CN114360341B - 一种多模式转换等离子体放电实验演示装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于等离子体放电领域，具体涉及一种多模式转换等离子体放电实验演示装置与方法。包括双极性脉冲电源、三台直流电源、上电极、中间电极、下电极、挡板、进气口、排气口、冷却水口、励磁调制线圈、石英玻璃腔室和不锈钢支架。通过调节电源参数、电极位置、腔压和电路类型，可实现辉光放电、电弧放电、空心阴极放电、磁控溅射等多种放电过程。本发明通过设计电极结构和电路类型，实现了多种放电模式在一定条件下的相互切换，满足实验演示、薄膜制备、材料处理等不同场合的需求，石英腔室还能完整展示出放电区域，该装置不仅能降低成本，还能够大大提高腔室空间利用率。

Description

一种多模式转换等离子体放电实验演示装置及方法
技术领域
本发明属于等离子体放电领域，具体涉及一种多模式转换等离子体放电实验演示装置及方法。
技术背景
气体放电(Gas Discharge)是在气体从绝缘状态变为导电状态的情况下所观察到的现象。气体放电在气体照明、高压电器、微电子技术、气体激光、材料的改性和合成等领域发挥着重要作用。由于放电现象复杂多样，而且随着科学技术的发展，放电装置的形式也发生着巨大变化。现存实验装置能实现的放电状态大多较为单一，无法做到将辉光放电、电弧放电、空心阴极放电、磁控溅射等放电过程在同一个装置中完整展示。尽管个别专利将几种相似的放电模式集中在一个装置上(CN103247204 A)，但其主要作用是教学用具不可能用于生产实际，放电模式也不全面。要解决这个问题就必须设计更为合理的装置结构，实现几种放电模式在一定条件下能够相互切换，以满足不同场合的需要，这还将提高腔室空间利用率，大大节约生产制造成本。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提出一种多模式转换等离子体放电实验演示装置与方法，该装置能够完整展示辉光放电、电弧放电、空心阴极放电、磁控溅射等放电过程。为了达成上述目的，本发明的技术方案为：
一种多模式转换等离子体放电实验演示装置，包括腔室、双极性脉冲电源、第一直流电源、第二直流电源第三直流电源、励磁调制线圈、进气口、排气口及冷却水口，腔室内轴线方向设置有上电极、中间电极、下电极、挡板；挡板可上下移动、水平旋转，上电极、下电极、中间电极均可上下移动；上电极内部嵌入励磁调制线圈，双极性脉冲电源和第一直流电源为上电极供电，第二直流电源为励磁调制线圈供电，第三直流电源为下电极或中间电极供电。
进一步地，本发明的多模式转换等离子体放电实验演示装置，所述的上电极可选择性地与双极性脉冲电源和第一直流电源连接；所述的下电极接地或与第三直流电源连接；所述的中间电极接地或与第三直流电源连接；上电极、中间电极、下电极均与腔室绝缘，挡板接地。
进一步地，本发明的多模式转换等离子体放电实验演示装置，上电极、中间电极和下电极的纵向位置可自由调节。
进一步地，本发明的多模式转换等离子体放电实验演示装置，腔室的侧壁由透明石英玻璃构成，腔室的顶板和底板均为不锈钢，外围均匀布置四根不锈钢支架。
一种采用如上所述装置进行多模式转换等离子体放电实验演示方法，通过调节电源参数、电极位置、腔压和电路类型，实现辉光放电、电弧放电、空心阴极放电、磁控溅射多种放电过程。
所述辉光放电过程为：
(1)辉光在上电极与中间电极之间：调节电极位置并控制腔压，下电极连接触点(a)或触点(b)，中间电极连接触点(c)，上电极连接双极性脉冲电源并调节占空比为10-90％、正反向输出电压为300-900V；若下电极连接触点(b)，第三直流电源输出电压为100-300V；
(2)辉光在上电极与下电极之间：调节电极位置并控制腔压，下电极连接触点(a)或触点(b)，中间电极连接触点(c)，上电极连接双极性脉冲电源并调节占空比为10-90％、正反向输出电压为300-900V；若下电极连接触点(b)，第三直流电源输出电压为100-300V。
进一步地，所述电弧放电过程为：电极间距及电路设置与辉光放电步骤相同并控制腔压，上电极连接第一直流电源并调节输出电流为90-120A。
进一步地，所述空心阴极放电过程为：
(1)辉光在上电极与中间电极之间：调节电极位置并控制腔压，下电极连接触点(a)，中间电极连接触点(b)，上电极连接双极性脉冲电源并调节占空比为100％、输出电压为400-800V，第三直流电源输出电压为400-800V；
(2)辉光在上电极与下电极之间：移开中间电极，调节电极位置并控制腔压，下电极连接触点(a)，中间电极连接触点(b)，上电极连接双极性脉冲电源并调节占空比为100％、输出电压为400-800V，第三直流电源输出电压为400-800V。
进一步地，所述磁控溅射过程为：靶材固定于上电极，移开中间电极，下电极连接触点(b)，调节电极位置并控制腔压，将上电极连接双极性脉冲电源并调节占空比为50-80％、输出电压为400-800V、第二直流电源输出电流为10-20A。
本发明实施过程的关键在于：
本发明提出一种多模式转换等离子体放电实验演示装置与方法。该演示装置主要包括双极性脉冲电源、三台直流电源、上电极、中间电极、下电极、挡板、进气口、排气口、冷却水口、励磁调制线圈、石英玻璃腔室和不锈钢支架。挡板可上下移动、水平旋转，上电极、下电极、中间电极均可上下移动；上电极内部嵌入励磁调制线圈，双极性脉冲电源和第一直流电源为上电极供电，第二直流电源为励磁调制线圈供电，第三直流电源为下电极或中间电极供电。本发明通过调整装置结构、电路连接及实验参数来实现不同类型的放电状态。
辉光放电过程演示的关键之处在于：当辉光在上电极与中间电极之间，需调节上电极与中间电极距离为20-30mm，中间电极与下电极间距为5-10mm；抽至预定真空后向腔室中通入氩气、保持腔压为1-5kpa。将下电极连接触点(a)或触点(b)，中间电极连接触点(c)，将上电极连接双极性脉冲电源并调节占空比为10-90％，正反向输出电压大小均为300-900V，正负脉宽相等；如果下电极连接触点(b)，则调节第三直流电源输出电压大小为100-300V，该情况下气体在上电极与中间电极之间离化，经由中间电极与下电极中间的电场加速，最终作用与下电极上的样品，这不仅有利于气体离化效率的提高，还大大增强了离子轰击能量。当辉光在上电极与下电极之间，需移开中间电极，调节上电极与下间电极距离为20-30mm，抽至预定真空后向腔室中通入氩气、保持腔压为1-5kpa。将下电极连接触点(a)或触点(b)，中间电极连接触点(c)，将上电极连接双极性脉冲电源并调节占空比为10-90％，正反向输出电压大小均为300-800V，正负脉宽相等；如果下电极连接触点(b)，则调节第三直流电源输出电压大小为100-300V，达到辉光放电状态，演示完毕后关闭电源、关闭气体，抽至极限真空后关机。
电弧放电过程演示的关键之处在于：电极间距及电路设置与辉光放电步骤相同，抽至预定真空后向腔室中通入氩气、保持腔压为2-5kpa。将上电极连接第一直流电源并调节输出电流为90-120A，达到电弧放电状态，演示完毕后关闭电源、关闭气体，抽至极限真空后关机。
空心阴极放电过程演示的关键之处在于：当辉光在上电极与中间电极之间，需调节上电极与中间电极距离15-20mm，中间电极与下电极间距5-10mm，抽至预定真空后向腔室中通入氩气、保持腔压为1-2kpa。将下电极连接触点(a)，中间电极连接触点(b)，将上电极连接双极性脉冲电源并调节占空比为100％，反向输出电压大小为400-800V，第三直流电源输出电压大小为400-800V，达到空心阴极放电状态。该种情况下上电极和中间电极之间的空心阴极效应提高了气体离化效率，下电极与中间电极之间的电场给离化粒子赋能，提高了粒子能量。当辉光在上电极与下电极之间，需移开中间电极，调节上电极与下电极间距至15-20mm，抽至预定真空后向腔室中通入氩气、保持腔压为1-2kpa。将下电极连接触点(a)，中间电极连接触点(b)，将上电极连接双极性脉冲电源并调节占空比为100％，反向输出电压大小为400-800V，第三直流电源输出电压大小为400-800V，达到空心阴极放电状态。演示完毕后关闭电源、关闭气体，抽至极限真空后关机。
磁控溅射过程演示的关键之处在于：将靶材固定于上电极，移开中间电极并调整下电极与靶材间距为80-120mm，抽至预定真空后向腔室中通入氩气、保持腔压为1-5pa，将下电极连接触点(b)，将上电极连接双极性脉冲电源并调节占空比为50-80％，反向输出电压大小为400-800V，调整第二直流电源使励磁调制线圈直流大小为10-20A，达到磁控溅射过程理想的辉光状态。演示完毕后关闭电源、关闭气体，抽至极限真空后关机。
本发明和现有技术相比所具有的有益效果在于：
本发明利用提出一种多模式转换等离子体放电实验演示装置与方法，相对于辉光放电、电弧放电等单种放电模式，本发明可实现辉光放电、电弧放电、空心阴极放电、磁控溅射等多种放电过程，实现多种放电模式在一定条件下能够相互切换，以满足实验演示、薄膜制备、材料处理等不同场合的需要，石英腔室还能完整展示出放电区域。
该装置通过将多种放电模式集成在一起，用同一套放电组件和同一套附属设施实现了不同种放电，不仅能大大降低了成本，还能够提高腔室空间利用率。
附图说明
图1是一种多模式转换等离子体放电实验演示装置的结构示意图；
其中：1-双极性脉冲电源；2-第一直流电源；3-第二直流电源；4-进气口；5-顶板；6-不锈钢支架；7-石英玻璃腔室；8-励磁调制线圈；9-上电极；10-挡板；11-中间电极；12-下电极；13-底板；14-排气口；15-冷却水口；16-第三直流电源。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明：
如图所示，本发明提出一种多模式转换等离子体放电实验演示装置，包括腔室(7)、双极性脉冲电源(1)、第一直流电源(2)、第二直流电源(3)、第三直流电源(16)、励磁调制线圈(8)、进气口(4)、排气口(14)及冷却水口(15)，腔室内轴线方向设置有上电极(9)、中间电极(11)、下电极(12)、挡板(10)；挡板可上下移动、水平旋转，上电极(9)、下电极(12)、中间电极(11)均可上下移动；上电极(9)内部嵌入励磁调制线圈(8)，双极性脉冲电源(1)和第一直流电源(2)为上电极(9)供电，第二直流电源(3)为励磁调制线圈(8)供电，第三直流电源(16)为下电极(12)或中间电极(11)供电。上电极(9)可选择性地与双极性脉冲电源(1)和第一直流电源(2)连接；下电极(11)接地或与第三直流电源(16)连接；中间电极(16)接地或与第三直流电源(16)连接；上电极(9)、中间电极(11)、下电极(12)均与腔室(9)绝缘，挡板(10)接地。上电极(9)、中间电极(11)和下电极(12)的纵向位置可自由调节。腔室(9)的侧壁由透明石英玻璃构成，腔室的顶板(5)和底板(13)均为不锈钢，外围均匀布置四根不锈钢支架(6)。
本发明的多模式转换等离子体放电实验演示装置，通过调节电源参数、电极位置、腔压和电路类型，实现辉光放电、电弧放电、空心阴极放电、磁控溅射多种放电过程。
本发明的多模式转换等离子体放电实验演示装置包括以下放电模式：
实施例1
通过调整装置结构、电路连接及实验参数来实现不同类型的放电状态，按照以下步骤实施：
(1)辉光放电：调节上电极(9)与中间电极(10)距离为30mm，中间电极(10)与下电极(12)间距为5mm，抽至预定真空后向腔室中通入氩气、保持腔压为1kpa。将下电极(12)连接触点(a)，中间电极(10)连接触点(c)，将上电极(9)连接双极性脉冲电源(1)并调节占空比为90％，正反向输出电压大小均为300V，正负脉宽相等，达到辉光放电状态。
(2)电弧放电：电极间距及电路设置与辉光放电步骤相同，抽至预定真空后向腔室中通入氩气、保持腔压为2kpa。将上电极(9)连接第一直流电源(2)并调节输出电流为120A，达到电弧放电状态。
(3)空心阴极放电：上电极(9)与中间电极(10)距离20mm，中间电极(10)与下电极(12)间距5mm，抽至预定真空后向腔室中通入氩气、保持腔压为1kpa。将下电极(12)连接触点(a)，中间电极(10)连接触点(b)，将上电极(9)连接双极性脉冲电源(1)并调节占空比为100％，反向输出电压大小为800V，第三直流电源(16)输出电压大小为800V，达到空心阴极放电状态。
(4)磁控溅射：将靶材固定于上电极(9)，移开中间电极(10)并调整下电极(12)与靶材间距为120mm，抽至预定真空后向腔室中通入氩气、保持腔压为1pa，将下电极(12)连接触点(b)，将上电极(9)连接双极性脉冲电源(1)并调节占空比为80％，反向输出电压大小为800V，调整第二直流电源(3)使励磁调制线圈(8)直流大小为10A，达到磁控溅射过程理想的辉光状态。
实施例2
通过调整装置结构、电路连接及实验参数来实现不同类型的放电状态，按照以下步骤实施：
(1)辉光放电：调节上电极(9)与中间电极(10)距离为20mm，中间电极(10)与下电极(12)间距为10mm，抽至预定真空后向腔室中通入氩气、保持腔压为3kpa。将下电极(12)连接触点(a)，中间电极(10)连接触点(c)，将上电极(9)连接双极性脉冲电源(1)并调节占空比为70％，正反向输出电压大小均为500V，正负脉宽相等，达到辉光放电状态。
(2)电弧放电：电极间距及电路设置与辉光放电步骤相同，抽至预定真空后向腔室中通入氩气、保持腔压为3kpa。将上电极(9)连接第一直流电源(2)并调节输出电流为110A，达到电弧放电状态。
(3)空心阴极放电：上电极(9)与中间电极(10)距离15mm，中间电极(10)与下电极(12)间距10mm，抽至预定真空后向腔室中通入氩气、保持腔压为2kpa。将下电极(12)连接触点(a)，中间电极(10)连接触点(b)，将上电极(9)连接双极性脉冲电源(1)并调节占空比为100％，反向输出电压大小为400V，第三直流电源(16)输出电压大小为600V，达到空心阴极放电状态。
(4)磁控溅射：将靶材固定于上电极(9)，移开中间电极(10)并调整下电极(12)与靶材间距为110mm，抽至预定真空后向腔室中通入氩气、保持腔压为2pa，将下电极(12)连接触点(b)，将上电极(9)连接双极性脉冲电源(1)并调节占空比为70％，反向输出电压大小为700V，调整第二直流电源(3)使励磁调制线圈(8)直流大小为13A，达到磁控溅射过程理想的辉光状态。
实施例3
通过调整装置结构、电路连接及实验参数来实现不同类型的放电状态，按照以下步骤实施：
(1)辉光放电：移开中间电极(10)，调节上电极(9)与下间电极距离为20mm，抽至预定真空后向腔室中通入氩气、保持腔压为5kpa。将下电极(12)连接触点(a)，将上电极(9)连接双极性脉冲电源(1)并调节占空比为50％，正向输出电压大小为700V，达到辉光放电状态。
(2)电弧放电：移开中间电极(10)，调节上电极(9)与下间电极距离为25mm，抽至预定真空后向腔室中通入氩气、保持腔压为4kpa。将上电极(9)连接第一直流电源(2)并调节输出电流为100A，达到电弧放电状态。
(3)空心阴极放电：移开中间电极(10)，上电极(9)与下电极(12)间距20mm，抽至预定真空后向腔室中通入氩气、保持腔压为1kpa。将下电极(12)连接触点(a)，中间电极(10)连接触点(b)，将上电极(9)连接双极性脉冲电源(1)并调节占空比为100％，反向输出电压大小为800V，第三直流电源(16)输出电压大小为800V，达到空心阴极放电状态。
(4)磁控溅射：将靶材固定于上电极(9)，移开中间电极(10)并调整下电极(12)与靶材间距为90mm，抽至预定真空后向腔室中通入氩气、保持腔压为4pa，将下电极(12)连接触点(b)，将上电极(9)连接双极性脉冲电源(1)并调节占空比为60％，反向输出电压大小为500V，调整第二直流电源(3)使励磁调制线圈(8)直流大小为17A，达到磁控溅射过程理想的辉光状态。
实施例4
通过调整装置结构、电路连接及实验参数来实现不同类型的放电状态，按照以下步骤实施：
(1)辉光放电：移开中间电极(10)，调节上电极(9)与下间电极距离为30mm，抽至预定真空后向腔室中通入氩气、保持腔压为3kpa。将下电极(12)连接触点(a)，将上电极(9)连接双极性脉冲电源(1)并调节占空比为30％，正向输出电压大小为900V，达到辉光放电状态。
(2)电弧放电：移开中间电极(10)，调节上电极(9)与下间电极距离为25mm，抽至预定真空后向腔室中通入氩气、保持腔压为5kpa。将上电极(9)连接第一直流电源(2)并调节输出电流为90A，达到电弧放电状态。
(3)空心阴极放电：移开中间电极(10)，上电极(9)与下电极(12)间距15mm，抽至预定真空后向腔室中通入氩气、保持腔压为2kpa。将下电极(12)连接触点(a)，中间电极(10)连接触点(b)，将上电极(9)连接双极性脉冲电源(1)并调节占空比为100％，反向输出电压大小为400V，第三直流电源(16)输出电压大小为400V，达到空心阴极放电状态。
(4)磁控溅射：将靶材固定于上电极(9)，移开中间电极(10)并调整下电极(12)与靶材间距为100mm，抽至预定真空后向腔室中通入氩气、保持腔压为5pa，将下电极(12)连接触点(b)，将上电极(9)连接双极性脉冲电源(1)并调节占空比为80％，反向输出电压大小为400V，调整第二直流电源(3)使励磁调制线圈(8)直流大小为20A，达到磁控溅射过程理想的辉光状态。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明保护范围之内。

Claims (3)

1.一种多模式转换等离子体放电实验演示装置，其特征在于，包括腔室、双极性脉冲电源、第一直流电源、第二直流电源、第三直流电源、励磁调制线圈、进气口、排气口及冷却水口，所述腔室内轴线方向设置有上电极、中间电极、下电极、挡板；所述的挡板可上下移动、水平旋转，所述的上电极、下电极、中间电极均可上下移动；所述的上电极内部嵌入所述的励磁调制线圈，所述的双极性脉冲电源和所述的第一直流电源为所述的上电极供电，所述的第二直流电源为所述的励磁调制线圈供电，第三直流电源为所述的下电极或中间电极供电；
所述的上电极可选择性地与双极性脉冲电源和第一直流电源连接；所述的下电极接地或与第三直流电源连接；所述的中间电极接地或与第三直流电源连接；上电极、中间电极、下电极均与腔室绝缘，挡板接地；
其中，辉光放电过程为：
(1)辉光在上电极与中间电极之间：调节电极位置并控制腔压，下电极连接触点a或触点b，中间电极连接触点c，上电极连接双极性脉冲电源并调节占空比为10-90％、正反向输出电压为300-900V；若下电极连接触点b，第三直流电源输出电压为100-300V；
(2)辉光在上电极与下电极之间：调节电极位置并控制腔压，下电极连接触点a或触点b，中间电极连接触点c，上电极连接双极性脉冲电源并调节占空比为10-90％、正反向输出电压为300-900V；若下电极连接触点b，第三直流电源输出电压为100-300V；
其中，电弧放电过程为：
电极间距及电路设置与辉光放电过程相同，并控制腔压，上电极连接第一直流电源并调节输出电流为90-120A；
其中，空心阴极放电过程为：
(1)辉光在上电极与中间电极之间：调节电极位置并控制腔压，下电极连接触点a，中间电极连接触点b，上电极连接双极性脉冲电源并调节占空比为100％、输出电压为400-800V，第三直流电源输出电压为400-800V；
(2)辉光在上电极与下电极之间：移开中间电极，调节电极位置并控制腔压，下电极连接触点a，中间电极连接触点b，上电极连接双极性脉冲电源并调节占空比为100％、输出电压为400-800V，第三直流电源输出电压为400-800V；
其中，磁控溅射过程为：
靶材固定于上电极，移开中间电极，下电极连接触点b，调节电极位置并控制腔压，将上电极连接双极性脉冲电源并调节占空比为50-80％、输出电压为400-800V、第二直流电源输出电流为10-20A。
2.如权利要求1所述的多模式转换等离子体放电实验演示装置，其特征在于所述上电极、中间电极和下电极的纵向位置可自由调节。
3.如权利要求1所述的多模式转换等离子体放电实验演示装置，其特征在于，所述腔室的侧壁由透明石英玻璃构成，所述腔室的顶板和底板均为不锈钢，外围均匀布置四根不锈钢支架。
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