CN114588739B - 柱状射频感性耦合放电等离子体加强型吸气剂装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种柱状射频感性耦合放电等离子体加强型吸气剂装置，包括依次连接的供气系统、扩压器和真空腔体，其中真空腔体中设有壁面带孔空心圆筒，且壁面带孔空心圆筒上端密封、下端开口且外壁与真空腔体底端密封连接，壁面带孔空心圆筒中设有电加热元件，且电加热元件下端由壁面带孔空心圆筒下端开口伸出至真空腔体外与外电源连接，真空腔体外侧设有射频耦合螺旋线圈，真空腔体上端两侧分别设有抽真空系统和气压采集系统，真空腔体下部一侧设有射频供电系统，且射频耦合螺旋线圈通过射频供电系统供电。本发明通过加热及射频电磁场耦合方式有效弥补单纯加热中大体积吸气剂激活时间长的缺点，且射频放电产生的等离子体能改善加强吸气剂吸气速率。
Description
技术领域
本发明涉及真空吸附技术领域，具体地说是一种柱状射频感性耦合放电等离子体加强型吸气剂装置。
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要在真空环境下进行，比如镀膜、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通过加热方式激活吸气剂时，其电热转化效率相对较低，通常需要经过一段时间后，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采用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
本发明的目的在于提供一种柱状射频感性耦合放电等离子体加强型吸气剂装置，通过加热以及射频电磁场耦合的方式能够有效弥补单纯加热方法中大体积吸气剂激活时间长的缺点，且射频放电产生的等离子体能够使活性粒子数相应增加，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。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种柱状射频感性耦合放电等离子体加强型吸气剂装置，包括依次连接的供气系统、扩压器和真空腔体，其中真空腔体中设有壁面带孔空心圆筒，且所述壁面带孔空心圆筒上端密封、下端开口且外壁与真空腔体底端密封连接，所述壁面带孔空心圆筒中设有电加热元件，且所述电加热元件下端由壁面带孔空心圆筒下端开口伸出至真空腔体外与外电源连接，真空腔体外侧设有射频耦合螺旋线圈，在真空腔体上端一侧设有抽真空系统，另一侧设有气压采集系统，在真空腔体下部一侧设有射频供电系统，且所述射频耦合螺旋线圈通过所述射频供电系统供电。
所述真空腔体底端设有叠置在一起的底端密封法兰上盖和底端密封法兰下盖，且所述壁面带孔空心圆筒下端穿过所述底端密封法兰上盖后与所述底端密封法兰下盖固连，所述底端密封法兰下盖与地线连接，且所述底端密封法兰下盖上设有供电加热元件插入对应壁面带孔空心圆筒的直通接口。
所述壁面带孔空心圆筒上端设有可拆卸的螺纹封盖。
所述真空腔体顶端设有顶端密封法兰，所述扩压器下端设有扩压器下法兰与所述顶端密封法兰连接。
所述扩压器为上端细、下端粗的空心金属圆筒。
所述供气系统包括供气气源、质量流量计和扩压器连接器，所述供气气源与扩压器连接器通过送气管路连接，且所述送气管路上设有所述质量流量计，所述扩压器连接器下端设有连接器法兰，所述扩压器上端设有扩压器上法兰，且所述连接器法兰与所述扩压器上法兰固连。
所述扩压器连接器为上端细、下端粗的空心金属圆筒。
所述抽真空系统包括真空泵和控制阀，所述真空泵通过连接管路与所述真空腔体上对应的接口相连，且所述连接管路上设有所述控制阀；所述气压采集系统包括依次串联的真空计、真空计显示器、数字信息采集卡和电脑。
所述射频供电系统包括依次串联的射频电源和匹配器，且所述射频耦合螺旋线圈通过两个同轴传输线与所述匹配器相连，并且其中一条同轴传输线接地。
抽真空系统先抽取真空腔体内的气体，然后壁面带孔空心圆筒内的吸气剂通过电加热元件加热激活，然后射频供电系统启动使输出功率通过射频耦合螺旋线圈作用于真空腔体内，并使真空腔体内产生等离子体。
本发明的优点与积极效果为：
1、本发明使射频供电系统输出功率通过射频耦合螺旋线圈作用于真空腔体内，射频耦合螺旋线圈产生射频电场并形成感性耦合放电，使真空腔体内产生等离子体，从而通过加热以及射频电磁场耦合的方式有效弥补单纯加热方法中大体积吸气剂激活时间长的缺点。
2、本发明通过射频放电产生的等离子体能够使活性粒子数相应增加，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。
3、本发明能够充分满足一些大型装置需要大体积吸气剂的应用需求。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中，1-真空腔体；2-底端密封法兰上盖；3-底端密封法兰下盖；4-顶端密封法兰；5-电加热元件；6-扩压器下法兰；7-扩压器；8-扩压器上法兰；9-连接器法兰；10-扩压器连接器；11-质量流量计；12-供气气源；13-控制阀；14-真空泵；15-真空计；16-真空计显示器；17-数字信息采集卡；18-电脑；19-壁面带孔空心圆筒；20-螺纹封盖；21-射频电源；22-匹配器；23-同轴传输线；24-射频耦合螺旋线圈；25-地线；26-射频供电系统；27-气压采集系统；28-抽真空系统；29-供气系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述。
如图1所示，本发明包括依次连接的供气系统29、扩压器7和真空腔体1，其中真空腔体1中设有壁面带孔空心圆筒19，且所述壁面带孔空心圆筒19上端密封、下端开口且外壁与真空腔体1底端密封连接，所述壁面带孔空心圆筒19中设有电加热元件5，且所述电加热元件5下端由壁面带孔空心圆筒19下端开口伸出至真空腔体1外与外电源连接，真空腔体1外侧设有射频耦合螺旋线圈24，在真空腔体1顶端一侧设有抽真空系统28，另一侧设有气压采集系统27，在真空腔体1下部一侧设有射频供电系统26，且所述射频耦合螺旋线圈24与所述射频供电系统26相连。
如图1所示，所述真空腔体1底端设有叠置在一起并通过螺栓固连的底端密封法兰上盖2和底端密封法兰下盖3，且所述底端密封法兰上盖2和底端密封法兰下盖3之间设有密封元件，并且所述底端密封法兰下盖3与地线25连接，所述壁面带孔空心圆筒19为金属材料制成的中空圆筒，其下端穿过底端密封法兰上盖2后与所述底端密封法兰下盖3焊接为一体，在所述底端密封法兰下盖3上设有直通接口，且所述壁面带孔空心圆筒19后端开口中心与所述底端密封法兰下盖3上对应的直通接口中心线重合，可将电加热元件5通过适配接头由所述直通接口插入真空腔体1中并密封，所述壁面带孔空心圆筒19前端设有可拆卸的螺纹封盖20实现密封，通过旋拧所述螺纹封盖20将其打开可进行吸气剂材料的添加、盛放与置换，所述壁面带孔空心圆筒19外径及长度均小于真空腔体1，工作时需将其整体放置于真空腔体1内部。
本实施例中，所述真空腔体1形状为空心圆筒，采用可密封且耐高温的绝缘材料制成，如石英或陶瓷等，所述电加热元件5为电加热棒，所述密封元件可以为无氧铜密封圈、石墨密封圈、O圈、密封胶等，所述适配接头可以为法兰、KF接头、不锈钢直通接头、四氟直通接头等。
如图1所示，所述真空腔体1顶端设有顶端密封法兰4，所述扩压器7下端设有扩压器下法兰6与所述顶端密封法兰4通过螺栓固连，从而使扩压器7和真空腔体1连为一体，所述扩压器7为上端细、下端粗的空心金属圆筒。
如图1所示，所述供气系统29包括供气气源12、质量流量计11和扩压器连接器10，所述供气气源12与扩压器连接器10通过送气管路连接，且所述送气管路上设有所述质量流量计11，所述扩压器连接器10下端设有连接器法兰9，所述扩压器7上端设有扩压器上法兰8，且所述连接器法兰9和所述扩压器上法兰8通过螺栓固连，所述扩压器连接器10同样为上端细、下端粗的空心金属圆筒。所述送气管路可以为不锈钢、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，质量流量计11可以恒定气流速度控制真空腔内的稳态气压。供气气源12、送气管路、扩压器连接器10以及扩压器7依次串联，扩压器7与真空腔体1密封连接，由此可以通过改变供气气源12调节真空腔体1中气体的种类及压强，同时可由质量流量计11、扩压器7等控制通入气体的流速。所述质量流量计11为本领域公知技术且为市购产品。
如图1所示，所述抽真空系统28包括真空泵14和控制阀13，所述真空泵14通过连接管路与所述真空腔体1上对应的接口相连，且所述连接管路上设有所述控制阀13。真空泵14开启用于抽取真空腔体1内的气体获得真空，其初始真空度及抽气速率通过控制阀13可控。本实施例中，所述控制阀13为针阀，此为本领域公知技术且为市购产品。
如图1所示，所述气压采集系统27包括依次串联的真空计15、真空计显示器16、数字信息采集卡17和电脑18。真空计15通过管路与真空腔体1上对应的接口连接，其用于监测真空腔体1内的压强及其变化，其示数可从真空计显示器16上读取，同时真空计显示器16上显示压强变化可通过数字信息采集卡17经由电脑18上的软件采集，可有效并迅速地测量真空腔体1内部的压强变化情况。所述真空计15、真空计显示器16、数字信息采集卡17和电脑18均为本领域公知技术。
如图1所示，所述射频供电系统26包括射频电源21、匹配器22和同轴传输线23，其中射频电源21经匹配器22转换后可输出50～10000瓦特的射频信号，并作用于射频耦合螺旋线圈24上工作。射频耦合螺旋线圈24为螺旋式金属线圈并嵌于真空腔体1外侧，其两端分别通过不同的同轴传输线23与所述匹配器22高压输出端连接，并且其中一条同轴传输线23同时与底端密封法兰下盖3上的地线25连接，从而在射频电源21功率输出时可以使真空腔体1内部产生等离子体。所述射频电源21、匹配器22、同轴传输线23均为本领域公知技术且为市购产品。
本发明的工作原理为：
本发明工作时先通过抽真空系统28抽取真空腔体1内的气体获得吸气剂工作时较低的气压环境，并且通过供气系统29及扩压器7可在一定范围内适当调节工作气压、气体种类及流速，然后电加热元件5通电加热对壁面带孔空心圆筒19内的吸气剂进行加热激活，并且射频供电系统26启动使输出功率通过射频耦合螺旋线圈24作用于真空腔体1内，射频耦合螺旋线圈24产生射频电场并形成感性耦合放电，使真空腔体1内产生等离子体。本发明借助于电加热及射频供电系统的耦合能量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。
Claims (8)
1.一种柱状射频感性耦合放电等离子体加强型吸气剂装置，其特征在于：包括依次连接的供气系统（29）、扩压器（7）和真空腔体（1），其中真空腔体（1）中设有壁面带孔空心圆筒（19），且所述壁面带孔空心圆筒（19）上端密封、下端开口且外壁与真空腔体（1）底端密封连接，所述壁面带孔空心圆筒（19）中设有电加热元件（5），且所述电加热元件（5）下端由壁面带孔空心圆筒（19）下端开口伸出至真空腔体（1）外与外电源连接，真空腔体（1）外侧设有射频耦合螺旋线圈（24），在真空腔体（1）上端一侧设有抽真空系统（28），另一侧设有气压采集系统（27），在真空腔体（1）下部一侧设有射频供电系统（26），且所述射频耦合螺旋线圈（24）通过所述射频供电系统（26）供电；
所述真空腔体（1）底端设有叠置在一起的底端密封法兰上盖（2）和底端密封法兰下盖（3），且所述壁面带孔空心圆筒（19）下端穿过所述底端密封法兰上盖（2）后与所述底端密封法兰下盖（3）固连，所述底端密封法兰下盖（3）与地线（25）连接，且所述底端密封法兰下盖（3）上设有供电加热元件（5）插入对应壁面带孔空心圆筒（19）的直通接口；
抽真空系统（28）先抽取真空腔体（1）内的气体，然后壁面带孔空心圆筒（19）内的吸气剂通过电加热元件（5）加热激活，然后射频供电系统（26）输出功率并通过射频耦合螺旋线圈（24）作用于真空腔体（1）内，射频耦合螺旋线圈（24）产生射频电场并形成感性耦合放电，使真空腔体（1）内产生等离子体。
2.根据权利要求1所述的柱状射频感性耦合放电等离子体加强型吸气剂装置，其特征在于：所述壁面带孔空心圆筒（19）上端设有可拆卸的螺纹封盖（20）。
3.根据权利要求1所述的柱状射频感性耦合放电等离子体加强型吸气剂装置，其特征在于：所述真空腔体（1）顶端设有顶端密封法兰（4），所述扩压器（7）下端设有扩压器下法兰（6）与所述顶端密封法兰（4）连接。
4.根据权利要求3所述的柱状射频感性耦合放电等离子体加强型吸气剂装置，其特征在于：所述扩压器（7）为上端细、下端粗的空心金属圆筒。
5.根据权利要求1所述的柱状射频感性耦合放电等离子体加强型吸气剂装置，其特征在于：所述供气系统（29）包括供气气源（12）、质量流量计（11）和扩压器连接器（10），所述供气气源（12）与扩压器连接器（10）通过送气管路连接，且所述送气管路上设有所述质量流量计（11），所述扩压器连接器（10）下端设有连接器法兰（9），所述扩压器（7）上端设有扩压器上法兰（8），且所述连接器法兰（9）与所述扩压器上法兰（8）固连。
6.根据权利要求5所述的柱状射频感性耦合放电等离子体加强型吸气剂装置，其特征在于：所述扩压器连接器（10）为上端细、下端粗的空心金属圆筒。
7.根据权利要求1所述的柱状射频感性耦合放电等离子体加强型吸气剂装置，其特征在于：所述抽真空系统（28）包括真空泵（14）和控制阀（13），所述真空泵（14）通过连接管路与所述真空腔体（1）上对应的接口相连，且所述连接管路上设有所述控制阀（13）；所述气压采集系统（27）包括依次串联的真空计（15）、真空计显示器（16）、数字信息采集卡（17）和电脑（18）。
8.根据权利要求1所述的柱状射频感性耦合放电等离子体加强型吸气剂装置，其特征在于：所述射频供电系统（26）包括依次串联的射频电源（21）和匹配器（22），且所述射频耦合螺旋线圈（24）通过两个同轴传输线（23）与所述匹配器（22）相连，并且其中一条同轴传输线（23）接地。
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