CN114126179A - 一种用于产生大面积均匀辉光放电等离子体的装置及方法 - Google Patents

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张跃飞
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Abstract

本发明提供了一种用于产生大面积均匀辉光放电等离子体的装置及方法，涉及等离子体技术领域。本发明所述的用于产生大面积均匀辉光放电等离子体的装置，包括：第一反刷式电极、第二反刷式电极、真空腔室、交流电源、示波器和电阻；第一反刷式电极和第二反刷式电极设置于真空腔室中；交流电源分别与第一反刷式电极和第二反刷式电极连接；示波器一端通过高压探棒分别与第一反刷式电极和第二反刷式电极连接，示波器的另一端与所述电阻连接。本技术方案通过利用交流电源驱动气体放电并设置第一反刷式电极和第二反刷式电极，实现了通过反刷式电极产生大面积均匀等离子体。

Description

一种用于产生大面积均匀辉光放电等离子体的装置及方法
技术领域
本发明涉及等离子体技术领域，具体而言，涉及一种用于产生大面积均匀辉光放电等离子体的装置及方法。
背景技术
均匀高密度等离子体一直以来都是研究者追求的目标，并且一系列的新技术用于提高等离子体参数。电极结构、气体压强、激励源等都会影响等离子体参数及气体击穿机制。针型刷式电极自提出以来，以其电子密度、电子温度和放电均匀性能够以可控的方式改变的特点，引起了人们的广泛关注。因为该电极提高了有效面积，离子略入射到刷式电极上时，能产生更多的二次电子。针型刷式电极在异常辉光区提供非常稳定的放电，并且有相当大的负辉光产生。用1-10kV直流电源，能产生600-1300eV的高能电子束。在不改变其他放电技术的条件下，针型刷式电极的平均电子密度相较于平板电极提高了2-3倍。但是，针型刷式电极在意外弧光放电时，会存在尖端融化的弊端。
反刷式电极避免了这一问题，并且能够达到相同的效果。但以往的反刷式电极通常局限在细玻璃管中，用直流电源驱动放电，产生的放电面积较小，电子密度无法进一步提高。
发明内容
本发明解决的问题是如何通过反刷电极产生大面积均匀辉光放电等离子体。
为解决上述问题，本发明提供一种用于产生大面积均匀辉光放电等离子体的装置，包括：第一反刷式电极、第二反刷式电极，真空腔室，交流电源，示波器和电阻；所述第一反刷式电极和所述第二反刷式电极设置于所述真空腔室中；所述交流电源分别与所述第一反刷式电极和所述第二反刷式电极连接；所述示波器一端通过高压探棒分别与所述第一反刷式电极和所述第二反刷式电极连接，所述示波器的另一端与所述电阻连接。
本发明所述的用于产生大面积均匀辉光放电等离子体的装置，通过设置在真空腔室中的第一反刷式电极和第二反刷式电极，提高了二次电子发射效率，从而降低了击穿电压，同时利用交流电源驱动气体放电产生的电子密度要高于直流驱动放电的电子密度。实现了通过反刷式电极产生大面积均匀等离子体。
可选地，所述第一反刷式电极和所述第二反刷式电极为平板电极，所述平板电极上设置有小孔。
本发明所述的用于产生大面积均匀辉光放电等离子体的装置，通过将所述第一反刷式电极和所述第二反刷式电极设置为有小孔的形状可以增加电极的有效面积，从而提高了二次电子的发射效率，有效降低了击穿电压，实现了通过反刷式电极产生大面积均匀等离子体。
可选地，所述第一反刷式电极和所述第二反刷式电极的电极材料为金属钼。
本发明所述的用于产生大面积均匀辉光放电等离子体的装置，通过将所述第一反刷式电极和所述第二反刷式电极的电极材料设置为金属钼，提高了放电的电子密度同时提高了电极表面清洁度，实现了通过反刷式电极产生大面积均匀等离子体。
可选地，所述真空腔室由耐高温聚四氟乙烯材料制成。
本发明所述的用于产生大面积均匀辉光放电等离子体的装置，通过设置由耐高温聚四氟乙烯材料制成的真空腔室，可以为产生等离子体提供密闭空间，且采用耐高温的聚四氟乙烯材料提高了装置的可靠性，进而实现了通过反刷式电极产生大面积均匀等离子体。
可选地，所述用于产生大面积均匀辉光放电等离子体的装置还包括电极固定装置，所述电极固定装置适于固定所述第一反刷式电极和所述第二反刷式电极。
本发明所述的用于产生大面积均匀辉光放电等离子体的装置，通过设置电极固定装置固定所述所述第一反刷式电极和所述第二反刷式电极，从而实现气体击穿，实现了通过反刷式电极产生大面积均匀等离子体。
可选地，所述电极固定装置包括聚四氟乙烯夹板、螺杆和螺母，所述第一反刷式电极和所述第二反刷式电极分别嵌入两块所述聚四氟乙烯夹板，所述聚四氟乙烯夹板四角设置有通孔，所述通孔适于穿入所述螺杆，所述螺母与所述螺杆配合使用适于固定所述第一反刷式电极和所述第二反刷式电极。
本发明所述的用于产生大面积均匀辉光放电等离子体的装置，通过聚四氟乙烯夹板固定电极并通过调节螺母调节电极间距，便于所述交流电源与所述第一反刷式电极和所述第二反刷式电极的配合，使气体击穿，实现了通过反刷式电极产生大面积均匀等离子体。
可选地，所述用于产生大面积均匀辉光放电等离子体的装置还包括真空泵和气体注入装置，所述真空腔室分别与所述真空泵和所述气体注入装置连接。
本发明所述的用于产生大面积均匀辉光放电等离子体的装置，通过设置所述真空泵和所述气体注入装置可以在真空腔室中维持一定压力的稀有气体环境，从而使气体击穿，实现了通过反刷式电极产生大面积均匀等离子体。
可选地，所述交流电源的电源频率连续可调。
本发明所述的用于产生大面积均匀辉光放电等离子体的装置，通过设置电源频率连续可调的交流电源，提供合适的电压和电源频率，使气体击穿，实现了通过反刷式电极产生大面积均匀等离子体。
本发明还提供一种用于产生大面积均匀辉光放电等离子体的方法，应用于上述任一项所述的用于产生大面积均匀辉光放电等离子体的装置，包括：接通电源产生交变电场，通过第一反刷式电极和第二反刷式电极产生产生大面积均匀等离子体。所述用于产生大面积均匀辉光放电等离子体的方法与上述用于产生大面积均匀辉光放电等离子体的装置相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器读取并运行时，实现上述任一项所述的用于产生大面积均匀辉光放电等离子体的方法。所述计算机可读存储介质与上述用于产生大面积均匀辉光放电等离子体的装置相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
附图说明
图1为本发明实施例所述的用于产生大面积均匀辉光放电等离子体的装置的示意图；
图2为本发明实施例所述的反刷式电极和平板电极放电时表面约化电场的数值模拟结果图。
附图标记说明：
1-反刷式电极模组，11-第一反刷式电极，12-第二反刷式电极，13-电极固定装置；2-真空腔室；3-真空泵；4-气体注入装置；5-交流电源；6-示波器；7-电阻。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
本发明实施例提供一种用于产生大面积均匀辉光放电等离子体的装置，结合图1所示，包括：第一反刷式电极11、第二反刷式电极12，真空腔室2，交流电源5，示波器6和电阻7；所述第一反刷式电极11和所述第二反刷式电极12设置于所述真空腔室2中；所述交流电源5分别与所述第一反刷式电极11和所述第二反刷式电极12连接；所述示波器6一端通过高压探棒分别与所述第一反刷式电极11和所述第二反刷式电极12连接，所述示波器6的另一端与所述电阻7连接。
具体地，在本实施例中，所述示波器6一端口通过高压探棒连接到所述第一反刷式电极11和所述第二反刷式电极12。高压探棒有1000：1的衰减，用于测量气体击穿时的放电电压。示波器6另一端口接在电源与电极串联的电阻7上，用于测量放电电流。优选地，所述电阻7阻值设置为50欧姆。通过伏安曲线，可以详细分析交流驱动反刷式电极的放电机制。结合图2所示，反刷式电极表面的约化电场均小于平板电极。根据氩气实验的结果，在低约化电场下，二次电子发射系数会随约化电场的减小而增大，所以反刷式电极能够增加二次电子发射的效率，从而降低击穿电压。在本发明实施例所用的交流电源5放电中，气体击穿为迁移控制的击穿机制，放电形式为辉光放电。优选地，所述交流电源5使用50kHz最高重复频率的交流电源5。
本发明实施例所述的用于产生大面积均匀辉光放电等离子体的装置，通过设置在真空腔室2中的第一反刷式电极11和第二反刷式电极12，提高了二次电子发射效率，从而降低了击穿电压，同时利用交流电源驱动气体放电产生的电子密度要高于直流驱动放电的电子密度。实现了通过反刷式电极产生大面积均匀等离子体。
可选地，所述第一反刷式电极11和所述第二反刷式电极12为平板电极，所述平板电极上设置有小孔。
具体地，在本实施例中，所述第一反刷式电极11和所述第二反刷式电极12设置为平板电极，每片电极的尺寸优选值为长度120mm，宽度100mm，厚度5mm。极板上设置有周期性的小孔，小孔个数优选值为437个，小孔截面为圆形，尺寸优选值为直径4mm，深度4mm。小孔在电极上的排布方式为行列布置，每行小孔的小孔中心在一条直线上，每列小孔的小孔中心在一条直线上。每行中相邻两个小孔之间的孔间距相等，每列中相邻两个小孔之间的孔间距也相等。所述第一反刷式电极11和所述第二反刷式电极12设置为上述形状可以增加电极的有效面积，从而提高了二次电子的发射效率。
在本实施例中，通过将所述第一反刷式电极11和所述第二反刷式电极12设置为上述形状可以增加电极的有效面积，从而提高了二次电子的发射效率，有效降低了击穿电压，实现了通过反刷式电极产生大面积均匀等离子体。
可选地，所述第一反刷式电极11和所述第二反刷式电极12的电极材料为金属钼。
具体地，在本实施例中，所述第一反刷式电极11和所述第二反刷式电极12的电极材料选择金属钼，因为钼的二次电子发射系数γse在氦气放电中为0.274，氩气放电中为0.115要高于钨(氦气中γse为0.263，氩气中γse为0.096)、镍(氦气中γse为0.170，氩气中γse为0.034)材料，这有利于提高放电的电子密度。对于交流放电，一个放电周期内会发生两次击穿，在一个周期内，两个电极都会受到离子轰击而发射二次电子。所以二次电子发射效率在该实验中会产生重要影响。同时，在机械加工钻孔时，杂质会不可避免地溅射到表面，影响表面清洁度。而钼材料的溅射率会比其他材料更低，从而可以提高表面清洁度。
在本实施例中，通过将所述第一反刷式电极11和所述第二反刷式电极12的电极材料设置为金属钼，提高了放电的电子密度同时提高了表面清洁度，实现了通过反刷式电极产生大面积均匀等离子体。
可选地，所述真空腔室2由耐高温聚四氟乙烯材料制成。
具体地，在本实施例中，聚四氟乙烯是一种以四氟乙烯作为单体聚合制得的高分子聚合物，具有良好的电绝缘性。呈白色蜡状、半透明、耐热、耐寒性优良，可在-180～260℃长期使用。由于在真空腔室2内会发生气体击穿现象，可能使局部温度升高，真空腔室2由耐高温聚四氟乙烯材料制成，可以提高装置的可靠性。真空腔室2内部空间优选值为长130mm，宽130mm，高130mm。所述真空腔室2适于容纳本发明实施例所设计的电极，且电极间距可调。真空腔室两侧设置有窗口，可用于观察内部放电情况。所述窗口优选使用石英玻璃窗，所述石英玻璃窗厚度优选值为7mm。
在本实施例中，通过设置由耐高温聚四氟乙烯材料制成的真空腔室2，可以为产生等离子体提供密闭空间，且采用耐高温的聚四氟乙烯材料提高了装置的可靠性，进而实现了通过反刷式电极产生大面积均匀等离子体。
可选地，所述用于产生大面积均匀辉光放电等离子体的装置还包括电极固定装置13，所述电极固定装置13适于固定所述第一反刷式电极11和所述第二反刷式电极12。
具体地，在本实施例中，所述电极固定装置13适于固定所述第一反刷式电极11和所述第二反刷式电极12。通过固定并调整所述第一反刷式电极11和所述第二反刷式电极12，便于气体击穿，实现了通过反刷式电极产生大面积均匀等离子体。
在本实施例中，通过设置电极固定装置13固定所述所述第一反刷式电极11和所述第二反刷式电极12，从而实现气体击穿，实现了通过反刷式电极产生大面积均匀等离子体。
可选地，所述电极固定装置13包括聚四氟乙烯夹板、螺杆和螺母，所述第一反刷式电极11和所述第二反刷式电极12分别嵌入两块所述聚四氟乙烯夹板，所述聚四氟乙烯夹板四角设置有通孔，所述通孔适于穿入所述螺杆，所述螺母与所述螺杆配合使用适于固定所述第一反刷式电极11和所述第二反刷式电极12。
具体地，在本实施例中，反刷式电极模组1包括第一反刷式电极11、第二反刷式电极12和电极固定装置13，所述电极固定装置13由包括2块聚四氟乙烯夹板，4根螺杆以及16个螺母。所述聚四氟乙烯夹板四角打通孔用于穿入螺杆。通过调节聚四氟乙烯螺母可以灵活调节两极板间距。可以方便所述交流电源5与所述第一反刷式电极11和所述第二反刷式电极12的配合，便于气体击穿，实现了通过反刷式电极产生大面积均匀等离子体。
在本实施例中，通过聚四氟乙烯夹板固定电极并通过调节螺母调节电极间距，便于所述交流电源5与所述第一反刷式电极11和所述第二反刷式电极12的配合，使气体击穿，实现了通过反刷式电极产生大面积均匀等离子体。
可选地，所述用于产生大面积均匀辉光放电等离子体的装置还包括真空泵3和气体注入装置4，所述真空腔室2分别与所述真空泵3和所述气体注入装置4连接。
具体地，在本实施例中，所述真空泵3将真空腔室气压抽至第一压力，利用气体注入装置4，向真空腔室2注入稀有气体持续第一时间以排出真空腔室内其他杂质气体，控制真空腔室真空度在60Pa至200Pa范围内。所述稀有气体优选使用氩气或者氦气，所述第一压力优选值为20Pa，所述第一时间优选值为3分钟。
在本实施例中，通过设置所述真空泵3和所述气体注入装置4可以在真空腔室2中维持一定压力的稀有气体环境，从而使气体击穿，实现了通过反刷式电极产生大面积均匀等离子体。
可选地，所述交流电源5的电源频率连续可调。
具体地，在本实施例中，所述交流电源5提供0-8000V电压且电源频率在8kHz-50kHz范围内连续可调。气体击穿后，极板两端电压波形的峰值不会一直增加，而是稳定在较低的范围内；而放电电流的峰值则会随外加电压一直增大。
在本实施例中，重复频率则会影响气体的击穿电压。在交变电场中，由于电场周期性的改变方向，空间带电粒子不容易到达电极而离开放电空间，这就相对减少了带电粒子的损失，因此对电离的要求来说，只要有较低的电场就可以维持放电。在这样的情况下，电极上的次级过程对击穿就不再是必要条件，而在直流放电中，电极上的次级过程是不可忽略的。
假设交变电场E＝E0cosωt，正离子的迁移率为μi，从电压峰值开始到t时，正离子的移动距离为：
Figure BDA0003345653550000071
如果电极间距为d，并且在外加电压反向之前最大的有效时间是四分之一周期，可以得到电场的最大频率为：
Figure BDA0003345653550000081
对于离子运动的分析也能用来描述集中在雪崩头部球状体积中的电子运动。因为在相同的条件下，电子的迁移速度一般比离子大两个数量级，如果电子不能到达任何一个电极，那么它们将只能通过复合，吸附或扩散而损失。这里将离子迁移率μi替换为电子迁移率μe，即可得到考虑电子迁移下的电场临界频率：
Figure BDA0003345653550000082
根据放电实际情况，考虑电压振幅峰值为380V，极板间距3cm。氩气放电中电子迁移率
Figure BDA0003345653550000083
得出考虑电子迁移下电场的临界频率随气压的变化结果。当气压超过60pa并持续增大时，fce在10MHz以上，估算得到考虑离子迁移下的电场临界频率为100kHz以上。所以，本实施例所研究的条件下f＜fce，无空间电荷积累，击穿条件和静态相似，电子迁移到电极上而损失掉，正离子迁移到电极上引起二次电子发射，此时击穿机理为迁移控制的机理。该条件下的放电仍为辉光放电。
在本实施例中，通过设置电源频率连续可调的交流电源5，提供合适的电压和电源频率，使气体击穿，实现了通过反刷式电极产生大面积均匀等离子体。
本发明还提供一种用于产生大面积均匀辉光放电等离子体的方法，应用于上述任一项所述的用于产生大面积均匀辉光放电等离子体的装置，包括：接通电源产生交变电场，通过第一反刷式电极和第二反刷式电极产生产生大面积均匀等离子体。所述用于产生大面积均匀辉光放电等离子体的方法与上述用于产生大面积均匀辉光放电等离子体的装置相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器读取并运行时，实现上述用于产生大面积均匀辉光放电等离子体的方法。所述计算机可读存储介质与上述用于产生大面积均匀辉光放电等离子体的装置相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于产生大面积均匀辉光放电等离子体的装置，其特征在于，包括：第一反刷式电极(11)、第二反刷式电极(12)、真空腔室(2)、交流电源(5)、示波器(6)和电阻(7)；
所述第一反刷式电极(11)和所述第二反刷式电极(12)设置于所述真空腔室(2)中；
所述交流电源(5)分别与所述第一反刷式电极(11)和所述第二反刷式电极(12)连接；
所述示波器(6)一端通过高压探棒分别与所述第一反刷式电极(11)和所述第二反刷式电极(12)连接，所述示波器(6)的另一端与所述电阻(7)连接。
2.根据权利要求1所述的用于产生大面积均匀辉光放电等离子体的装置，其特征在于，所述第一反刷式电极(11)和所述第二反刷式电极(12)为平板电极，所述平板电极上设置有小孔。
3.根据权利要求1所述的用于产生大面积均匀辉光放电等离子体的装置，其特征在于，所述第一反刷式电极(11)和所述第二反刷式电极(12)的电极材料为金属钼。
4.根据权利要求1所述的用于产生大面积均匀辉光放电等离子体的装置，其特征在于，所述真空腔室(2)由耐高温聚四氟乙烯材料制成。
5.根据权利要求1所述的用于产生大面积均匀辉光放电等离子体的装置，其特征在于，还包括电极固定装置(13)，所述电极固定装置(13)适于固定所述第一反刷式电极(11)和所述第二反刷式电极(12)。
6.根据权利要求5所述的用于产生大面积均匀辉光放电等离子体的装置，其特征在于，所述电极固定装置(13)包括聚四氟乙烯夹板、螺杆和螺母，所述第一反刷式电极(11)和所述第二反刷式电极(12)分别嵌入两块所述聚四氟乙烯夹板，所述聚四氟乙烯夹板四角设置有通孔，所述通孔适于穿入所述螺杆，所述螺母与所述螺杆配合使用适于固定所述第一反刷式电极(11)和所述第二反刷式电极(12)。
7.根据权利要求1所述的用于产生大面积均匀辉光放电等离子体的装置，其特征在于，还包括真空泵(3)和气体注入装置(4)，所述真空腔室(2)分别与所述真空泵(3)和所述气体注入装置(4)连接。
8.根据权利要求1所述的用于产生大面积均匀辉光放电等离子体的装置，其特征在于，所述交流电源(5)的电源频率连续可调。
9.一种用于产生大面积均匀辉光放电等离子体的方法，应用于如权利要求1至8任一项所述的用于产生大面积均匀辉光放电等离子体的装置，其特征在于，包括：
接通电源产生交变电场，通过第一反刷式电极和第二反刷式电极产生产生大面积均匀等离子体。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器读取并运行时，实现如权利要求9所述的用于产生大面积均匀辉光放电等离子体的方法。
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