给电子能量，使电子有能力解离此中性气体原子。

要外加能量给电子，最简单的方法就是用平行电极板加一直流电压，电子在电极中，会被带正电之电极所吸引而加速，在加速的过程中，电子就可以累积能量，当电子的能量达到某一程度时，就有能力来解离中性气体原子。

谐振腔301上开有很多小孔，其孔径远远小于传送来的电磁波的波长，以防微波能泄露，电极组302与谐振腔301电连接为一体并保持相同的电位。当微波生成器10生成的微波经过超材料20调整后进入谐振腔301时，由于谐振便在其中产生大量的正负电荷，其中，单极性电荷在电场力的作用下进入电极组302，电极组302大量吸收单极性电荷后，与气体303形成密度差而引起流动，气体303通过小孔不断进入谐振腔301，不断发生电离，在很短的时间内气体303将达到全部电离，全部的气体变成了等离子体。

请参阅图2，本发明实施例中的超材料20，超材料20由基材1以及多个人造微结构2组成，基材分成多个晶格，所述人造微结构2置于所述晶格中形成一个单元，为了更好的调制响应效果，实践中常用多个片状超材料20层压成多个超材料组合体30。

图3为一个片状超材料20的正视图。基材1分成若干晶格，“晶格”的概念来自固体物理，这里的“晶格”是指在超材料中每个人造微结构2所占用的尺寸。“晶格”尺寸取决于人造微结构2需要响应的折射率分布，通常人造微结构2的尺寸为所需响应的电磁波波长的十分之一。

人造微结构2置于晶格形成一个单元，所述单元的阻抗在基材1选定的情况下，改变人造微结构2的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排列通过仿真而获得调制结果数值。

超材料可以对电场或者磁场，或者两者同时进行相应。对电场的响应取决于超材料的介电常数ε，而对磁场的响应取决于超材料的磁导率μ。通过对超材料空间中每一点的介电常数ε与磁导率μ的精确控制，我们可以实现通过超材料对电磁波的影响。

超材料的电磁参数在空间中的均匀或者非均匀的分布是超材料20的重要特征之一。电磁参数在空间中的均匀分布为非均匀分布的一种特殊形式，但其具体特性，仍然是由空间中排列的各个单元结构的特性所决定。因此，通过设计空间中排列的每个结构的特性，就可以设计出整个超材料在空间中每一点的电磁特性，这种电磁材料系统将会具有众多奇异特性，对电磁波的传播可以起到特殊的引导作用。

在本发明的等离子体源装置中，基材1由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。优选地，选用FR4、F4B、聚四氟乙烯，其中，聚四氟乙烯的电绝缘性非常好，因此不会对电磁波的电场产生干扰，并且具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性，使用寿命长，作为人造微结构2附着的基材1是很好的选择。

在本发明的等离子体源装置中，所述的人造微结构2为一具有图案的附着在基材1上的金属线。

在本发明的等离子体源装置中，金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在基材1上。

在本发明的等离子体源装置中，所述金属线为铜线或银线。

如图3b所示，作为一个具体的实施例，所述金属线呈二维雪花状，其具有相互垂直呈“十”字的第一主线21及第二主线22，所述第一主线21的两端垂直设置有两个第一支线23，所述第一主线的两端垂直设置有两个第二支线24。所述第一主线21及第二主线22相互平分，所述两个第一支线23的中心连接在第一主线21上，所述两个第二支线24的中心连接在第二主线22上。

图3c为本发明实施例超材料的立体图，即在两个第一支线和两个第二支线的两端均再加两个支线25和26。当然，这里只是举了一个简单的例子，金属线的图案还可以为其它的，本发明并不能对此一一列举。图中只是示意，实际上第一主线、第二主线、第一支线及第二支线都是有宽度的。

可影响调制结果分布的人造微结构2还有很多，如在许多文献中都被引用到的开口谐振环结构。另外人造微结构2还可以有很多变形图案，即：超材料上的人造微结构2还可以是三角形、四方形、不规则的闭合曲线等。

若干人造微结构2通过可由人工仿真技术实现，特定的电磁波的结构会产生吸波效应、涡流效应、等效电容效应等，诸如此类的效应会影响通过其的电磁波的能量，而电磁波能量与频率的关系为：E＝hv，h是普朗克常数，v是频率，E是指电磁波能量。

电磁波为一个矢量，其包括频率、幅度和相位，电磁波能量的变化实际上影响到了电磁波频率的变化，因此每个人造微结构2自身特定的结构实际上改变了通过的电磁波的频率，即：对输入的电磁波进行了调频，另外，结构不同则引起的调频不相同，因此，可以对电磁波的频率实现任意调制。所述超材料20发出的电磁波最终被谐振腔301接收并发生响应。

在基材选定的情况下，通过改变人造微结构的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排布获得想要的调制效果，这是因为，通过改变人造微结构的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排布，即可改变超材料所在空间中每一单元的电磁参数ε和μ，可以设计出空间中每一点的等效电磁参数，相应地得到其等效电容，进而获得每个人造微结构自身的响应频率，从而可以精确控制超材料所在空间中每一点的调制，进而得到我们想要的调制(整体调制)。至于怎么得到人造微结构的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排布，这个方法是多种的，举个例子，可以通过逆向的计算机仿真模拟得到，先我们需要的调制效果，根据此数效果去设计超材料空间调制器整体的电磁参数分布，再从整体出发计算出空间中每一点的电磁参数分布，根据这每一点的电磁参数来选择相应的人造微结构的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排布(计算机中事先存放有多种人造微结构数据)，对每个点的设计可以用穷举法，例如先选定一个具有特定图案的人造微结构，计算电磁参数，将得到的结果和我们想要的对比，对比再循环多次，一直到找到我们想要的电磁参数为止，若找到了，则完成了人造微结构的设计参数选择；若没找到，则换一种图案的人造微结构，重复上面的循环，一直到找到我们想要的电磁参数为止。如果还是未找到，则上述过程也不会停止。也就是说只有找到了我们需要的电磁参数的人造微结构后，程序才会停止。由于这个过程都是由计算机完成的，因此，看似复杂，其实很快就能完成。

实施本发明的等离子体源装置，具有以下有益效果：

1.体积小，不占用过多的空间；

2.简单、易于实现、低成本，通过超材料对电磁波加以影响，不依赖设备的种类及形状。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种等离子体源装置，其特征在于，包括：微波发生器、超材料以及等离子生成器，所述的微波发生器、超材料以及等离子生成器依次设置，所述的微波发生器用于产生微波；所述的超材料用于将所述的微波发生器发出的微波调制成能与所述的等离子发生器发生谐振的微波后，发送至所述的等离子生成器；所述的等离子体生成器用于生成等离子体；所述超材料由基材以及多个人造微结构组成，所述基材分成多个晶格，一个人造微结构置于一个晶格中形成一个单元，所有的单元在空间中形成周期阵列,在所述基材选定的情况下，通过改变所述人造微结构的图案、设计尺寸和/或所述人造微结构在空间中的排布获得内部的调制结果分布。

2.根据权利要求1所述的等离子体源装置，其特征在于，所述超材料由多个超材料片状基板堆叠形成，超材料片状基板由基材以及多个人造微结构组成，所述基材分成多个晶格，一个人造微结构置于一个晶格中形成一个单元，所有的单元在空间中形成周期阵列。

3.根据权利要求2所述的等离子体源装置，其特征在于，所述所有的单元在空间中呈均匀性的周期阵列。

4.根据权利要求1或2所述的等离子体源装置，其特征在于，所述基材由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。

5.根据权利要求1或2所述的等离子体源装置，其特征在于，所述的人造微结构为具有图案的附着在基材上的金属线。

6.根据权利要求5所述的等离子体源装置，其特征在于，所述金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在基材上。

7.根据权利要求5所述的等离子体源装置，其特征在于，所述金属线为铜线或银线。

8.根据权利要求5所述的等离子体源装置，其特征在于，所述金属线呈二维雪花状，其具有相互垂直呈“十”字的第一主线及第二主线，所述第一主线的两端各垂直设置一个第一支线，所述第二主线的两端各垂直设置一个第二支线。

9.根据权利要求8所述的等离子体源装置，其特征在于，所述第一主线及第二主线相互平分，所述第一支线的中心连接在第一主线上，所述第二支线的中心连接在第二主线上。