CN112888132A - 一种串列式双线圈射频驱动气体放电装置 - Google Patents

Abstract

本发明的串列式双线圈射频驱动气体放电装置，采用串列式双线圈结构设计，可以利用相同频率或不同频率的射频信号驱动激发产生等离子体放电，放电区域长度较单线圈共振腔加长，可以在更大范围内产生气体放电，有利于提高亚稳态原子激发效率，提高亚稳态原子束流强度；采用压环与定位盖环对气体导管进行定位，可以有效保证气体导管与安装法兰的同轴度与准直度，便于原子束流定向；在屏蔽层外用漆包线绕制通电螺线圈，并通入电流产生磁场，等离子体中电子沿磁力线作回旋运动，可进一步提高电子与原子碰撞几率，提高激发效率；本发明可以根据需求填充不同种类的气体或其它样品，用于多种气体的低压等离子体放电，实现多种用途。

Description

一种串列式双线圈射频驱动气体放电装置

技术领域

本发明涉及一种串列式双线圈射频驱动气体放电装置，用于产生低温低压气体等离子体放电，通过电子碰撞激发产生亚稳态原子束流，可用于精密光谱测量、原子光刻、原子频标等研究和应用领域。

背景技术

高强度、高准直度的亚稳态原子束流在原子光刻、原子光学、原子碰撞、原子频标、精密光谱测量、痕量分析、玻色-爱因斯坦凝聚等诸多领域有重要用途。许多物理过程和应用只能通过高强度的原子束流实现。因此如何产生高强度的亚稳态原子束流就成为一个非常重要的技术问题。

通常可采用直流或射频气体放电的方式激发产生亚稳态原子束流。相比于直流放电方式，射频放电方式没有电极暴露在气体中，对工作环境没有污染，因而成为一种应用更广泛的激发方式。目前，基于螺旋谐振腔的射频驱动气体放电装置是一种常用的亚稳态原子束流产生装置，螺旋射频共振腔可以在相对较小的空间内产生品质因数比较高的射频共振系统，并且在低气压条件下也可以产生自持的低温等离子体放电，适合真空环境下气体放电应用。该共振腔采用螺线圈和屏蔽层组成，螺线圈由铜导线绕制，屏蔽层采用导电性能良好的导体材料制成，屏蔽层套装在螺线圈外面，射频信号通过线圈第一匝连接进共振腔实现阻抗匹配与功率耦合。该结构可以在200Pa以下的气压条件下实现稳定放电，激发产生所需要的亚稳态原子束流。

上述结构存在如下问题：现有螺旋共振腔射频气体放电装置放电区域较短，原子与电子碰撞几率与次数较少，激发效率较低，不能产生高强度亚稳态原子束流；并且放电的最佳气压范围较小，放电状态对气压敏感，不能兼顾束流的强度与准直度，所产生的亚稳态束流无法满足使用的指标要求；同时放电线圈在真空中多次反复开关后，高功率射频信号的加热效应导致线圈退火，线圈共振性能下降，影响系统的可靠运行。

发明内容

为解决上述问题，本发明的串列式双线圈射频驱动气体放电装置，包括超高真空双面密封法兰和安装在超高真空双面密封法兰上的气体导管，以及屏蔽层定位盖环、屏蔽层；气体导管、屏蔽层与超高真空双面密封法兰三者的轴线重合，并与超高真空双面密封法兰平面垂直，在所述的气体导管外部前后串列方式套装有第一螺旋线圈和第二螺旋线圈，第一螺旋线圈、第二螺旋线圈和气体导管同轴；第一螺旋线圈的接地端和第二螺旋线圈的接地端均与屏蔽层焊接连接并接地，第一螺旋线圈的射频接入端和第二螺旋线圈的射频接入端均穿过屏蔽层，并分别与超高真空双面密封法兰上的射频信号输入端连接。

所述的串列式双线圈射频驱动气体放电装置，在超高真空双面密封法兰朝向屏蔽层的一侧，同轴安装有气体导管压环，在气体导管压环和超高真空双面密封法兰中间利用○型圈进行密封；气体导管压环的内径与气体导管的外径相等，气体导管穿过气体导管压环；在屏蔽层的外侧绕制有通电螺线圈，通电螺线圈与屏蔽层同轴。

在第一螺旋线圈的一端设置了所述的接地端，在该螺旋线圈紧邻接地端的第一匝上设置了所述的射频接入端；在第二螺旋线圈的一端设置了所述的接地端，在第二螺旋线圈紧邻接地端的第一匝上设置了所述的射频接入端。

本发明与现有技术相比所具有的优点如下：

本发明采用串列式双线圈结构设计，可以利用相同频率或不同频率的射频信号驱动激发产生等离子体放电，放电区域长度较单线圈共振腔加长，可以在更大范围内产生气体放电，有利于提高亚稳态原子激发效率，提高亚稳态原子束流强度；

本发明气体导管采用压环与定位盖环进行定位，可以有效保证气体导管与安装法兰的同轴度与准直度，使得产生的亚稳态原子沿法兰几何轴心垂直飞行，便于原子束流定向；

本发明在屏蔽层外用漆包线绕制通电螺线圈，并通入电流产生磁场，磁场方向沿原子流动方向，等离子体中电子沿磁力线作回旋运动，可进一步提高电子与原子碰撞几率，提高激发效率；

本发明可以根据需求填充不同种类的气体或其它样品，用于多种气体的低压等离子体放电，实现多种用途。

附图说明

图1为超高真空双面密封法兰结构示意图。

图2为第一螺旋线圈结构示意图。

图3为屏蔽层结构示意图。

图4为串列式双线圈射频驱动气体放电装置总体结构示意图。

图5为串列式双线圈射频驱动气体放电装置总体结构剖面示意图。

其中：1是超高真空双面密封法兰，2是气体导管压环，3是气体导管，4是第一螺旋线圈，5是第二螺旋线圈，6是屏蔽层定位盖环，7是通电螺线圈，8是屏蔽层，9是第二螺旋线圈的射频接入端，10是第二螺旋线圈的接地端，11是第一螺旋线圈的射频接入端，12是第一螺旋线圈的接地端，13-1是第一射频信号输入端，13-2是第二射频信号输入端。

具体实施方式

如图2所示，在第一螺旋线圈4的一端设置了所述的接地端12，在该螺旋线圈紧邻接地端12的第一匝上设置了所述的射频接入端11；第二螺旋线圈5的结构参照图2中所示的第一螺旋线圈4的结构示意图，第一螺旋线圈4和第二螺旋线圈5结构相同，在第二螺旋线圈5的一端设置了所述的接地端10，在第二螺旋线圈紧邻接地端10的第一匝上设置了所述的射频接入端9。根据需要，第一螺旋线圈4和第二螺旋线圈5具体的匝数可以相同，也可以不同。

图5为串列式双线圈射频驱动气体放电装置总体结构剖面示意图。系统各子系统的结构加工完成后首先进行所有的焊接，经清洗、除气等操作后进行系统装配。安装时，首先将气体导管3安装在超高真空双面密封法兰1上，利用气体导管压环2与O型圈进行紧固与密封；其次将第一螺旋线圈4和第二螺旋线圈5安装在屏蔽层8上，其中接地端10、12采用锡焊方式与屏蔽层8连接，确保导电连接并接地；射频接入端9、11与屏蔽层8之间电气绝缘，完成射频共振腔的组装；将组装好的射频共振腔安装到超高真空双面密封法兰1上，并安装屏蔽层定位盖环6，确保气体导管3与射频共振腔各部件的同轴定位；最后在屏蔽层8上根据需要绕制通电螺线圈7，采用镀银导线将射频信号接入端9、11分别与超高真空双面密封法兰1上的第一射频信号输入端13-1和第二射频信号输入端13-2连接。

气体导管3材料优选氮化铝，也可以采用石英玻璃、硅硼玻璃或可加工陶瓷材料，螺旋线圈和屏蔽层的材料优选无氧铜，射频信号连接线优选镀银铜导线。

本发明的原理是：

首先，将气体导管安装在超高真空双面密封法兰上，利用超高真空法兰上的安装孔、气体导管压环与屏蔽层定位盖环保证气体导管与安装法兰的垂直度与同轴度。

其次，螺旋共振腔的共振特性曲线由组成共振腔的屏蔽层直径、线圈线径、线圈匝数、接入方式等特征参数决定，而电子与原子碰撞激发产生亚稳态原子束流的激发效率与电子的能量与密度相关，为了获得更长的螺旋共振腔射频气体放电装置放电区域，通常的思路是简单增加单个螺旋线圈的匝数，但是使用单线圈螺旋共振腔无法同时满足电子能量控制与增加放电区域长度的要求，且会导致发放电启动困难，线圈加热、工作状态不稳定等难题。为此，将两个螺旋线圈串列式安装在气体导管外，并与屏蔽层构成螺旋共振腔，两个螺旋线圈都是一端悬空，另一端与屏蔽层短路接地，射频信号通过紧邻接地端第一匝的射频接入端接入，外接射频信号与螺旋共振腔共振特性曲线匹配，实现射频信号的馈入与等离子放电，这样可以获得更长的螺旋共振腔，即螺旋共振腔射频气体放电装置放电区域更长、束流的强度更强。两个螺旋线圈在原子流动方向呈串列式排布，可以有效增加等离子体放电区域范围，提高原子与电子碰撞几率与次数，从而提高亚稳态原子激发效率。

组装完成的串列式双线圈射频气体放电装置通过超高真空双面密封法兰连接到超高真空系统与气源上，通入工作气体，即可在射频信号驱动下产生可自持等离子体放电。根据需要，两个螺旋线圈输入的射频信号可以是各自的基频信号，也可以是各自的三倍频信号，也可以一个基频信号和另一个三倍频信号的组合，通过采用不同多种射频信号组合实施驱动，便于实现对放电状态的更精确控制。

Claims (3)

1.一种串列式双线圈射频驱动气体放电装置，包括超高真空双面密封法兰(1)和安装在超高真空双面密封法兰(1)上的气体导管(3)，以及屏蔽层定位盖环(6)、屏蔽层(8)，气体导管(3)、屏蔽层(8)与超高真空双面密封法兰(1)三者的轴线重合，并与超高真空双面密封法兰(1)平面垂直，其特征在于：在所述的气体导管(3)外部前后串列方式套装有第一螺旋线圈(4)和第二螺旋线圈(5)，第一螺旋线圈(4)、第二螺旋线圈(5)和气体导管(3)同轴；第一螺旋线圈(4)的接地端(12)和第二螺旋线圈(5)的接地端(10)均与屏蔽层(8)焊接连接并接地；第一螺旋线圈(4)的射频接入端(11)和第二螺旋线圈(5)的射频接入端(9)均穿过屏蔽层(8)，并分别与设置在超高真空双面密封法兰(1)上的第一射频信号输入端(13-1)和第二射频信号输入端(13-2)连接，射频接入端(9)和射频接入端(11)与屏蔽层(8)之间均为电气绝缘。

2.如权利要求1所述的串列式双线圈射频驱动气体放电装置，其特征在于：在超高真空双面密封法兰(1)朝向屏蔽层(8)的一侧，同轴安装有气体导管压环(2)，在气体导管压环(2)和超高真空双面密封法兰(1)中间利用○型圈进行密封；气体导管压环(2)的内径与气体导管(3)的外径相等，气体导管(3)穿过气体导管压环(2)；在屏蔽层(8)的外侧绕制有通电螺线圈(7)，通电螺线圈(7)与屏蔽层(8)同轴。

3.如权利要求1或2所述的串列式双线圈射频驱动气体放电装置，其特征在于：所述接地端(12)设置第一螺旋线圈(4)的一端，所述的射频接入端(11)设置在紧邻接地端(12)的第一匝上；所述接地端(10)设置第二螺旋线圈(5)的一端，所述的射频接入端(9)设置在紧邻接地端(10)的第一匝上。

Images