CN104782235B - 用于产生等离子体的表面波施加器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于产生等离子体的表面波施加器(1)，包括：导电同轴组件(2)，由中间芯体(20)和外管形导体(21)组成，外管形导体(21)围绕中间芯体(20)并且通过用于传播电磁波(W)的环形容腔(22)与中间芯体(20)分隔；以及介电管(3)，在同轴组件(2)的末端被插入用于传播电磁波的环形容腔(22)中并且以一至少等于介电管(3)的外直径的两倍的长度从所述施加器的出口平面(Y)延伸出，以使得在同轴组件(2)中传播的电磁波(W)沿介电管(3)的纵向(X)被引入介电管(3)的截面，从而沿着介电管的内壁(30)和/或外壁(31)与等离子气体(4)接触的部分产生表面波等离子体。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于产生等离子体的表面波施加器，以及用于产生表面波等离子体的设备和方法。
背景技术
表面波等离子体是一种高频等离子体(HF，也就是频率介于1MHz或以下至大于10GHz之间[1])，其中，等离子体由沿着与等离子体接触的介电管传播的电磁波(特别是射频或微波)来维持。
M.Moisan等人的文章[2]提供了该领域中的参考书目的深度回顾。
根据情况的不同，等离子体能够生成于介电管的外部或内部，又或者介电管的内部和外部。
在该技术中，等离子体和介电管构成了沿着传播区域生成等离子体的微波的传播介质。
电磁微波场被称为表面场，因为场的强度在介电管和等离子体之间的界面处最大。
通常情况下，表面波等离子体产生于没有静磁场的情况下，除非是在低压下，此时可施加轴向磁场(即在介电管的方向上)以提高对等离子体的径向限制和/或在电子回旋共振中产生等离子体的激发。
通常情况下，如图1中所示意性地示出的，生成自发射间隙场施加器的表面电磁波在介电管中产生表面波等离子体。
图1示出了包含等离子体4的介电管3的一半的剖视图。
轴线X是管3的回转轴线。
管的周围布置有导电的元件2a、2b，在此配置中，元件2a、2b具有与介电管3分别平行和垂直的主表面。
而且，元件2a和2b远离间隙G，间隙G的宽度大约为几毫米。
表面电磁波W生成于间隙G。
在导电元件2a和2b的表面处，电场仅仅具有径向分量。也就是说，在图1中所示的情况下，电场垂直于导电元件2a的表面以及导电元件2b的厚度。
电磁波W因而沿垂直于间隙的方向并且在间隙G的轴线(垂直于介电管1的轴线X)两侧大体对称地(波W1和W2)传播。
允许在介电管中发射表面电磁波的各种设备或施加器已经被提出。
在这些设备中，介电管穿过箱体(施加器则被称为“同轴型表面波等离子体发生器(surfatron)”)或波导管(施加器则被称为“波导型表面波等离子体发生器(surfaguide)”)，波导管允许将微波电场施加到介电管，微波电场能够沿着该微波电场产生的等离子体传播。
图2A示出了同轴型表面波等离子体发生器的示例；图2B示出了波导型表面波等离子体发生器的示例。这两个图来自[3]。
图2A的同轴型表面波等离子体发生器是由导电壁2b封闭的圆柱形箱体。
垂直于导电壁2b的介电管3在整个长度上都具有轴向导电条2a。
介电管3位于圆柱形箱体内部，在介电管3的末端和导电壁2a之间设置有间隙G。
电磁功率的引入由附图标记P示意性示出。
图2B的波导型表面波等离子体发生器包括波导管GO，介电管3垂直穿过波导管GO，在波导管的壁和介电管之间设置有发射间隙G。
可以发射方位对称的表面波(模m＝0)的这些设备中的大多数或者具有其自身的阻抗匹配装置(如在同轴型表面波等离子体发生器的情况下)，又或者具有独立的装置(如在波导型表面波等离子体发生器的情况下)。
如图1中所示，最常见的情况是，表面波关于间隙对称。
图3示出了等离子体4的电场指向介电管3的外部(介质A例如由空气或电介质组成)的径向和轴向分量随着径向方向上从介电管3的轴线Z开始的距离r的变化。
纵轴示出了以相对单位表示的电磁波的电分量的强度。
从图3中看到，电磁波的电分量的轴向分量(虚线)从等离子体4到外部介质A是连续的，而电场的径向分量(实线)在介电管3处具有相当大的不连续性。
然而，当前设备具有一定的不足。
首先，大多数表面波施加器(也被称为发射器)的设计和制造非常复杂，由此造成相当高的成本。
另一方面，正如在图2A和2B中能够看到的，全部的这些施加器与通常使用的介电管的直径(通常在一厘米左右)相比具有相当大的体积。
该体积是非常不利的，特别是在考虑到多处放电的情况下。
这些设备的阻抗匹配系统也昂贵且体积巨大。
而且，在大多数施加器中，在没有诸如反射器之类的附属设备时。(由上游波和下游波)在发射间隙的两侧产生等离子体。
然而，通常情况下希望在这两个方向中的仅一个方向上产生等离子体，这在许多情况下导致了功率损失(因数达到2)并因而导致非常不利的能量平衡。
最后，特定的设备适于给定的频率(如在波导型表面波等离子体发生器的情况下)，其它具有相同配置的设备仅能够适用于有限的频率范围。
然而，表面波等离子体可达到的频率范围宽得多，因为该频率范围从小于1MHz(射频RF范围的起点)开始并覆盖微波范围直到超过10GHz。
本发明的一个目的是提出一种表面波施加器，该表面波施加器使得以上不足可以被克服。
发明内容
根据本发明提出了一种用于产生等离子的表面波施加器，包括：
导电同轴组件，由中间芯体和管形外导体组成，所述管形外导体围绕所述中间芯体并且通过环形电磁波传播容腔与所述中间芯体分隔，以及
介电管，在所述同轴组件的末端被插入电磁波传播容腔并且以一至少等于所述介电管的外直径的两倍的长度从所述施加器的出口平面延伸出，以使得在所述同轴组件中传播的所述电磁波沿所述介电管的纵向被引入所述介电管的截面，从而沿着所述介电管的内壁和/或外壁与等离子气体接触的部分产生表面波等离子体。
根据一个实施例，同轴组件的中间芯体的末端和外导管的末端共面。
根据另一实施例，外导体在中间芯体的末端的平面之外至少部分围绕介电管。
根据另一实施例，中间芯体在外导体的末端的平面之外至少部分占据介电管的内部容腔。
在特定优势下，同轴组件还包括阻抗匹配设备。
根据本设备的一个有利实施例，介电管被插入同轴组件的长度被选择为使等离子体的阻抗与同轴组件的特征阻抗之间的阻抗相匹配。
而且，同轴组件能够包括用于使设置在中间芯体内和/或外导体中的冷却流体进行循环的回路。
另一方面，介电管能够包括用于使设置在所述介电管的内部容腔中和/或所述介电管的厚度内的冷却流体进行循环的回路。
根据一个实施例，施加器进一步包括圆柱形永磁体，其磁化方向平行于施加器的轴线，圆柱形永磁体位于中间芯体的末端。
根据另一实施例，施加器还包括：
圆柱形永磁体，其磁化方向平行于所述施加器的轴线，所述圆柱形永磁体位于所述中间芯体的末端；以及
至少一个环形永磁体，其磁化方向平行于所述施加器的轴线并且与上述居中的圆柱形磁体的磁化一致，所述至少一个环形永磁体围绕所述外导体的末端；
所述这些磁体的磁化被选择以形成一磁场，该磁场能够在远离所述施加器的末端的区域内提供与所述施加器生成的微波电场耦合的电子回旋共振；
所述环形磁体的外半径和磁化也被选择以使得所述磁体生成的磁场线在与所述施加器的轴线基本平行的方向上经过所述电子回旋共振区域。
根据一个实施例，施加器包括一围绕介电管同心延伸的由介电材料制成的限制管，所述限制管被嵌入同轴组件的外电导体。
另一目的涉及一种表面波等离子体产生设备，包括：一包含等离子气体的外壳和至少一个如上所述的施加器，其中，所述介电管延伸出所述施加器的所述出口平面的内壁和/或外壁的一部分与所述等离子气体接触。
根据一个实施例，介电管是密封的并且构成所述包含等离子气体的外壳。
根据一个变型，介电管位于外壳内。
根据本发明的一个实施例，外壳包括一围绕所述介电管同心延伸的由介电材料制成的限制管，所述限制管嵌入在所述施加器的所述同轴组件的所述外电导体中。
特别有利地，所述限制介质的埋入深度等于(2k+1)λ/4，其中，k为整数，λ为所述电磁波在被插入所述同轴组件的所述介电管内传播的波长，所述波长由公式λ＝λ0/ε1/2给出，其中，λ0为所述电磁波在真空或在空气中传播的波长，并且ε为所述限制管的介电材料相对于真空的介电常数的相对介电常数。
介电管能够在其与同轴组件相反的末端处开口，等离子气体与介电管的内壁和外壁接触。
替代性地，介电管能够在其与同轴组件相反的末端封闭，等离子气体仅与介电管的外壁接触。
根据另一变型，介电管能够在其与同轴组件相反的末端封闭，所述介电管的内部处于真空状态或者填充有介电材料(固体或流体)。
而且，外壳能够包括用于将等离子气体引入外壳的设备以及用于将等离子气体从外壳内泵送到外壳的外部的设备。
根据一个特定实施例，中间芯体包括用于将等离子气体引入外壳的导管。
当施加了合适的磁场来提供电子回旋共振时，外壳内的等离子气体的压强较优地小于133Pa。
最后，另一目的涉及一种用于沿介电管产生表面波等离子体的方法，介电管的内壁和/或外壁与等离子气体接触，其特征在于，该方法包括：
使电磁波在由中间芯体和外导体组成的导电同轴组件中传播，所述外导体围绕所述中间芯体并且通过用于传播所述电磁波的环形容腔与所述中间芯体分隔，以及
沿所述介电管的纵向将所述电磁波引入所述介电管的截面，所述介电管在所述同轴组件的末端被插入环形电磁波传播容腔并且从所述同轴组件的所述出口平面延伸出一为所述介电管的外直径的至少两倍的长度。
根据该方法的一个实施例，电磁波为微波。
可选地，等离子气体的压强小于133Pa并且等离子体由电子回旋共振产生。
根据该方法的另一实施例，电磁波为射频波。
有利地，通过使冷却流体在所述同轴组件内进行循环来冷却同轴组件。
通过使介电冷却流体在介电管内循环来冷却所述介电管。
附图说明
参照附图并根据以下详细说明，本发明的其它特征和优点将显现出来，在附图中：
图1为常规的表面波施加器的概括原理图；
图2A和2B分别示出了属于现有技术的同轴型表面波等离子体发生器和波导型表面波等离子体发生器的图解；
图3为示出了等离子体的电场指向介电管外的径向和轴向分量的变化的曲线图；
图4为根据本发明的第一实施例的表面波施加器的概括原理图；
图5为根据本发明的第二实施例(在介电管内产生等离子体)的表面波施加器的概括原理图；
图6为根据本发明的第三实施例(在介电管外产生等离子体)的表面波施加器的概括原理图；
图7显示了一个实施例的示例，该实施例使得可以得到等离子体的阻抗和同轴线的特征阻抗之间的阻抗匹配；
图8为根据本发明的一个特定实施例的等离子体产生设备的概括原理图，该实施例对应于包括气体引入和泵送的动态模式产生等离子体；
图9为根据本发明的表面波施加器的一个变型的概括原理图，其中，还借助于放置在中间芯体末端处的永磁体来施加磁场；
图10为根据本发明的表面波施加器的一个变型的概括原理图，其中，还借助于放置在中间芯体末端处的永磁体以及放置在外导体末端处的第二环形永磁体来施加磁场；
图11A为根据本发明的另一实施例(对介电管外产生的等离子体进行限制)的表面波施加器的概括原理图；图11B为图11A的一个次有利变型的概括原理图。
具体实施方式
图4为根据本发明的用于产生等离子体的表面波施加器1的概括原理图。
所述施加器包括导电的同轴组件2，同轴组件2由中间芯体20和外管形导体21组成，外管形导体21围绕中间芯体20并且通过用于传播电磁波W的环形容腔22与中间芯体20分隔。
此类同轴组件2本身是已知的并且其设计是本领域的技术人员所懂得的。
而且，介电管3在同轴组件2的末端被插入用于传播电磁波的环形容腔22，同时延伸出施加器的出口平面。
施加器的出口平面是同轴组件2与包含等离子气体的容腔之间的界面，所述出口平面构成了施加器与电磁波从所述等离子气体生成的等离子体之间的界限。
介电管因此包括被插入环形容腔22的第一部分和延伸出施加器的出口平面的第二部分，两个部分的内壁和/或外壁能够与等离子气体接触。
为了生成等离子体，等离子气体与介电管3接触，等离子气体根据应用的不同可能位于所述介电管的内部和/或外部又或者位于介电管的两侧，以下对各个应用中的几个示例进行详述。
介电管3能够由任何介电材料制成，该介电材料是适于在没有显著损失的情况下传播电磁波的介质。
介电管3较优地能够由二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)或氮化铝(AlN)制成，但是本发明不限于这些材料。
介电管3通常具有环形截面并且沿纵向X延伸。
介电管3的半径通常为一厘米左右，即根据应用和工作条件的不同介于几毫米和几厘米之间。
在施加器的出口平面外，介电管3的直径能够逐渐改变，在一些使用表面波等离子体的设备中通常就是如此。
介电管3的厚度通常为一毫米左右。
对介电管3被插入到同轴组件的部分的厚度进行选择，以使得介电管3基本占据环形容腔22的整个宽度。
有利地，介电管与环形容腔之间的连接对于等离子气体的密封以任何合适的手段来提供。
介电管的长度取决于要进行的应用。
通常，介电管3的长度大于同轴施加器的直径(一厘米左右)，并且根据应用的不同，能够具有从5cm左右到一米左右的长度。
介电管3延伸出施加器的出口平面的部分的长度有利地对应于期望生成的等离子体所达到的长度。
较优地，延伸出施加器的出口平面的部分的长度被选择为大于或等于介电管3的外径的两倍，从而基本沿介电管的所述部分的长度产生等离子体。
如果不是这种情况，若介电管延伸出出口平面的长度较短并通常小于介电管的外径，则在不产生表面波的情况下直接在施加器的出口处生成等离子体，这对应于本发明并不考虑的情况，其中，在施加器的出口平面中形成一层等离子体。
如以下将看到的，介电管3在与同轴组件2相反的末端33处能够是开口的；替代性地，介电管3在该末端33处能够是封闭的。
在同轴组件2的环形容腔22中传播的电磁波W沿所述介电管的纵向X被引入介电管3的截面并且在所述介电管的厚度内纵向传播。
在设备的同轴部分，电磁波以横向电磁模(TEM)传播，横向电磁模是电场纯粹为径向的模。
在施加器1的出口平面Y中，中间芯体和外导体的金属表面的法线从径向改变到平行于轴线X的轴向。
因此，出现轴向电场分量(以及径向分量)，这造成了非常有利于发射表面波的情况(参见图3，沿着介电管超出施加器的出口平面，表面波包括轴向分量和径向分量)。
根据施加器和等离子气体的配置的不同，出口平面能够由限定了中间芯体20的末端和/或外导体21的末端的平面组成，中间芯体和/或外导体21与等离子气体接触。
在图4中所示的实施例中，中间芯体20的末端和外导体21的末端共面并且构成所述出口平面Y。
然而，如下所见，中间芯体20的末端和外导体21的末端并非必须共面。
在此情况下，根据等离子气体是否位于介电管3的内部和/或外部，施加器的出口平面被定义为一对同轴组件的与等离子气体接触的部分的末端加以限定的平面。
因此，在图5中所示的实施例中，等离子气体被限制在介电管3内并且外导体21延伸出中间芯体20。
在此情况下，不论外导体21的末端位于何处，施加器的出口平面Y都对应于中间芯体20的末端的平面。
相反，在图6中所示的实施例中，等离子气体被限制在介电管3外的外壳中，外导体与所述外壳的壁齐平并且中间芯体20延伸出外导体21。
在此情况下，不论中间芯体20的末端位于何处，施加器的出口平面Y都对应于外导体21的末端以及外壳的壁的平面。
由于施加器的出口平面Y中的金属表面的法线方向改变，所以出现轴向电场分量，这造成对在施加器的出口平面Y以外的介电管3的截面中发射表面波(包含轴向分量和径向分量)有利的情况。
因此，不同于现有技术中将电磁波切向发射到介电管中，本发明提出从被引入到介电管的界面中的电磁波开始沿介电管的纵向发射电磁波。
系统的效果因而得到了实质性的增强，这是因为，假定在完美的阻抗匹配的情况下，全部的入射电磁功率都被引入并随后在介电管内传播。
为了获得最佳的阻抗匹配，在同轴组件中将本领域的技术人员已知的阻抗匹配设备放置得尽量靠近等离子体。
举例而言，图7描述了一个示例，其中，等离子体的阻抗Zp和同轴组件的特征阻抗Zc之间的阻抗匹配通过四分之一波阻抗变换器Zi来获得，其中：
Zi 2＝ZcZp
在此情况下，介电管3被引入同轴组件的长度必须对应于电介质中的四分之一波长(λ/4)。
更加普遍地，本领域的技术人员能够确定给定的同轴结构与给定的负载阻抗之间的阻抗匹配的装置。
为了实施本发明，能够使用覆盖了射频(RF)和微波范围的频率范围内的电磁波。
在这一很宽的范围内，尤其能够使用ISM(industrial,scientific and medical的首字母缩写，工业、科学和医学)频率，诸如RF范围的13.56MHz、27.12MHz或40.68MHz，微波范围的433MHz、2.45GHz或5.80GHz。
当然，此列表是非限定性的，并且本领域的技术人员能够在RF范围(也就是，1至100MHz)内或在微波范围(也就是，100MHz至10GHz)内选择任何其它频率而不超出本发明的保护范围。
根据应用的不同，所施加的功率能够介于1瓦特或几瓦特(例如在照明的情况下)与几百瓦特或更高功率(例如在气态排出物处理的情况下)之间。
本领域的技术人员能够根据所涉及的应用的不同来确定所需要的功率。
在介电管3中传播的电磁波的影响下，在与介电管3接触的等离子气体中生成等离子体。
如之前所述，所述等离子气体能够位于介电管3的内部和/或外部。
等离子气体能够是允许在介电管3中传播的电磁场的影响下生成等离子体的任何组分的气体。
在与照明相关的应用中，等离子气体则按照惯例能够由一个或更多稀有气体(特别是氩气)和汞组成。
借助于非限定性示例，还可以考虑的气体诸如氮、氧、卤代气体或其它对于目标应用具有有利的物理化学特性的气体。
根据本发明的一个实施例，等离子气体被限制在介电管3内，介电管3在其与同轴组件2相反的末端33处密封。
介电管3一旦被插入同轴组件2就形成用于生成等离子体的密封外壳。
图5示出了此类实施例的一个示例。
在此情况下，等离子气体4被封闭在介电管3中，介电管3在其围绕中间芯体20的末端是密封的以及在另一末端33处被液密壁所密封。
如该图中所见，外导体21在施加器的出口平面外可以至少部分地包围介电管3，出口平面在该实施例中对应于中间芯体20的末端。
该配置使得例如可以在施加器的出口平面处形成屏蔽，并因此防止电磁辐射传输到外部。
如图6中所示，根据本发明的另一实施例，等离子气体4被限制在外壳(未示出)中并且介电管3转而被插入所述外壳。
等离子体因此能够形成于介电管3的外部。
该实施例的特别有利之处在于，由于等离子体生成于介电管外部，所以等离子体吸收电磁辐射。
一个特别示例就是照明，其中，灯泡构成包含等离子气体的所述外壳，介电管位于灯泡内部。
如果介电管3在其末端33处开口并因此与外壳的容腔相通，那么等离子体也能够形成于所述介电管3内。
可选地，如在图6中所见，中间芯体20在施加器的出口平面外可以至少部分地占据介电管3的内部，出口平面在该实施例中对应于外导体21的末端。
该实施例特别有利于借助于水(或者在热导管情况下的任何载热流体)的内部循环来冷却中间芯体20。
具体地，等离子体腔的密封能够由已知技术来完成。
因此，等离子体腔相对于施加器的密封能够通过在介电管和中间芯体以及同轴组件的外导体之间放置O形环来提供。
替代性地或作为补充，介电管能够被铜焊到中间芯体和同轴组件的外导体上。
可选地，介电管能够通过由介电材料制成的塞子在介电管被插入同轴组件的环形容腔中的末端附近被密封。
而且，当等离子体需要生成于介电管外时，介电管3能够被插入密封外壳，同轴组件的外导体较优地与所述外壳的内壁齐平(例如，如图8中所示)。
同轴组件与外壳中同轴组件穿过的壁之间的密封由任意合适的手段提供，诸如O形环、铜焊等等。
在照明应用的情况下，施加器工作在静态模式下，也就是说没有任何等离子气体的流动。
替代性地，施加器能够以动态模式实施，也就是说在外壳中实施,所述外壳包含一用于将等离子气体从外部泵向该外壳内的设备。
该特定实施例在图8中示出，其中，在外壳内示意性示出了泵送设备5。
可选地(同样如图8中所示)，芯体能够包括用于将等离子气体引入外壳的导管23。
该实施例在化学反应在等离子体内实施时(例如，用于处理排放物)是有利的，这是因为此时等离子气体的更新和反应产物的排出是必须的。
由于泵送设备5以及适用情况下的导管23的使用，动态模式下的工作压强或气流因此能够被控制。
在使用了高电磁功率水平的情况下，有必要对施加器进行冷却。
该冷却能够通过适合的流体(例如水)在同轴组件的中间芯体和/或外导体内的循环来完成。
还可以使介电冷却流体在空间22中循环以用于传播微波。
对允许该循环的通道的限定和实施本身是已知的，并且在遇到的技术限制下对本领域的技术人员而言是容易得到的。
当工作在很高的功率水平时，还有必要对介电管进行冷却。
这能够通过使介电流体在所述介电管的厚度内和/或在介电管内循环(在等离子体产生于介电管外的情况下)来完成。
通常情况下，表面波等离子体产生于没有静磁场的情况下，除非是在低压下，此时可施加轴向磁场(在介电管的方向上)以提高对等离子体的径向限制(减少介电管壁上的等离子体损失)和/或在电子回旋共振中产生等离子体的激发。
如图9中所示，第一简化实施例能够通过在同轴结构的中间芯体20的末端中插入轴向磁化圆柱形磁体200来获得。
另一更加有利的实施例使得可以利用电子回旋共振(RCE，résonancecyclotronique électronique)模式。
在电子回旋共振中，如果(可由线圈或永磁体产生的)磁场的强度使得电子在磁场中的回转频率等于微波电场的频率f0，或者如下式所述，那么微波电场非常有效地对电子加速，下式为：
f0＝eB0/2πme (1)
其中，me为电子的质量，-e为电子的电荷量并且B0为对应于针对微波频率f0的电子回旋共振(RCE)的磁场的强度。
在不存在碰撞的情况下，所谓的快电子的轨道则被加速以在磁场中电子回旋共振，随后关于磁场线进行螺旋运动。
为了实施该共振模式，如图10中所示，施加器10包括：
圆柱形永磁体200，位于中间芯体20的末端并且其磁化方向(由箭头概括示出)平行于轴线X；所述磁体的半径与中间芯体20的半径基本相同(具体地，圆柱形磁体能够具有比中间芯体略小的半径并且被安置在制作于中间芯体的末端中的圆柱形凹部中)；
环形磁体201，位于同轴组件的外导体21的末端处并且其磁化方向(由箭头概括示出)平行于轴线X且与圆柱形磁体200的磁化方向一致。
较优地，所述环形磁体的内半径与外导体21的外半径基本相等，外导体21的外半径与用于传播微波的环形容腔22的表示为R的外半径对应。具体地，环形磁体能够具有比外导体略大的内半径以及比外导体略小的内半径，并且被安置在制作于外导体的末端中的环形凹部中。
磁体能够以任意合适的手段被永久附接到同轴组件上。
圆柱形磁体200和环形磁体201的磁化被选择为形成一磁场，该磁场适于在远离施加器的出口平面Y的区域提供与施加器所生成的微波电场耦合的电子回旋共振。
这假定所述磁体200和201的磁化足以在远离施加器的出口平面Y处生成一磁场，根据以上公式(1)，该磁场具有允许与给定的微波频率对应的电子回旋共振的强度B0。
为了在2.45GHz的微波产生的电子回旋共振处激发等离子体，共振条件(B0＝875高斯)能够通过由例如钐钴合金制成的常规永磁体获得。
另一方面，圆柱形磁体200和环形磁体201使得可以生成在与施加器的轴线X基本平行的方向上穿过电子回旋共振耦合区域的磁场线。
该作用能够通过适当选择环形磁体201的外半径和磁化来获得。
实际上，环形磁体201的外径越大，远离施加器生成的磁场的等强度线就更多地在较大半径上保持与施加器的出口平面Y平行。
由于微波电场最强的区域在径向上限制了电子回旋共振区域，使用外半径远大于该区域的半径的环形磁体使得可以获得与施加器的出口平面Y基本平行的RCE区域。
据知，该强电场区域的延伸半径为施加器的半径的两倍左右。
因此，如果环形磁体201的外半径大于强电场区域的半径，那么RCE区域在其半径为2R的全部范围内与施加器的出口平面基本平行。
另一方面，由于存在外半径大于2R的环形磁体201，所以离开位于施加器的出口平面处的极点并到达相反极点处的场线在穿过半径为2R的区域ZRCE时甚至是在该区域的外围与施加器的轴线X基本保持平行。
换言之，环形磁体具有使得RCE区域外围的场线“变直”的作用。
根据本发明的另一实施例，在想要沿介电管的外壁产生环形表面波等离子体的情况下，借助于介电限制管来限制所述等离子体是有利的，所述介电限制管具有较产生等离子体所沿的介电管大的直径并且与该介电管同心布置。
在等离子体与生成所述等离子体所沿的介电管之间的界面处最大的电磁场因此能够被围绕所述介电管延伸的环形气体容腔吸收。
这使得可以将电磁辐射限制在外部。
该实施例如图11A中所示。
介电等离子体限制管由附图标记6表示。
限制管6的与同轴组件相反的末端封闭，以使得限制管6构成能够保持等离子气体的外壳。
因此，根据一个特定实施例，介电限制管能够构成灯泡的玻壳。
生成等离子体所沿的介电管3在与同轴组件相反的末端能够开口或封闭。
因此能够获得三种等离子体生成配置。
在第一种情况下，介电管3开口，以使得介电管3的内部与所述限制管的外部连通，这使得可以在介电管3的内部和外部生成等离子体，所述等离子体在外部被限制管6限制。
在第二种情况下，介电管3封闭并且处于真空状态或填充有介电材料，例如填充有固态形式的介电材料，等离子气体被包含在限制管6内、介电管3外。因此在介电管3和限制管6之间的环形容腔内形成等离子体。
最后，在第三种情况下，介电管封闭并包含等离子气体，限制管6不包含等离子气体。因此仅在介电管3内形成等离子体。
介电限制管6有利地被嵌入在同轴组件的外管形导体21中直至深度p。
该嵌入的作用是有利于在所述限制管的出口平面中形成高频HF电场的轴向和径向两个分量，正如在生成等离子体的介电管3上出现的情况一样。
深度p有利地基本等于(2k+1)λ/4，其中，k为整数且λ为所述电磁波在被插入到同轴组件中的限制管6内传播的的波长。
因此，在施加器的出口平面内获得电场波腹(最大值)。
所述波长λ由以下公式给出：
λ＝λ0/ε1/2
其中，λ0为所述电磁波在真空或空气中传播的波长，并且ε为限制管6的介电材料相对于真空的介电常数的相对介电常数。
较优地，为了有利于设备的紧凑性，选择k＝0，或者换言之，限制管的埋入深度大约为λ/4。
如在图11A中所见，外电导体能够具有相对施加器的出口平面Y突出的肩部21a。
肩部使得可以防止电磁波在出口平面内径向传播到介电限制管6外部。
图11B出于对比的目的显示了以下情况：限制管6仅与外电导体21的出口表面接触。
在此情况下，HF电场仅存在与外电导体21的表面正交的轴向分量，这不利于发射表面波；与之相反，该配置有利于波在外导体21的表面上的径向传播。
在多个应用中，符合本发明的各个实施例的施加器能够有利地作为各个单元或关联被用于形成扩展源。
这些应用包括但不限于：照明、形成扩展等离子体源用于实现表面处理(通过将多个施加器关联在同一外壳内)、用于微电子和纳米技术的刻蚀、气体排出物处理、等离子杀菌、中性物质源、光子源或离子推进。
实际上，本发明使得可以纠正上述现有设备的不足。
尤其是，施加器的具有比现有设备明显更加简单的设计和制造，并且适于宽频率范围(RF和微波)。
而且，施加器的径向空间要求由同轴组件的径向空间要求(典型地，外管形导体的外径)来确定，同轴组件的径向空间要求通常远小于诸如图2A和2B中所示的同轴型表面波等离子体发生器和波导型表面波等离子体发生器之类的切向波发射设备的径向空间要求。
举例而言，同轴施加器的直径为1至2cm左右，而波导型表面波等离子体发生器的尺寸大约为电磁波的波长。
另一方面，根据所使用的电磁波的频率的不同，施加器与传统的阻抗匹配设备一同工作，并因而不需要大体积和高成本的设备的实施。
因为仅在一个方向上(也就是，介电管3的与同轴组件2相反的末端33的方向)发射表面波，所以没有能量损失。
施加器的能量有效性因而达到最佳。
最后，如上所述，施加器能够容易适用于通过电子回旋共振(RCE)的耦合以形成并在低压下维持等离子体。
要对施加器进行的结构修改实际上是最小限度的，如上所见，只需要将永磁体布置在同轴组件的中间芯体的末端处和外导体的末端处。
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Claims (28)
1.一种用于产生等离子体的表面波施加器(1)，包括：
同轴组件(2)，其为导电的并且由中间芯体(20)和外管形导体(21)组成，所述外管形导体(21)围绕所述中间芯体(20)并且通过用于传播电磁波(W)的环形容腔(22)与所述中间芯体(20)分隔；以及
介电管(3)，在所述同轴组件(2)的末端被插入用于传播所述电磁波的所述环形容腔(22)中并且以一至少等于所述介电管(3)的外直径的两倍的长度从所述施加器的出口平面(Y)延伸出，以使得在所述同轴组件(2)中传播的所述电磁波(W)沿所述介电管(3)的纵向(X)被引入所述介电管(3)的截面，从而沿着所述介电管的内壁(30)和/或外壁(31)与等离子气体(4)接触的部分产生表面波等离子体。
2.根据权利要求1所述的施加器，其特征在于，所述同轴组件(2)的所述中间芯体(20)的末端和所述外管形导体(21)的末端共面。
3.根据权利要求1所述的施加器，其特征在于，所述外管形导体(21)在所述中间芯体(20)的末端的平面之外至少部分地围绕所述介电管(3)。
4.根据权利要求1所述的施加器，其特征在于，所述中间芯体(20)在所述外管形导体(21)的末端的平面之外至少部分地占据所述介电管(3)的内部容腔。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的施加器，其特征在于，所述同轴组件包括阻抗匹配设备。
6.根据权利要求5所述的施加器，其特征在于，所述介电管(3)被插入所述同轴组件(2)的长度被选择为使等离子体的阻抗(Zp)与所述同轴组件(2)的特征阻抗(Zc)之间的阻抗相匹配。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的施加器，其特征在于，所述同轴组件(2)包括一用于使设置在所述中间芯体(20)中和/或所述外管形导体(21)中的冷却流体进行循环的回路。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的施加器，其特征在于，所述介电管(3)包括一用于使设置在所述介电管的内部容腔内或所述介电管的厚度内的冷却流体进行循环的回路。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的施加器，其特征在于，所述施加器进一步包括圆柱形永磁体，其磁化方向平行于所述施加器的轴线，所述圆柱形永磁体位于所述中间芯体的末端。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的施加器，其特征在于，所述施加器进一步包括：
圆柱形永磁体，其磁化方向平行于所述施加器的轴线，所述圆柱形永磁体位于所述中间芯体的末端；以及
至少一个环形永磁体，其磁化方向平行于所述施加器的轴线并且与所述圆柱形永磁体的磁化一致，所述至少一个环形永磁体围绕所述外管形导体的末端；
所述圆柱形永磁体和所述至少一个环形永磁体的磁化被选择以形成一磁场，该磁场适于在远离所述施加器的末端的区域内获得与所述施加器生成的微波电场耦合的电子回旋共振；
所述环形永磁体的外半径和磁化也被选择以使得所述圆柱形永磁体和所述至少一个环形永磁体生成的磁场线在与所述施加器的轴线基本平行的方向上经过电子回旋共振耦合区域。
11.根据权利要求1至4中任一项所述的施加器，其特征在于，所述施加器包括一围绕所述介电管(3)同心延伸的由介电材料制成的限制管(6)，所述限制管(6)嵌入在所述同轴组件的所述外管形导体(21)中。
12.一种表面波等离子体产生设备，包括：包含等离子气体(4)的外壳和至少一个根据权利要求1至11中任一项的施加器(1)，其中，所述介电管(3)延伸出所述施加器的所述出口平面的内壁(30)和/或外壁(31)的一部分与所述等离子气体(4)接触。
13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述介电管(3)是密封的并且构成所述包含等离子气体(4)的外壳。
14.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述介电管(3)位于所述外壳内。
15.根据权利要求14所述的设备，其特征在于，所述外壳包括一围绕所述介电管(3)同心延伸的由介电材料制成的限制管(6)，所述限制管嵌入在所述施加器的所述同轴组件的所述外管形导体(21)中。
16.根据权利要求15所述的设备，其特征在于，所述限制管(6)的埋入深度(p)等于(2k+1)λ/4，其中，k为整数，λ为所述电磁波在被插入所述同轴组件的所述限制管(6)内传播的波长，所述波长(λ)由公式λ＝λ0/ε1/2给出，其中，λ0为所述电磁波在真空或在空气中传播的波长，并且ε为所述限制管(6)的介电材料相对于真空的介电常数的相对介电常数。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的设备，其特征在于，所述介电管(3)在其与所述同轴组件(2)相反的末端(33)处开口，所述等离子气体(4)与所述介电管(3)的所述内壁(30)和所述外壁(31)接触。
18.根据权利要求14至16中任一项所述的设备，其特征在于，所述介电管(3)在其与所述同轴组件(2)相反的末端(33)处封闭，所述等离子气体(4)仅与所述介电管(3)的所述外壁(31)接触。
19.根据权利要求14至16中任一项所述的设备，其特征在于，所述介电管(3)在其与所述同轴组件(2)相反的末端(33)处封闭，所述介电管(3)为真空的或者填充有介电材料。
20.根据权利要求14至16中任一项所述的设备，其特征在于，所述外壳包括用于将等离子气体引入所述外壳的设备以及用于将等离子气体(4)从所述外壳的内部泵送到所述外壳的外部的设备(5)。
21.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，所述中间芯体(20)包括用于将等离子气体引入所述外壳的导管(23)。
22.根据权利要求12至16中任一项所述的设备，其特征在于，所述外壳内的所述等离子气体的压强小于133Pa。
23.一种用于沿介电管(3)产生表面波等离子体的方法，所述介电管(3)的内壁(30)和/或外壁(31)与等离子气体(4)接触，其特征在于，所述方法包括：
使电磁波(W)在由中间芯体(20)和外管形导体(21)组成的导电同轴组件(2)中传播，所述外管形导体(21)围绕所述中间芯体(20)并且通过用于传播所述电磁波(W)的环形容腔(22)与所述中间芯体(20)分隔，以及
沿所述介电管(3)的纵向(X)将所述电磁波(W)引入所述介电管(3)的截面，所述介电管(3)在所述同轴组件(2)的末端被插入到用于传播所述电磁波的所述环形容腔(22)中并且从所述同轴组件的出口平面延伸出一为所述介电管(3)的外直径的至少两倍的长度。
24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述电磁波为微波。
25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述等离子气体的压强小于133Pa，并且所述等离子体由电子回旋共振产生。
26.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述电磁波为射频波。
27.根据权利要求23至26中任一项所述的方法，其特征在于，通过使冷却流体在所述同轴组件内进行循环来对所述同轴组件(2)进行冷却。
28.根据权利要求23至26中任一项所述的方法，其特征在于，通过使冷却流体在所述介电管的内部容腔内或在所述介电管的厚度内循环来对所述介电管(3)进行冷却。
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