CN112569894B - 射频放电等离子体激活大体积吸气剂并增强吸附速率的装置 - Google Patents

射频放电等离子体激活大体积吸气剂并增强吸附速率的装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种射频放电等离子体激活大体积吸气剂并增强吸附速率的装置，包括真空腔室、抽真空系统组件、供气系统组件、射频供电系统及气压采集系统组件。当真空腔室内通过球阀及机械泵等抽真空系统组件获得一定真空后，使用供气气源及质量流量计等供气系统组件调节气体种类和压强。开启由射频电源、高频同轴线及射频耦合线圈组成的射频供电系统产生等离子体，通过真空计、真空计显示器、数字信息采集卡及电脑等采集系统组件监测腔室内气压变化，其产生的等离子体有效地激活了置于壁面带孔中空筒体内的吸气剂并且提高了吸气速率。

Description

射频放电等离子体激活大体积吸气剂并增强吸附速率的装置
技术领域
本发明属于电磁与材料应用领域，具体涉及一种射频放电等离子体激活大体积吸气剂并增强吸附速率的装置
背景技术
当前很多领域的工业应用以及基础科学研究均需在真空环境下进行，包括镀膜、热处理、微机电系统、表面科学、原子物理、纳米技术及半导体工业等。对于真空技术而言，内部真空环境及真空度的大小直接影响着工作范围和效率，特别是步入21世纪之后，随着各项应用指标的不断提高和基础学科研究的深入，其运行以及研究的环境均需要不同程度的高真空甚至超高真空来维系，这也对真空封装过程的工艺以及后续真空环境的获得手段提出了更高的要求和挑战。因此，除了采用常规的真空获取手段，如机械泵，分子泵，低温泵等技术之外，基于吸气材料发展而来的真空吸附技术也逐渐受到关注并展露出了更加重要的作用。
非蒸散型吸气剂(Non-Evaporable Getter，NEG)因其平衡气压低、吸气容量大和吸气速率高等特性，已在电真空器件、超高真空获得、原子能工业等科学研究和工业生产中得到了应用。一般来说，目前该型吸气材料在进行工作时均需要对其进行加热处理，而后吸气剂才具有吸气功能，该过程称为吸气剂的激活过程。传统激活吸气剂的过程一般采用电热丝或者电热棒进行加热，吸气剂在高温下激活并开始吸收气体。
不过，尽管NEG在高真空及超高真空器件中应用具有独特的优势并且已被广泛应用，但随着我国新世纪工业化进程的加快，该型吸气方式的局限性也逐步体现出来：①工业化装置不再局限于小型的真空器件(如化学激光的吸附系统)，往往需要进行放大化，对于大、中型的装置获得高真空时仍须在常规获取手段的基础上采用吸气剂进行吸附处理，该种情况下往往需要增加吸气剂用量，即可能需要大体积的吸气剂才能达到大装置的高真空效果。如何保证大体积吸气剂的封装、吸气是一项技术问题。②通过加热激活吸气剂时电热转化效率相对较低，通常需要经过一段时间吸气剂才能够被激活进而吸收气体达到获得更高真空的目的，尤其对于放大后的工业装置、大体积下的吸气剂材料而言，可能需要更长的时间来进行激活，这就导致了不仅能量需要长时间的稳定持续注入，而且在一些灵活机动、快速激活吸气的场合适用度较低。③吸气剂对部分气体的吸附具有选择性，根据气体种类的不同，吸气速率会受到极大的影响。同时，吸气剂激活的温度和时间也伴随着相当大的差异。对于部分较难吸收的气体而言，如氮气，往往需要几百摄氏度的高温才能激活吸气剂，并且激活之后的吸气速率较慢。如何有效提高定量吸气剂对较难吸附气体的吸附速率是十分重要的。
以上这些问题的存在有时会限制吸气剂的全面应用功能，如何找到一种适应于当前大体积吸气剂应用需求并提高激活时间、改善吸附速率的装置是十分重要的。
发明内容
本发明是鉴于以上的事实而做出的，主要面对大、中型工业装置中大体积吸气剂的应用需求，并针对传统加热吸气剂激活时间长，对部分气体的吸附速率慢等问题，其目的在于提供一种射频放电等离子体激活大体积吸气剂并增强吸附速率的装置。该发明能够适用于一些大、中型装置需要大体积吸气剂的应用需求，并且通过射频电磁场耦合的方式能够有效弥补纯加热方法中大体积吸气剂激活时间长的缺点，同时通过放电产生的等离子体能够使活性粒子数相应的增加，改善吸气剂对一些较难吸附气体吸气速率慢的劣势，从而进一步加快系统的吸气速率。
为实现本发明的目的，采用以下技术方案予以实现：
一种射频放电等离子体激活大体积吸气剂并增强吸附速率的装置，其特征在于：包括真空腔室、抽真空系统组件、供气系统组件、射频供电系统及气压采集系统组件；
所述的真空腔室包括采用绝缘材料制成的上下二端开口的中空容器；中空容器的开口端通过密封法兰密闭；于中空容器中部设有内部放置有吸气剂的上端开口下端密闭的中空筒体，中空筒体的侧壁面上均布有多个通孔，中空筒体采用导电材料制成；
于中空容器中部的外壁面上缠绕有射频耦合线圈，射频耦合线圈一端通过高频同轴线与射频电源的射频电压输出端相连，另一端及中空筒体接地；
真空腔室通过管路与抽真空系统组件(如：真空泵的进口)和供气系统组件(如：供气气源)相连通；于真空腔室上设有用于测量真空腔室内部压力的气压采集系统组件(如：真空计)。
所述的真空腔室主要用于产生真空环境，并且内部放置吸气剂，主要包括中空容器及密封法兰；所述的中空容器为可密封且耐高温的绝缘材料，如石英或陶瓷等；其形状为底端外壁上带有径向环形凸台的空心圆筒；中空容器底端密封采用密封法兰(上盖和下盖)、石墨密封垫片、螺丝及螺母，顶端密封采用密封法兰(上盖和下盖)、密封O圈、螺丝及螺母；底端密封法兰下盖、上盖通过石墨密封垫片并使用螺丝及螺母密封；顶端密封法兰下盖、上盖通过密封O圈并同样使用螺丝及螺母密封；此外，其真空腔顶端密封法兰上盖设有二个开放接口，分别连接气压采集系统组件、抽真空系统组件及供气系统组件。
所述的抽真空系统组件包括两个气流量可控的球阀以及机械泵；机械泵经两个球阀、送气管及适配接头与真空腔室密封连接，从而使真空腔室达到低气压真空水平；
所述的供气系统组件包括供气气源及真空质量流量计，供气气源经真空质量流量计、送气管及适配接头与真空腔室密封连接，由此可以通过改变供气气源调节真空腔室中气体的种类及压强，同时可由质量流量计控制通入气体的流速；吸气剂为锆钒铁吸气剂，ZrVFe。
所述的密封法兰为不锈钢，铝，铁，铜及其合金等金属材料中的一种或二种以上，送气管可以为不锈钢、铁等金属硬管、也可以为聚四氟乙烯、特氟龙等耐高温高压绝缘管中的一种或二种以上；所述的适配接头可以是法兰、KF接头、不锈钢直通接头、四氟直通接头等中的一种或二种以上；所述的两个球阀可控制机械泵抽取真空速率，质量流量计可以恒定气流速度控制真空腔室内的稳态气压。
所述的盛放吸气剂筒体为壁面带通孔的空心圆筒，上端开口处设有可拆卸的带螺纹封盖；圆筒为金属材料，用于盛放吸气剂材料；圆筒下端与真空腔底端法兰下盖焊接为一体，其圆筒中心线与焊接于真空腔底端法兰下盖的中心线重合；圆筒上端设有螺纹，可通过带螺纹封盖的开、关进行吸气剂材料的装填、盛放及更换；所述中空筒体材质分别为不锈钢，铝，铁，铜及其合金等金属材质中的一种或二种以上。
前述的壁面带通孔空心圆筒的外径小于中空容器内径，长度小于中空容器长度，工作时需将其放置于中空容器内部。
射频电源、高频同轴线、射频耦合线圈、连接导线及地线构成射频供电系统；射频耦合线圈套在中空容器外侧并且分别通过高频同轴线及导线连接于射频电源的高压输出端及接地线上，从而在耦合线圈上产生射频电场，以达到可以在真空腔室内部产生等离子体的作用。
前述的射频电源由功率发生器及匹配器两部分组成，射频信号由功率发生器产生并经由匹配器调节输出，输出功率在50-10000瓦特。前述的射频耦合线圈为螺旋式金属线圈，材质可以为铜，铁，镍、不锈钢等金属或者合金中的一种或二种以上，并且该螺旋管的绕线可以为金属丝或金属管。
前述的气压采集系统组件包括真空计；真空计显示器；数字信息采集卡及电脑；真空计经送气管及适配接头与真空腔室相连接，同时气压值经过传输线由真空计显示器读取。所述的真空计显示器可由数据传输线经采集卡与电脑连接，并可由电脑上相应软件直接采集气压变化曲线。
前述用于连接真空腔室并焊接盛放吸气剂筒体的密封法兰需接地；当真空腔室内装载好吸气剂并获得工作气压及所需吸附气体时，射频电源输出功率通过射频耦合线圈作用于真空腔室上，真空腔室内会产生等离子体，同时射频能量耦合进盛装吸气剂且接地的金属法兰及盛放吸气剂筒体中，从而实现上述装置对吸气剂的快速激活并且通过等离子体中产生的活性成分提升真空腔室内吸气剂的吸气速率，提升整个真空腔室到达预期真空目标的时间。
附图说明
图1为射频放电等离子体激活大体积吸气剂并增强吸附速率装置的示意图，图中标号：1-中空容器；2-真空腔底端密封法兰上盖；3-真空腔底端密封法兰下盖；4-石墨密封垫片；5-螺丝；6-螺母；7-真空腔顶端密封法兰下盖；8-真空腔顶端密封法兰上盖；9-密封O圈；10-通气接口；11-送气管；12-适配接头；13-球阀1；14-球阀2；15-机械泵；16-质量流量计；17-供气气源；18-中空筒体；19-带螺纹封盖；20-吸气剂；21-射频电源；22-高频同轴线；23-射频耦合线圈；24-导线；25-地线；26-真空计；27-真空计显示器；28-数字信息采集卡；29-电脑
附图中的视图为示意性的且未按照比例绘制。不过不同的附图中相同或相似的部件均在附图中给出相同的标记。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例图中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，做进一步详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。
附图所示为一种射频放电等离子体激活大体积吸气剂并增强吸附速率装置示意图，其中包括真空腔室、抽真空系统组件、供气系统组件、射频供电系统、气压采集系统组件及吸气剂。
真空腔室由1-中空容器；2-真空腔底端密封法兰上盖；3-真空腔底端密封法兰下盖；4-石墨密封垫片；5-螺丝；6-螺母；7-真空腔顶端密封法兰下盖；8-真空腔顶端密封法兰上盖；9-密封O圈组成。中空容器为可密封耐高温的绝缘材质，其形状为底端外壁上带有径向环形凸台的空心圆筒，主要用于提供低气压环境及作为产生等离子体的载体。中空容器底端需通过密封法兰上盖；密封法兰下盖；石墨密封垫片；螺丝；螺母进行密封。中空容器顶端同样使用密封法兰进行密封，将密封法兰下盖、上盖通过密封O圈并同样使用螺丝及螺母密封。其真空腔室顶端密封法兰上盖设有二个开放的10-通气接口，分别连接抽真空系统组件、供气系统组件及气压采集系统组件、。
抽真空系统组件由11-送气管；12-适配接头；13-球阀1；14-球阀2；15-机械泵组成。送气管为金属管或耐高压绝缘管，连接真空腔室及适配接口、球阀1、球阀2和机械泵。机械泵开启用于抽取真空腔室内的气体获得真空，其初始真空度及抽气速率通过球阀1和球阀2可控。
供气系统组件由11-送气管；12-适配接头；16-质量流量计；17-供气气源组成。相同地，送气管连接真空腔室并通过适配接头连接质量流量计及供气气源。供气气源为可通过质量流量计定速地向真空腔室内注入不同种类的气体并改变压强，从而使真空腔室内的气体种类和压强可调节。
盛放吸气剂组件由18-中空筒体；19-带螺纹封盖组成，中空筒体为壁面带通孔的空心金属圆筒，用于盛放20-吸气剂。中空筒体上端开口处设有可拆卸的带螺纹封盖，可通过带螺纹封盖的开、关进行吸气剂材料的装填、盛放及更换。中空筒体与真空腔底端法兰下盖焊接为一体，其中心线重合，工作时需将中空筒体置于中空容器内部。
射频供电系统由21-射频电源；22-高频同轴线；23-射频耦合线圈；24-导线；25-地线组成。射频电源由功率发生器及匹配器两部分构成，可输出50-10000瓦特的射频信号，并且需作用于射频耦合线圈上工作。射频耦合线圈为螺旋式金属线圈，嵌套于中空容器外侧，同时通过高频同轴线及导线分别与射频电源的高压输出端及地线连接，从而在射频电源功率输出时可以使真空腔室内部产生等离子体。
气压采集系统组件由26-真空计；27-真空计显示器；28-数字信息采集卡；29-电脑组成。真空计通过送气管与真空腔室连接，用于监测真空腔室内的压强及其变化，其示数可从真空计显示器上读取。同时，真空计显示器上显示压强变化可通过数字信息采集卡并经由电脑上的软件采集，可有效并迅速地测量真空腔室内部的压强变化情况。
首先，打开中空筒体上端的带螺纹封盖，将吸气剂材料放置于壁面带孔的空心圆筒中，通过密封系统组件将中空容器密封并将真空腔底端密封法兰连接地线。其次，通过抽真空系统组件抽取真空腔室内的气体，获得吸气剂工作时较低的气压环境。进一步地，通过供气系统组件在一定范围内适当调节工作气压及气体种类。开启射频电源，其射频供电系统能够将能量耦合进盛放吸气剂的中空筒体中并且使真空腔室内部产生等离子体，借助于射频供电系统的耦合能量，将提高吸气剂激活时间，同时通过等离子体中产生的活性物种可加快整个装置中吸气剂的吸气速率。
综上所述，采用射频放电等离子体激活大体积吸气剂并增强吸附速率的装置属于全新的技术手段，发明人期望对此项发明予以保护，保护范围当视权利要求书界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种射频放电等离子体激活大体积吸气剂并增强吸附速率的装置，其特征在于：包括真空腔室、抽真空系统组件、供气系统组件、射频供电系统及气压采集系统组件；
所述的真空腔室包括采用绝缘材料制成的上下二端开口的中空容器；中空容器的开口端通过密封法兰密闭；于中空容器中部设有内部放置有吸气剂的上端开口下端密闭的中空筒体，中空筒体的侧壁面上均布有多个通孔，中空筒体采用导电材料制成；
于中空容器中部的外壁面上缠绕有射频耦合线圈，射频耦合线圈一端通过高频同轴线与射频电源的射频电压输出端相连，另一端及中空筒体接地；
真空腔室通过管路与抽真空系统组件和供气系统组件相连通；于真空腔室上设有用于测量真空腔室内部压力的气压采集系统组件；所述的真空腔室主要用于产生真空环境，并且内部放置吸气剂，主要包括中空容器及密封法兰；所述的中空容器为可密封且耐高温的绝缘材料，所述绝缘材料为石英或陶瓷；其形状为底端外壁上带有径向环形凸台的空心圆筒；中空容器底端密封采用密封法兰、石墨密封垫片、螺丝及螺母，顶端密封采用密封法兰、密封O圈、螺丝及螺母；底端密封法兰下盖、上盖通过石墨密封垫片并使用螺丝及螺母密封；顶端密封法兰下盖、上盖通过密封O圈并同样使用螺丝及螺母密封；此外，其真空腔顶端密封法兰上盖设有二个开放接口，一个开放接口连接气压采集系统组件，另一个开放接口抽真空系统组件及供气系统组件。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的抽真空系统组件包括两个气流量可控的球阀以及机械泵；机械泵经两个球阀、送气管及适配接头与真空腔室密封连接，从而使真空腔室达到低气压真空水平；
所述的供气系统组件包括供气气源及真空质量流量计，供气气源经真空质量流量计、送气管及适配接头与真空腔室密封连接，由此可以通过改变供气气源调节真空腔室中气体的种类及压强，同时可由质量流量计控制通入气体的流速；吸气剂为锆钒铁吸气剂，ZrVFe。
3.根据权利要求2 所述的装置，其特征在于：所述的密封法兰为铝，铁，铜及其合金或不锈钢中的一种或二种以上，送气管为不锈钢、铁的硬管、或聚四氟乙烯的耐高温高压绝缘管中的一种或二种以上；所述的适配接头是法兰、KF接头、不锈钢直通接头、四氟直通接头中的一种或二种以上；所述的两个球阀可控制机械泵抽取真空速率，质量流量计可以恒定气流速度控制真空腔室内的稳态气压。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的中空筒体为壁面带通孔的空心圆筒，上端开口处设有可拆卸的带螺纹封盖；圆筒为金属材料，用于盛放吸气剂材料；圆筒下端与真空腔底端法兰下盖焊接为一体，其圆筒中心线与焊接于真空腔底端法兰下盖的中心线重合；圆筒上端设有螺纹，可通过带螺纹封盖的开、关进行吸气剂材料的装填、盛放及更换；所述中空筒体材质为铝，铁，铜及其合金或不锈钢中的一种或二种以上。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：前述的壁面带通孔空心圆筒的外径小于中空容器内径，长度小于中空容器长度，工作时需将其放置于中空容器内部。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：射频电源、高频同轴线、射频耦合线圈、连接导线及地线构成射频供电系统；射频耦合线圈套在中空容器外侧并且分别通过高频同轴线及导线连接于射频电源的高压输出端及接地线上，从而在耦合线圈上产生射频电场，以达到可以在真空腔室内部产生等离子体的作用。
7.根据权利要求1或6所述的装置，其特征在于：前述的射频电源由功率发生器及匹配器两部分组成，射频信号由功率发生器产生并经由匹配器调节输出，输出功率在50-10000瓦特，前述的射频耦合线圈为螺旋式金属线圈，材质为铜，铁，镍及其合金或不锈钢中的一种或二种以上。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：还包括气压采集系统组件，所述的气压采集系统组件包括真空计；真空计显示器；数字信息采集卡及电脑；真空计经送气管及适配接头与真空腔室相连接，同时气压值经过传输线由真空计显示器读取，所述的真空计显示器由数据传输线经采集卡与电脑连接，并由电脑上相应软件直接采集气压变化曲线。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：用于连接真空腔室并焊接盛放吸气剂筒体的密封法兰需接地；当真空腔室内装载好吸气剂并获得工作气压及所需吸附气体时，射频电源输出功率通过射频耦合线圈作用于真空腔室上，真空腔室内会产生等离子体，同时射频能量耦合进盛装吸气剂且接地的金属法兰及盛放吸气剂筒体中，从而实现上述装置对吸气剂的快速激活并且通过等离子体中产生的活性成分提升真空腔室内吸气剂的吸气速率，提升整个真空腔室到达预期真空目标的时间。
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