CN109065433A - 一种常压脉冲辅助平板射频辉光放电的装置与方法 - Google Patents

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邱慎杰
韩乾翰
郭颖
张菁
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    • H01J37/32137—Radio frequency generated discharge controlling of the discharge by modulation of energy
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Abstract

本发明公开了一种常压脉冲辅助平板射频辉光放电的装置与方法。所述装置为一种等离子体放电反应器，其包括放电腔体，放电腔体内填充有放电气体；放电腔体顶部设有进气口，放电腔体内设有与高压电源连接的上电极及与射频电源连接的下电极，上电极与下电极之间设有一对上下分布的介质板，上方的介质板与上电极连接，下方的介质板与下电极连接。方法为：将放电气体从进气口通入到放电腔体中，先将上电极上接脉冲电源形成脉冲放电；在脉冲放电结束后，再将下电极上通经过脉冲调制的射频交流电使介质板之间产生射频放电。本发明利用脉冲放电中产生的活性粒子辅助射频放电起辉，减少起辉时间并降低起辉时间的维持电压。

Description

一种常压脉冲辅助平板射频辉光放电的装置与方法
技术领域
本发明涉及常压辉光放电技术领域，特别是涉及一种常压脉冲辅助平板射频辉光放电的方法。
背景技术
在气体放电中，辉光放电是研究的主要放电形式和对象。其放电电流密度较低，放电区域呈现辉光。辉光放电是气体放电现象中的一种重要现象，在很多不同的领域都有着广泛的应用，例如等离子体刻蚀、薄膜沉积和材料表面处理等。而低温常压辉光放电由于其非真空的系统、易形成等特点，在实际应用中更加广泛。
由于常压射频放电为连续型放电，因此其耗散功率比较高，产生等离子体温度也过高，为了避免射频放电所具有的这些缺点，开始引入了脉冲调制射频放电这一放电技术。在常压脉冲调制射频放电中，通过信号调制射频功率，使得射频放电呈阶段性放电，在此过程中，脉冲信号周期性地打开或者关闭射频放电。在一般射频脉冲段放电中，其放电仍然有着常压射频放电的优点,而且由于脉冲信号的介入，降低了功率的耗散，以及持续放电而产生的热量累积，但其缺点是每一段放电都需经历一次放电的起辉，这样又无形增加了能耗，由于起辉过程需要相对较高的电压，易引起放电模式的转换，造成放电不稳定。因此目前急需发展一种在提高等离子体密度和活性的同时，又能实现低能耗、低成本、稳定均匀的常压辉光放电技术。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种利用平行板电极常压脉冲辅助平板射频辉光放电的方法，其可以在提高等离子体密度和活性的同时，缩短射频放电的起辉时间，从而获得一种低能耗和低成本的常压射频辉光放电技术。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种常压脉冲辅助平板射频辉光放电的装置，其特征在于，为一种等离子体放电反应器，其包括放电腔体，放电腔体内填充有放电气体；放电腔体顶部设有进气口，放电腔体内设有与高压电源连接的上电极及与射频电源连接的下电极，上电极与下电极之间设有一对上下分布的介质板，上方的介质板与上电极连接，下方的介质板与下电极连接。
优选地，所述上电极、下电极为直径20mm的金属圆柱电极。
优选地，所述介质板的材质为氧化铝陶瓷片或石英玻璃片，其尺寸为400mm×400mm×1mm，介电常数为9.0。
优选地，两片所述介质板之间的距离为1-5mm。
更优选地，两片所述介质板之间的距离为2.5mm。
优选地，所述放电气体为氦气、氧气、氮气中的任意一种或几种的混合气体，放电气体流量为1.5-2.5SLM。
更优选地，所述放电气体流量为2SLM。
优选地，所述等离子体放电反应器为介质阻挡放电等离子体反应器。
本发明还提供了一种常压脉冲辅助平板射频辉光放电的方法，其特征在于，采用上述常压脉冲辅助平板射频辉光放电的装置，将放电气体从进气口通入到放电腔体中，先将上电极上接脉冲电源形成脉冲放电；在脉冲放电结束后，再将下电极上通经过脉冲调制的射频交流电使介质板之间产生射频放电。
优选地，所述脉冲放电的频率为100-50kHz，功率为10-1000W；脉冲调制的频率为100-50kHz；射频交流电的频率为2-13.56MHz，功率为5-1000W。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明采用的是常压脉冲辅助平板射频辉光放电而不是单独的脉冲放电或者脉冲调制射频放电。高压放电可用脉冲放电或千赫兹交流放电，其电流密度低(＜10mA/cm2)，放电击穿电压和维持电压较高，一般大于几千伏(kV)，容易起辉放电，放电气体温度低(接近室温)，其峰值等离子体密度也较低(108-1010cm-3)。相比脉冲放电，射频放电的击穿和维持电压都较低(几百伏),能够产生更高的等离子体密度(1010～1013cm-3),对于射频连续放电,放电热积累效应也很明显,等离子体的气体温度也很高,约为200-500℃，此时，采用脉冲调制的射频放电，使其以非连续的方式放电，可以有效地降低射频放电的热积累效应，常压下起辉不易，通常需要几个微秒的时间使放电达到稳定。因此，本发明提供了一种在提高等离子体密度和活性的同时，缩短射频放电起辉时间，而且能维持放电稳定性和均匀性的常压辉光放电技术。
本发明的材料来源丰富、价格低廉，适合于各种射频等离子体辉光放电。本发明拥有装置简单，操作方便、放电污染小、放电较易起辉、活性粒子浓度高等优点，由于本发明可以在开放的大气环境下进行，省去了高昂的真空设备，减低了成本，降低了射频放电的起辉电压，提高了活性粒子的浓度，增加了其在工业应用中的广泛性。
附图说明
图1为本发明提供的常压脉冲辅助平板射频辉光放电的装置的示意图；
图2为放电的电流电压波形图；
图3为高压放电与常压脉冲放电不同时间间隔下射频放电达到稳定的时间图；
图4为脉冲放电与脉冲调制射频放电在三种不同时间间隔下射频放电图像强度随时间变化图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
实施例
如图1所示，为本发明提供的一种常压脉冲辅助平板射频辉光放电的装置，其为一种介质阻挡放电等离子体反应器，其包括放电腔体1，放电腔体1内填充有放电气体；放电腔体1顶部设有进气口2，放电腔体1内设有与高压电源连接的上电极3及与射频电源连接的下电极4，上电极3与下电极4之间设有一对上下分布的介质板5，上方的介质板5与上电极3连接，下方的介质板5与下电极4连接。上电极3、下电极4为直径20mm的金属圆柱电极。介质板5的材质为氧化铝陶瓷片或石英玻璃片，其尺寸为400mm×400mm×1mm，介电常数为9.0。两片介质板5之间的距离为2.5mm。所述放电气体为氦气、氧气、氮气中的任意一种或几种的混合气体，放电气体流量为2SLM。
本发明的具体实施例及步骤如下：
常温常压下，将流量为2000sccm的放电气体要求由进气口2通入到放电腔体1中，先在上电极3上接脉冲电源形成脉冲放电，在脉冲放电结束后，再在下电极4上通经过脉冲调制的射频交流电使介质板间产生射频放电。通过脉冲放电探头记录等离子体放电时的电压电流的峰-峰值和曲线，通过ICCD获得极板间放电随时间的变化情况并得到每个时刻相对最大图像强度数值。图2所示的是脉冲放电与脉冲调制射频放电的时间间隔为5μs时的电流电压波形图，本实验中将脉冲电压下降沿时刻与射频电压开启时刻定义为二者的时间间隔。
图3所示为射频电流达到稳定的时间随脉冲调制射频放电与脉冲放电的时间间隔的变化图。在常温常压下，放电气体为氦气时，单独使用射频交流电起辉时间较长。通过先产生千赫兹的脉冲放电，利用其产生的电子、离子和各种激发态粒子，可以帮助射频放电起辉，显著缩短射频起辉时间。从图3可以看出，当二者的时间间隔小于15μs后，射频电流达到稳定的时间会随时间间隔的减小而大幅减小。这主要是由于在脉冲放电结束的若干微秒内，放电结束后剩余的相关等离子体粒子并未完全湮灭，时间间隔越短，就会有更多的电子、离子和各种激发态粒子帮助射频放电的起辉。
图4所示为选取的时间间隔为2.5μs、5μs、10μs的射频放电起辉前3μs的图像强度变化图，可以看出，脉冲放电与脉冲调制射频放电时间间隔越小，射频放电起辉的时间越短，这也与图3中脉冲放电达到稳定的时间一致。
因此，本发明提供的常压脉冲辅助平板射频辉光放电的方法可以显著的缩短脉冲调制射频放电的起辉时间，使射频放电起辉更加容易，提高了放电时各种活性粒子的浓度，有一定的实际应用前景。

Claims (10)

1.一种常压脉冲辅助平板射频辉光放电的装置，其特征在于，为一种等离子体放电反应器，其包括放电腔体(1)，放电腔体(1)内填充有放电气体；放电腔体(1)顶部设有进气口(2)，放电腔体(1)内设有与高压电源连接的上电极(3)及与射频电源连接的下电极(4)，上电极(3)与下电极(4)之间设有一对上下分布的介质板(5)，上方的介质板(5)与上电极(3)连接，下方的介质板(5)与下电极(4)连接。
2.如权利要求1所述的常压脉冲辅助平板射频辉光放电的装置，其特征在于，所述上电极(3)、下电极(4)为直径20mm的金属圆柱电极。
3.如权利要求1所述的常压脉冲辅助平板射频辉光放电的装置，其特征在于，所述介质板(5)的材质为氧化铝陶瓷片或石英玻璃片，其尺寸为400mm×400mm×1mm，介电常数为9.0。
4.如权利要求1所述的常压脉冲辅助平板射频辉光放电的装置，其特征在于，两片所述介质板(5)之间的距离为1-5mm。
5.如权利要求4所述的常压脉冲辅助平板射频辉光放电的装置，其特征在于，两片所述介质板(5)之间的距离为2.5mm。
6.如权利要求1所述的常压脉冲辅助平板射频辉光放电的装置，其特征在于，所述放电气体为氦气、氧气、氮气中的任意一种或几种的混合气体，放电气体流量为1.5-2.5SLM。
7.如权利要求6所述的常压脉冲辅助平板射频辉光放电的装置，其特征在于，所述放电气体流量为2SLM。
8.如权利要求1所述的常压脉冲辅助平板射频辉光放电的装置，其特征在于，所述等离子体放电反应器为介质阻挡放电等离子体反应器。
9.一种常压脉冲辅助平板射频辉光放电的方法，其特征在于，采用权利要求1-8任意一项所述的常压脉冲辅助平板射频辉光放电的装置，将放电气体从进气口(2)通入到放电腔体(1)中，先将上电极(3)上接脉冲电源形成脉冲放电；在脉冲放电结束后，再将下电极(4)上通经过脉冲调制的射频交流电使介质板(5)之间产生射频放电。
10.如权利要求9所述的常压脉冲辅助平板射频辉光放电的方法，其特征在于，所述脉冲放电的频率为100-50kHz，功率为10-1000W；脉冲调制的频率为100-50kHz；射频交流电的频率为2-13.56MHz，功率为5-1000W。
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