CN109041394B - 一种等离子体束径可控的静电聚焦喷头装置及喷射方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于等离子体加工领域，并具体公开了一种等离子体束径可控的静电聚焦喷头装置及喷射方法，其包括喷头组件、聚焦组件和变焦组件，喷头组件包括从上至下依次同轴设置的衔接头、辅助接头和输出接头，衔接头内开设有用于放置高压电极的通孔及进气通道，辅助接头内开设有电离腔，输出接头内开设有电极环腔，底部设有等离子束输出口；聚焦组件包括间隔设置的三个电极环，三个电极环连接不同电位且电压可调，电极环中部开设有通气孔，等离子体射流经通气孔从等离子束输出口送出；变焦组件用于调节电极环的间距，实现等离子体射流聚焦焦点的调节。本发明可实现等离子体射流焦距的调节，可用于不同高度材料的加工，并可实现曲面上的自由加工。

Description

一种等离子体束径可控的静电聚焦喷头装置及喷射方法

技术领域

本发明属于等离子体加工领域，更具体地，涉及一种等离子体束径可控的静电聚焦喷头装置及喷射方法。

背景技术

不同于传统浸没式等离子体处理，等离子体直写是利用高压电场激发气体放电产生等离子体，在气流和电场等多因素驱动下使其从放电腔体内喷出并做定向运动，将活性物质和带电粒子直接运输到被处理物体的表面，完成材料处理。该工艺保留了传统低气压等离子体处理的低温、非接触式、改性氛围丰富等特点，还具有大气压工况、可直写操作、处理对象不受限、与橡胶基材和卷到卷制造良好兼容等独特优势。

目前，最常用的控制等离子体束径的方法是限制喷嘴(通常是毛细管，内径可达亚微米级)的内径，利用该技术已经实现了单个细胞的定位处理、石墨烯的选区氮掺杂(线宽10μm)和光刻胶薄膜的点刻蚀直径(0.5μm)等。虽然喷嘴内径的减小确实可以提高分辨率，但等离子体射流喷出后因存在对流扩散，实际线宽较喷嘴尺寸大十倍以上。同时，小喷嘴制造时尺寸和形貌较难保证，且射流短、工作距离近，仅改变喷嘴内径难以满足高分辨率图案改性制造需求。因此，通过聚焦来调控等离子体射流的内径，既克服了等离子体扩散的缺陷，使得等离子体射流的束径不受限于喷嘴的制造与形貌，同时也不受限于工作电压随着喷嘴内径减小而显著增大的特点(1μm内径需要电压超过60kV)。通过电磁场的约束来进一步提高直写分辨率，借助计算机数据这一虚拟掩膜方便实现图案化，等离子体直写在可穿戴通信设备、薄膜晶体管和纳米材料的高分辨率、高可靠性制备领域具有明显优势与巨大潜力。

鉴于等离子体直写技术具有低温非接触式处理、兼容性好等优势，并且通过设计使等离子体射流聚焦的电极环可以极大的提高分辨率，实现精细结构的无掩膜刻蚀制造以及局部表面改性，本领域亟需设计一种等离子体束径可控的喷头装置及方法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种等离子体束径可控的静电聚焦喷头装置及喷射方法，其通过对关键组件如喷头组件、聚焦组件和变焦组件的结构及其具体布置方式进行研究和设计，可实现等离子体射流焦距的调节，可用于不同高度材料的加工，并可实现曲面上的自由加工。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种等离子体束径可控的静电聚焦喷头装置，其特征在于，包括喷头组件、聚焦组件和变焦组件，其中：

所述喷头组件包括从上至下依次同轴设置的衔接头、辅助接头和输出接头，所述衔接头内开设有用于放置高压电极的通孔以及与通孔导通的用于通入稀有气体的进气通道，所述辅助接头内开设有与所述通孔导通的电离腔，所述高压电极由所述通孔插入并延伸至电离腔中，所述输出接头内开设有电极环腔，底部设有等离子束输出口；

所述聚焦组件包括间隔设置在电极环腔中的三个电极环，三个电极环连接不同的电位且电压可调，每个所述电极环的中部开设有通气孔，三个通气孔导通以形成等离子体射流通道，该等离子体射流通道与所述电离腔以及等离子束输出口同轴设置且导通，以将在电离腔中产生的等离子体射流从等离子束输出口送出；

所述变焦组件安装在所述输出接头上，用于调节三个电极环的间距，进而实现等离子体射流聚焦焦点的调节。

作为进一步优选的，所述变焦组件包括竖直布置的导向杆、竖直布置的丝杆、安装在丝杆上的第一齿轮、与第一齿轮啮合的第二齿轮以及与第二齿轮相连且安装在输出接头上的旋钮，所述三个电极环套装在导向杆和丝杆上，其中位于上方和下方的电极环与丝杆螺纹连接，位于中间的电极环与输出接头的内壁固定连接，通过旋转旋钮使得上方和下方的电极环做相向或反向运动，以改变电极环间的距离。

作为进一步优选的，所述高压电极为钢制金属针，其一端接高压电源，由进气通道通入的稀有气体在高压电极的尖端被电离产生等离子体射流；该高压电极通过阴极固定套安装在衔接头的通孔中，所述阴极固定套的外径与所述衔接头的通孔内径相等，所述阴极固定套的内径与所述高压电极的外径相等。

作为进一步优选的，作为进一步优选的，所述丝杆为钢制圆柱形杆，共分为三段，包括位于上部的刻有左旋螺纹的左旋部分、位于中部的光滑部分以及位于下部的刻有右旋螺纹的右旋部分。

作为进一步优选的，三个电极环为直径且厚度相同的金属片，其通气孔周围设有三个等间距圆孔，其中中间电极环的三个圆孔均作为导向孔，而上方和下方电极环的其中两个圆孔作为与导向杆配合的导向孔，剩下的第三个孔作为变焦孔，上方和下方电极环的变焦孔的侧壁分别设有螺纹参数相同的左旋螺纹和右旋螺纹，以分别与丝杆的左旋部分和右旋部分形成配合，用于实现电极环间距的调节。

作为进一步优选的，当中间电极环为正电位时，上方和下方的电极环为负电位，等离子体射流处于聚焦状态，以用于高分辨率的加工；当中间电极环为负电位时，上方和下方的电极环为正电位，等离子体射流处于发散状态，以用于材料表面改性。

按照本发明的另一方面，提供了一种等离子体束径可控的静电聚焦喷射方法，其包括如下步骤：

1)由衔接头的进气通道通入稀有气体，该稀有气体流向高压电极的下端，并在高压电极连接的高压电源的作用下电离产生等离子体；

2)三个电极环通电以产生电场，使得等离子体聚焦并做定向运动以形成等离子体射流，并经电极环上的通气孔从等离子束输出口射出，通过调节三个电极环的间距及电位比，实现等离子体射流聚焦焦点的调节。

作为进一步优选的，当中间电极环为正电位，上方和下方的电极环为负电位时，等离子体射流呈聚焦状态，进行高分辨率加工；当中间电极环为负电位，上方和下方的电极环为正电位时，等离子体射流呈发散状态，进行材料表面改性。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明利用高压电源作为激励，通过向高压电极周围通入稀有气体，从而在高压电极尖端产生等离子体射流，借助聚焦组件和变焦组件，不仅可以在同一装置上改变等离子体射流的束径，用于对材料进行刻蚀、改性等，还可以控制聚焦后等离子体射流的焦距，用于对不同高度的材料进行加工，从而实现曲面上的自由加工。

2.本发明克服了传统等离子体加工能力单一的不足，集多种加工手段于一体，加工方式灵活多变，集成度高，适用于平面、曲面，并且可以以阵列组合的方式应用，可用于大面积的材料加工。

3.本发明提出的等离子体束径大小可控的静电聚焦喷头装置，利用高压电场激发气体放电产生等离子体，在多个电极环产生的电场驱动下使其从放电腔体内聚焦并做定向运动，将活性物质和带电粒子直接运输到被处理物体的表面，完成材料处理，加工效率高，适用性强。

4.本发明利用丝杆和导向杆实现多个电极环的安装，并且多个电极环间距可调，通过转动丝杆来改变上方电极环和下方电极环的位置，从而实现不同距离、不同尺度的加工，可实现曲面基地上的材料处理，大大提高了装置的适应能力和加工效率。

5.本发明的喷头装置针对不同的需求具有多种不同的加工模式，其效率高、成本低、可灵活跨尺度加工，数字集成度高、可大面积生产，在微纳制造、材料及MEMS加工制造等领域有巨大的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例提供的等离子体束径可控的静电聚焦喷头装置整体剖视图；

图2是本发明实施例提供的等离子体束径可控的静电聚焦喷头装置的外观示意图；

图3是变焦组件三维结构图；

图4是丝杆三维结构图；

图5是电极环三维结构图；

图6(a)-(b)是输出接头三维结构图；

图7(a)-(b)是辅助接头三维结构图；

图8是等离子体束径可控的静电聚焦喷头装置的工作原理图；

图9(a)-(d)是聚焦效果仿真结果图；

图10(a)-(d)是喷头工作原理示意图；

图11(a)-(f)是等离子体加工效果图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的原件或结构，其中：1-高压电极、2-阴极固定套、3-衔接头、4-进气通道、5-尖端、6-电离腔、7-导线槽、8-导向杆、9-电极环、10-等离子束输出口、11-丝杆、12-第一齿轮、13-第二齿轮、14-旋钮、15-输出接头、16-辅助接头、17-通气孔、18-变焦孔、19-导向孔、20-固定端。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例提供的一种等离子体束径可控的静电聚焦喷头装置，其包括喷头组件、聚焦组件和变焦组件，其中，喷头组件用于安装固定聚焦组件和变焦组件，并用于产生等离子体，聚焦组件用于实现等离子体的聚焦，形成等离子体射流，变焦组件用于实现等离子体射流聚焦焦点的调节。通过上述各个部件的相互配合，可实现不同距离、不同尺度的加工，可实现曲面基地上的材料处理，大大提高了装置的适应能力和加工效率。

如图1和2所示，喷头组件包括从上至下依次设置的衔接头3、辅助接头16和输出接头15，该衔接头3、辅助接头16和输出接头15同轴设置，其中，衔接头3内开设有用于放置高压电极1的通孔以及与通孔导通的用于通入稀有气体的进气通道4，辅助接头16内开设有与通孔导通的电离腔6，高压电极1由通孔插入并延伸至电离腔6中，输出接头15内开设有电极环腔，底部设有等离子束输出口10，用于为等离子体射流提供输出通道。

具体的，如图1所示，高压电极1为钢制金属针，其一端接高压电源，高压电源指输出电压在2kV-7kV的电源，具体为脉冲高压直流电源，用于驱动等离子体射流，由进气通道4通入的稀有气体在高压电极的尖端5被电离产生等离子体射流，该高压电极1通过阴极固定套2(例如橡胶套)安装在衔接头的通孔中，阴极固定套2的外径与衔接头的通孔内径相等，阴极固定套2的内径与高压电极的外径相等，阴极固定套2被固定在衔接头3内部通孔，高压电极1插入阴极固定套2的通孔被固定。更为具体的，高压电极1置于玻璃管内，玻璃管固定在阴极固定套2里面，阴极固定套2被固定在衔接头3里，利用阴极固定套2和衔接头3内部的摩擦力可以实现阴极固定套的良好固定。

如图1所示，衔接头3为一空心圆筒，空心部分用于高压电极1和阴极固定套2的放置，上端通过外螺纹与外部的旋转座连接，从而实现衔接头3的固定，下端通过内螺纹与辅助接头16连接，衔接头3开设的用于放置高压电极1和阴极固定套2的通孔与其轴线同轴，进气通道4与其轴线垂直，该进气通道4作为气流通道，从而通过衔接头3内部不同的通孔实现气电分离。

如图1和7所示，辅助接头16上端通过外螺纹与衔接头3同心连接，下端通过外螺纹与输出接头15同心连接，其两端设有与衔接头3内部通孔等径的通孔，用于输送气体，电离腔6设于辅助接头内部的中间，位于两端的通孔之间，该电离腔6的内径大于衔接头内部通孔的内径，以作为等离子体射流的发生场所，电离腔6的上下端部通过与辅助接头轴线成45°角的斜面与辅助接头两端的通孔连接。

如图1和3所示，聚焦组件包括间隔设置在电极环腔中的三个电极环，三个电极环连接不同的电位且电压可调，每个电极环的中部开设有通气孔17，三个通气孔导通以形成等离子体射流通道，该等离子体射流通道与电离腔6以及等离子束输出口10同轴设置且导通，以将在电离腔6中产生的等离子体射流从等离子束输出口10送出；

具体的，三个电极环为直径相同且厚度相同的金属片，以上中下的方式间隔排布，每个电极环的通气孔设于电极环的中部，通气孔的周围设有三个等间距圆孔(即三个互成120°的圆孔)，其中，中间电极环的三个圆孔均作为导向孔，用于防止上下电极环在运动过程中发生偏离以及保证电场平衡，上方电极环的两个圆孔为与导向杆8配合的导向孔19，剩下的第三个孔为变焦孔18，上方电极环的变焦孔的侧壁设有左旋螺纹，下方电极环的两个圆孔为与导向杆8配合的导向孔19，剩下的第三个孔为变焦孔18，下方电极环的变焦孔的侧壁设有右旋螺纹，其中左旋螺纹和右旋螺纹的螺纹参数相同。三个电极环9分别皆有电位，其中上方电极环和下方电极环的电位相同，当中间电极环为正电位，上方电极环和下方电极环为负电位时，可以实现对等离子体射流的聚焦，并且电极环间的电位可调，通过改变电极环间的电位差，可以实现对等离子体射流不同程度的聚焦。

如图5和6所示，每个电极环的外部设有互成120°的导线槽7，同时输出接头15的内部设有与电极环外部导线槽配合的同样互成120°的导线槽，用于放置导线以为相应电极环9提供电压，对应于每个导线槽，输出接头15外壁设有互成120°的导线沟道，用于导线在外面的安放位置。三个上下间隔设置的电极环与电极环腔共同形成了空气(相当于绝缘层)-电极环-空气-电极环-空气-电极环-空气的对称结构，电极环9通过导线槽7中的导线连接不同的电位且调节电压，当中间电极环为正电位，上方和下方电极环为负电位时，等离子体射流处于聚焦状态，从而实现高分辨率的加工(如刻蚀)，当中间电极环为负电位，上方和下方的电极环为正电位时，等离子体射流处于发散状态，可以用于材料表面改性。

如图1和3所示，变焦组件包括竖直布置的导向杆8、竖直布置的丝杆11、安装在丝杆11上的第一齿轮12、与第一齿轮12啮合的第二齿轮13以及与第二齿轮13相连且安装在输出接头15上的旋钮14，导向杆和丝杆安装在输出接头下端的固定端20上，三个电极环套装在导向杆8和丝杆11上，其中位于上方和下方的电极环与丝杆11螺纹连接，位于中间的电极环与输出接头15的内壁固定连接，通过旋转旋钮14使得上方和下方的电极环做相向或反向运动，以改变电极环间的距离。

如图4所示，丝杆11为钢制圆柱形杆，共分为三段，包括位于上部的刻有左旋螺纹的左旋部分、位于中部的光滑部分以及位于下部的刻有右旋螺纹的右旋部分，左旋螺纹和右旋螺纹的螺纹参数相同，丝杆11的左旋部分和右旋部分分别与上方电极环和下方电极环的变焦孔通过螺旋配合，光滑部分与中间电极环的导向孔形成间隙配合，转动丝杆11上方电极环和下方电极环做相向运动或反向运动，并且两者运动的距离在任意时刻保持相同，中间电极环则位置保持不变，从而保证三个电极环随时都处于以中间电极环为对称轴的对称状态。

如图3所示，导向杆8为一光滑杆，两根导向杆分别与上部电极环、中间电极环和下方电极环的导向孔形成间隙配合，导向杆8的作用主要有两个，一是导向作用，为避免电极环在运动的过程中发生径向偏转，利用两根导向杆可以较好保证三个电极环随时都处于同轴状态；二是电场补偿，由于电极环上的通气孔和变焦孔呈不对称分布，因而所产生的电场也不对称，为了形成对称电场，在每个电极环上开另外两个大小和变焦孔一样的孔，即开设两个导向孔，两个导向孔和一个变焦孔以电极环轴心呈中心对称分布，两两相隔120°，以此使电极环形成对称电场。

具体的，第一齿轮12和第二齿轮13为锥齿轮，其模数、齿数相同，第一齿轮12的大端部与丝杆11端部焊接成为一体(保持同轴)，第二齿轮13的大端部与旋钮14端部焊接成为一体(保持同轴)，第二齿轮13与第一齿轮12相互啮合，通过旋转旋钮14，第二齿轮13带动第一齿轮12旋转，进而第一齿轮12带动丝杆11旋转，通过螺旋传动，可以实现电极环间相互距离的改变，从而实现更加高精度的加工制造。具体的，顺时针旋转旋钮14，第二齿轮13带动第一齿轮12旋转，进而第一齿轮12带动丝杆11旋转，中间电极环固定在电极环腔内不动，上方电极环和下方电极环变焦孔的螺纹和丝杆相互配合，通过螺旋传动，上方电极环和下方电极环做相向运动，电极环之间的距离变小。同理，逆时针旋转旋钮14，上方电极环和下方电极环做反向运动，电极环之间的距离变大。可以通过调节旋钮14来改变电极环之间的相对距离，改变电极环之间的电场分布，从而实现对等离子体射流聚焦焦点的改变，实现跨尺度加工。

图9(a)-(d)是聚焦效果仿真结果图，其中(a)为电子轨迹的庞加莱图，(b)为中间电极环电位分别为500V、1000V和2000V时，焦距与电位比的关系图，(c)为中间电极环电位分别为500V、1000V和2000V时，在不同电位比情况下，焦距与透镜半径的关系图，(d)为中间电极环电位分别为500V、1000V和2000V时，在不同电位比的情况下，焦距与电极环间距的关系图。如图9所示，通过仿真得知电极环的间距、电位比和内径对聚焦效果都有一定的影响。

图10(a)-(d)是喷头工作原理示意图，如图10(a)、(d)所示，当电极环的间距由d0变为d1时，经过电极环聚焦后的焦距由f0变为f1。如图10(b)、(c)所示，当中间电极环为高电位V1时，两端电极环为低电位V0，等离子体射流处于聚焦状态，当中间电极环为低电位V0时，两端电极环为高电位V1，等离子体射流处于发散状态，这两种状态可以分别用于材料的刻蚀和改性，如图11(a)-(f)所示，其中(a)为刻蚀单层石墨烯，(b)为刻蚀松香薄膜，(c)为对聚苯胺薄膜改性，(d)为刻蚀单壁碳纳米管，(e)为刻蚀还原氧化石墨烯，(f)为刻蚀纳米银线。

如图8所示，使用时将本发明的装置固定在运动平台上，运动平台为三轴联动式运动机构，可以调节喷头在空间中的位置。采用本发明的装置进行等离子体束径可控的静电聚焦喷射方法，包括如下步骤：由衔接头的进气通道通入稀有气体，该稀有气体流向高压电极的下端，并在高压电极连接的高压电源的作用下电离产生等离子体；三个电极环通电以产生电场，使得等离子体聚焦并做定向运动以形成等离子体射流，并经电极环上的通气孔从等离子束输出口射出，通过调节三个电极环的间距及电位比，实现等离子体射流聚焦焦点的调节。当中间电极环为正电位，上方和下方的电极环为负电位时，等离子体射流呈聚焦状态，进行高分辨率加工；当中间电极环为负电位，上方和下方的电极环为正电位时，等离子体射流呈发散状态，进行材料表面改性。

本发明通过将喷头组件、聚焦组件和变焦组件集成为一体，可以实现不同的工作模式。当中间电极环为正电位，上方电极环和下方电极环为负电位时，可以实现对等离子体射流的聚焦，并且电极环间的电位可调，通过改变电极环间的电位差，可以实现对等离子体射流不同程度的聚焦；顺时针旋转旋钮，第二齿轮带动第一齿轮旋转，进而第一齿轮带动丝杆旋转，中间电极环固定在电极环腔内不动，上方电极环和下方电极环变焦孔的螺纹和丝杆相互配合，通过螺旋传动，上方电极环和下方电极环做相向运动，电极环之间的距离变小，等离子体射流聚焦焦距变小，实现近距离加工刻蚀；逆时针旋转旋钮，上方电极环和下方电极环做反向运动，电极环之间的距离变大，等离子体射流聚焦焦距变大，实现远距离加工刻蚀。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种等离子体束径可控的静电聚焦喷头装置，其特征在于，包括喷头组件、聚焦组件和变焦组件，其中：

所述喷头组件包括从上至下依次同轴设置的衔接头(3)、辅助接头(16)和输出接头(15)，所述衔接头(3)内开设有用于放置高压电极(1)的通孔以及与通孔导通的用于通入稀有气体的进气通道(4)，所述辅助接头(16)内开设有与所述通孔导通的电离腔(6)，所述高压电极(1)由所述通孔插入并延伸至电离腔(6)中，所述输出接头(15)内开设有电极环腔，底部设有等离子束输出口(10)；

所述聚焦组件包括间隔设置在电极环腔中的三个电极环，三个电极环连接不同的电位且电压可调，每个所述电极环的中部开设有通气孔(17)，三个通气孔(17)导通以形成等离子体射流通道，该等离子体射流通道与所述电离腔(6)以及等离子束输出口(10)同轴设置且导通，以将在电离腔(6)中产生的等离子体射流从等离子束输出口(10)送出；

所述变焦组件安装在所述输出接头(15)上，用于调节三个电极环的间距进而实现等离子体射流聚焦焦点的调节，所述变焦组件包括竖直布置的两根导向杆(8)、竖直布置的丝杆(11)、安装在丝杆(11)上的第一齿轮(12)、与第一齿轮(12)啮合的第二齿轮(13)以及与第二齿轮(13)相连且安装在输出接头(15)上的旋钮(14)，所述三个电极环套装在导向杆(8)和丝杆(11)上，其中位于上方和下方的电极环与丝杆(11)螺纹连接，位于中间的电极环与输出接头(15)的内壁固定连接，通过旋转旋钮(14)使得上方和下方的电极环做相向或反向运动，以改变电极环之间的相对距离，进而改变电极环之间的电场分布，从而实现对等离子体射流聚焦焦点的改变，实现跨尺度加工，并且上方和下方的电极环运动的距离在任意时刻保持相同，中间电极环则位置保持不变，从而保证三个电极环随时都处于以中间电极环为对称轴的对称状态；

所述三个电极环为直径相同且厚度相同的金属片，以上中下的方式间隔排布，每个电极环通气孔的周围设有三个等间距圆孔，其中，中间电极环的三个圆孔均作为导向孔，用于防止上下电极环在运动过程中发生偏离以及保证电场平衡，上方电极环的两个圆孔为与导向杆(8)配合的导向孔(19)，剩下的第三个孔为与丝杆(11)螺纹配合的变焦孔(18)，下方电极环的两个圆孔为与导向杆(8)配合的导向孔(19)，剩下的第三个孔为与丝杆(11)螺纹配合的变焦孔(18)，三个上下间隔设置的电极环与电极环腔共同形成了空气-电极环-空气-电极环-空气-电极环-空气的对称结构。

2.如权利要求1所述的等离子体束径可控的静电聚焦喷头装置，其特征在于，所述高压电极(1)为钢制金属针，其一端接高压电源，由进气通道(4)通入的稀有气体在高压电极的尖端被电离产生等离子体射流；该高压电极(1)通过阴极固定套(2)安装在衔接头的通孔中，所述阴极固定套(2)的外径与所述衔接头的通孔内径相等，所述阴极固定套(2)的内径与所述高压电极的外径相等。

3.如权利要求1所述的等离子体束径可控的静电聚焦喷头装置，其特征在于，所述丝杆(11)为钢制圆柱形杆，共分为三段，包括位于上部的刻有左旋螺纹的左旋部分、位于中部的光滑部分以及位于下部的刻有右旋螺纹的右旋部分。

4.如权利要求1-3任一项所述的等离子体束径可控的静电聚焦喷头装置，其特征在于，当中间电极环为正电位时，上方和下方的电极环为负电位，等离子体射流处于聚焦状态，以用于高分辨率的加工；当中间电极环为负电位时，上方和下方的电极环为正电位，等离子体射流处于发散状态，以用于材料表面改性。

5.一种等离子体束径可控的静电聚焦喷射方法，其特征在于，该方法采用如权利要求1-4任一项所述的装置进行，其包括如下步骤：

1)由衔接头的进气通道通入稀有气体，该稀有气体流向高压电极的下端，并在高压电极连接的高压电源的作用下电离产生等离子体；

2)三个电极环通电以产生电场，使得等离子体聚焦并做定向运动以形成等离子体射流，并经电极环上的通气孔从等离子束输出口射出，通过调节三个电极环的间距及电位比，实现等离子体射流聚焦焦点的调节。

6.如权利要求5所述的等离子体束径可控的静电聚焦喷射方法，其特征在于，当中间电极环为正电位，上方和下方的电极环为负电位时，等离子体射流呈聚焦状态，进行高分辨率加工；当中间电极环为负电位，上方和下方的电极环为正电位时，等离子体射流呈发散状态，进行材料表面改性。