CN111542166A - 一种环形微波等离子体谐振腔 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环形微波等离子体谐振腔，涉及微波等离子体谐振腔领域，包括：谐振腔壳体，其内设有一腔体；第一截止波导，其固定在谐振腔壳体的一端，第一截止波导包括一收容于腔体内的筒体，筒体与谐振腔壳体形成一环形空腔，且筒体上设有多条狭缝；第二截止波导，其固定在谐振腔壳体的另一端，第二截止波导至少部分伸入腔体内以与筒体相连，并与筒体连通形成一用于收容石英反应管的安装孔。本发明中的环形微波等离子体谐振腔能使负载反射系数S₁₁维持在较低的水平，并能够提高微波能量的耦合率，以获得高密度的等离子体。

Description

一种环形微波等离子体谐振腔

技术领域

本发明涉及等离子体谐振腔，具体涉及一种环形微波等离子体谐振腔。

背景技术

PCVD(Microwave Activated Plasma Chemical Vapor Deposition，微波激活等离子体化学气相沉积)工艺是制备光纤预制棒芯棒的主要工艺之一。由于微波等离子体具有能量大、活性强、激发的等离子体密度高、工作稳定、无电极污染等优点，非常适合光纤预制棒的沉积。在低压状态下，由于高频率的微波的作用，进入石英反应管的原料气体(主要为SiCl4，GeCl4，POCl3，O2以及C2F6等)部分被电离成活化的等离子体状态，这些活性离子能快速地发生反应，反应产物并以玻璃态沉积在管壁内表面上。因其微波等离子体谐振腔可快速移动，单层的沉积厚度薄，因而易于制造精细而复杂的折射率剖面。

用于激发等离子体化学气相沉积的微波等离子体谐振腔是PCVD沉积机床的核心设备。目前，现有的用于光纤预制棒制造的微波等离子体谐振腔主要有同轴型和圆柱型两种，其中同轴型微波等离子体谐振腔适于加工外径相对较小的石英反应管，圆柱型微波等离子体谐振腔适于加工外径相对较大的石英反应管，这两种微波等离子体谐振腔均存在各自的缺点。

同轴型微波等离子体谐振腔由于存在结构限制，不适合制造大直径的光纤预制棒。而且在输入高功率微波时，腔体及同轴线波导容易发热，严重时可能会导致谐振腔体或同轴线波导烧毁。

圆柱型微波等离子体谐振腔则存在负载难以匹配的问题，即不能保证负载反射系数S₁₁足够小。由于在PCVD沉积过程中，玻璃化后的掺杂SiO2以熔融玻璃态沉积在石英管反应管内壁，其管壁厚度逐步增加，反应管内径在不断变小，等离子体密度，形态发生改变，导致谐振腔体的负载发生变化，负载反射系数S₁₁会随之增加，因此存在负载无法匹配的可能。此外，负载反射系数S₁₁增加，意味着反射功率增加，负载吸收的微波能量降低，整个微波系统的能量利用效率也随之降低，严重时会使微波匹配元件的工作负荷增加或导致微波匹配元件损坏。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种能使负载反射系数S₁₁维持在较低的水平，并能够提高微波能量的耦合率，以获得高密度的等离子体的环形微波等离子体谐振腔。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种环形微波等离子体谐振腔，包括：

谐振腔壳体，其内设有一腔体；

第一截止波导，其固定在所述谐振腔壳体的一端，所述第一截止波导包括一收容于所述腔体内的筒体，所述筒体与所述谐振腔壳体形成一环形空腔，且所述筒体上设有多条狭缝；

第二截止波导，其固定在所述谐振腔壳体的另一端，所述第二截止波导至少部分伸入所述腔体内以与所述筒体相连，并与所述筒体连通形成一用于收容石英反应管的安装孔。

一些实施例中，所述谐振腔壳体的两端均固定有一第三截止波导，两个所述第三截止波导分别套设在所述第一截止波导和第二截止波导上，且两个所述第三截止波导均设有与所述安装孔连通的通孔，每个所述第三截止波导上均设有扼流槽。

一些实施例中，所述谐振腔壳体的底端的两侧分别设有一冷却水管，两个所述第三截止波导内均设有一与对应的所述冷却水管连通的第一冷却水通道。

一些实施例中，所述谐振腔壳体的底端外侧开设有矩形波导入口，所述矩形波导入口上设有矩形波导，所述矩形波导位于两个所述冷却水管之间。

一些实施例中，所述矩形波导的两侧均设有一第二冷却水通道，所述谐振腔壳体的两侧均设有一与对应的所述第二冷却水通道连通的第三冷却水通道。

一些实施例中，每条所述狭缝均与所述环形空腔的轴线平行。

一些实施例中，所述狭缝为三条或四条。

一些实施例中，所述狭缝的长度为1/4λ～λ，所述狭缝的宽度为1/20λ～1/10λ，其中λ为微波波长。

一些实施例中，所述扼流槽的宽度为1/4λ～λ，所述扼流槽的深度为1/8λ～1/2λ，其中λ为微波波长。

一些实施例中，两个所述第三截止波导通过螺钉固定在所述谐振腔壳体上。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明中的环形微波等离子体谐振腔，通过设置具有狭缝耦合结构的环形的腔体结构，由于狭缝与圆环形腔体轴线平行，切断了腔体内壁的电流，形成了辐射缝隙天线，同时微波能量通过辐射缝隙天线耦合到石英反应管及等离子体，在PCVD沉积过程中，随着石英反应管管壁厚度增加，其负载反射系数S₁₁仍维持在较低的水平。同时，通过将等离子体与微波等离子体谐振腔隔离，采用狭缝波导将微波能量耦合的方式，能够提高微波能量的耦合率，可以获得高密度的等离子体。此外，通过在谐振腔壳体两端增加带扼流槽的第三截止波导，有利于降低微波泄漏。再者，在环形微波等离子体谐振腔主体结构上还增加了水冷结构，有利于减少腔体在高温下的尺寸变形。

附图说明

图1为本发明实施例中环形微波等离子体谐振腔的侧视图；

图2为本发明实施例中环形微波等离子体谐振腔的正视图；

图3为图1沿A-A方向的剖视图；

图4为当狭缝数量为3个时图2沿B-B方向的剖视图；

图5为当狭缝数量为4个时图2沿B-B方向的剖视图；

图6为本发明实施例中环形微波等离子体谐振腔与其他类型的微波等离子体谐振腔的负载反射系数S₁₁随石英反应管管壁厚度变化曲线的对比图。

图中：1-谐振腔壳体，11-腔体，12-矩形波导入口，13-第三冷却水通道，2-第一截止波导，21-筒体，22-狭缝，3-第二截止波导，4-安装孔，5-第三截止波导，51-扼流槽，52-第一冷却水通道，6-冷却水管，7-矩形波导，8-石英反应管，9-等离子体。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

参见图1至图4所示，本发明实施例提供一种环形微波等离子体谐振腔，其包括谐振腔壳体1、第一截止波导2和第二截止波导3。

其中，谐振腔壳体1，其内设有一腔体11。在本实施例中，谐振腔壳体1的材料可以为紫铜、黄铜、铝合金、或不锈钢。

第一截止波导2，其固定在所述谐振腔壳体1的一端，所述第一截止波导2包括一收容于所述腔体11内的筒体21，所述筒体21与所述谐振腔壳体1形成一环形空腔，且所述筒体21上设有多条狭缝22。狭缝22可以切断腔体内壁的电流，形成辐射缝隙天线，微波能量能通过狭缝22耦合到石英反应管8及等离子体9。

第二截止波导3，其固定在所述谐振腔壳体1的另一端，所述第二截止波导3至少部分伸入所述腔体11内以与所述筒体21相连，并与所述筒体21连通形成一用于收容石英反应管8的安装孔4。

在本实施例中，由于第一截止波导2包括一筒体21，一方面筒体21与谐振腔壳体1形成一环形空腔，另一方面筒体21还用来安装石英反应管8，从而安装在石英反应管8内的等离子体便通过筒体21与环形空腔相隔离。同时，由于在筒体21上还设置了多条狭缝22，这样即可避免微波能量直接加载到等离子体9，而是通过狭缝耦合到石英反应管及等离子体9，从而等离子体9对呈环形空腔的谐振腔体的影响较小，能够提高微波能量的耦合效率，可以获得高密度的等离子体。

作为一个较好地实施方式，本实施例中的每条所述狭缝22均与所述环形空腔的轴线平行，由于狭缝22与环形空腔的轴线平行，微波能量能通过狭缝22更好地耦合到石英反应管8及等离子体9。

作为一个较好地实施方式，本实施例中的所述谐振腔壳体1的两端均固定有一第三截止波导5，两个所述第三截止波导5分别套设在所述第一截止波导2和第二截止波导3上，且两个所述第三截止波导5均设有与所述安装孔4连通的通孔，每个所述第三截止波导5上均设有扼流槽51。优选地，本实施例中的两个所述第三截止波导5通过螺钉固定在所述谐振腔壳体1上，第三截止波导5的材料可以为紫铜、黄铜、不锈钢或碳化硅。

在微波等离子体谐振腔工作时，由于等离子体9的存在，带扼流槽51的第三截止波导5和等离子体9的结构可看近似看成一段同轴线波导，由于增设了扼流槽51，在等效同轴线波导传输的微波衰减大幅增加，从而可以降低从微波等离子体谐振腔泄漏的微波能量。

优选地，为了更好地降低从微波等离子体谐振腔泄漏的微波能量，本实施例中的所述扼流槽51的宽度为1/4λ～λ，所述扼流槽51的深度为1/8λ～1/2λ，其中λ为微波波长。

作为一个较好地实施方式，本实施例中的所述谐振腔壳体1的底端的两侧分别设有一冷却水管6，两个所述第三截止波导5内均设有一与对应的所述冷却水管6连通的第一冷却水通道52。

此外，本实施例中的所述谐振腔壳体1的底端外侧开设有矩形波导入口12，所述矩形波导入口12上设有矩形波导7，所述矩形波导7位于两个所述冷却水管6之间。

进一步地，所述矩形波导7的两侧均设有一第二冷却水通道，所述谐振腔壳体1的两侧均设有一与对应的所述第二冷却水通道连通的第三冷却水通道13。

优选地，在本实施例中，一侧的所述第二冷却水通和第三冷却水通道13还与对应的所述冷却水管6连通，冷却水管6下部总共有4个管道出口，可以串联或者并联方式与外部循环水供水管道连接。由于布置了循环水管道来冷却微波等离子体谐振腔，可以减少微波等离子体谐振腔的尺寸变形，满足微波等离子体谐振腔高温环境中工作的需求。优选地，本实施例中的冷却水进水压力为2～6Bar，总进水流量为5～30L/min，进水温度为15～35℃。

作为一个较好地实施方式，本实施例中的所述狭缝22为三条或四条，可以理解的是狭缝22的数量可以根据实际需要合理设置。

参见图4所示，当狭缝22的数量为三条时，为了提高狭缝22耦合到石英反应管8内的能量，本实施例中与矩形波导7连接处的两处狭缝22夹角θ为60～120°，狭缝22的长度为1/4λ～λ，所述狭缝22的宽度为1/20λ～1/10λ，其中λ为微波波长。

参见图5所示，当狭缝22的数量为四条时，为了提高狭缝22耦合到石英反应管8内的能量，本实施例中与矩形波导7连接处的两处狭缝22的夹角θ为40～120°，侧部两处狭缝22的夹角β为40～100°。狭缝22的长度为1/4λ～λ，所述狭缝22的宽度为1/20λ～1/10λ，其中λ为微波波长。

在采用了本实施例中的环形微波等离子体谐振腔后，参见图6所示，相比于其他类型的微波等离子体谐振腔，在PCVD沉积过程中，随着石英反应管管壁厚度增加，其负载反射系数S₁₁仍维持在较低的水平。此时微波能量几乎全部被负载(主要是等离子体)吸收，以使整个微波系统的能量利用效率最高。

综上所述，本发明中的环形微波等离子体谐振腔，通过设置具有狭缝耦合结构的环形的腔体结构，由于狭缝与圆环形腔体轴线平行，切断了腔体内壁的电流，形成了辐射缝隙天线，同时微波能量通过辐射缝隙天线耦合到石英反应管及等离子体，在PCVD沉积过程中，随着石英反应管管壁厚度增加，其负载反射系数S₁₁仍维持在较低的水平。同时，通过将等离子体与微波等离子体谐振腔隔离，采用狭缝波导将微波能量耦合的方式，能够提高微波能量的耦合率，可以获得高密度的等离子体。此外，通过在谐振腔壳体1两端增加带扼流槽的第三截止波导5，有利于降低微波泄漏。再者，在环形微波等离子体谐振腔主体结构上还增加了水冷结构，有利于减少腔体在高温下的尺寸变形。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种环形微波等离子体谐振腔，其特征在于，包括：

谐振腔壳体(1)，其内设有一腔体(11)；

第一截止波导(2)，其固定在所述谐振腔壳体(1)的一端，所述第一截止波导(2)包括一收容于所述腔体(11)内的筒体(21)，所述筒体(21)与所述谐振腔壳体(1)形成一环形空腔，且所述筒体(21)上设有多条狭缝(22)；

第二截止波导(3)，其固定在所述谐振腔壳体(1)的另一端，所述第二截止波导(3)至少部分伸入所述腔体(11)内以与所述筒体(21)相连，并与所述筒体(21)连通形成一用于收容石英反应管(8)的安装孔(4)。

2.如权利要求1所述的一种环形微波等离子体谐振腔，其特征在于：所述谐振腔壳体(1)的两端均固定有一第三截止波导(5)，两个所述第三截止波导(5)分别套设在所述第一截止波导(2)和第二截止波导(3)上，且两个所述第三截止波导(5)均设有与所述安装孔(4)连通的通孔，每个所述第三截止波导(5)上均设有扼流槽(51)。

3.如权利要求2所述的一种环形微波等离子体谐振腔，其特征在于：所述谐振腔壳体(1)的底端的两侧分别设有一冷却水管(6)，两个所述第三截止波导(5)内均设有一与对应的所述冷却水管(6)连通的第一冷却水通道(52)。

4.如权利要求3所述的一种环形微波等离子体谐振腔，其特征在于：所述谐振腔壳体(1)的底端外侧开设有矩形波导入口(12)，所述矩形波导入口(12)上设有矩形波导(7)，所述矩形波导(7)位于两个所述冷却水管(6)之间。

5.如权利要求4所述的一种环形微波等离子体谐振腔，其特征在于：所述矩形波导(7)的两侧均设有一第二冷却水通道，所述谐振腔壳体(1)的两侧均设有一与对应的所述第二冷却水通道连通的第三冷却水通道(13)。

6.如权利要求1所述的一种环形微波等离子体谐振腔，其特征在于：每条所述狭缝(22)均与所述环形空腔的轴线平行。

7.如权利要求6所述的一种环形微波等离子体谐振腔，其特征在于：所述狭缝(22)为三条或四条。

8.如权利要求1所述的一种环形微波等离子体谐振腔，其特征在于：所述狭缝(22)的长度为1/4λ～λ，所述狭缝(22)的宽度为1/20λ～1/10λ，其中λ为微波波长。

9.如权利要求2所述的一种环形微波等离子体谐振腔，其特征在于：所述扼流槽(51)的宽度为1/4λ～λ，所述扼流槽(51)的深度为1/8λ～1/2λ，其中λ为微波波长。

10.如权利要求2所述的一种环形微波等离子体谐振腔，其特征在于：两个所述第三截止波导(5)通过螺钉固定在所述谐振腔壳体(1)上。

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