CN115263702A - 一种螺旋波等离子体波-粒能量的调控装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种螺旋波等离子体波‑粒能量的调控装置，其中：放电管和真空管连通，构成装置的主体结构；在主体结构上，放电管内置同轴的石英柱，体积足以覆盖H‑型螺旋波的传播和存在范围，同时放电管和石英柱的环形间隙的宽度在TG‑型螺旋波的传播范围内，限定等离子体的能量耦合仅由TG‑型螺旋波实现，形成了螺旋波模式下，波‑粒能量可调控的装置。工作气体通过放电管上端的阀门输入，缠绕紧贴在放电管侧壁上的激发天线电离工作气体，产生等离子体，存在于石英柱与放电管的环形间隙中，磁场线圈提供磁场，调制等离子体。此时可以改变磁场线圈参数，研究不同条件下等离子体加热机制。

Description

一种螺旋波等离子体波-粒能量的调控装置

技术领域

本发明涉及等离子体产生及应用技术领域，具体涉及一种螺旋波等离子体波-粒能量的调控装置。

背景技术

螺旋波是一种在磁化等离子体中传播的、频率介于离子和电子回旋频率之间(即ωci<ω<ωce)的电磁波。螺旋波放电是利用环绕于绝缘介质放电管外壁的射频驱动天线激发电磁波并发射到等离子体中去，电磁波的能量则通过碰撞或无碰撞阻尼被电子吸收。螺旋波放电电离率高，约束磁场要求低，能够产生高密度等离子体，可实现高真空状态下放电。螺旋波等离子体是是目前低气压，低温等离子体源中密度最高的一个，被看作是下一代高密度等离子体源之一，在材料沉积和刻蚀等领域具有广阔的应用前景。近年来，由于螺旋波等离子体源具有无电极、高比冲的特点，在电推进领域也成为热点。

国内外正致力于螺旋波等离子体源和推进器相关技术的研究。关于螺旋波等离子体源的加热机制方面，目前仍然充满争议。早期已经报道了无法用螺旋波本身的经典碰撞阻尼来解释螺旋波的高密度和高效率。随着理论和实验的不断深入，目前倾向于认为准静电Trivelpiece-Gould(TG)模式的吸收机理。然而，强阻尼TG波只能在低磁场下到达等离子体核心，而在高磁场下，它们将能量沉积在等离子体柱的外围。射频功率的一个主要部分通过静电通道传输到等离子体中，因此功率输入在低磁场下是体积，在高磁场下是表面。在此过程中，研究者们对螺旋波(包括H-型和TG-型螺旋波)碰撞阻尼吸收能量进行了大量的理论和实验研究，认为高阻尼的TG-型螺旋波可以吸收相当大的能量。

对于螺旋波等离子体的功率吸收方式，仍需要考虑在不同的条件下判定TG-型螺旋波对加热机制的影响，因此如何调控螺旋波等离子体波-粒能量成为目前亟待解决的一个问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种螺旋波等离子体波-粒能量的调控装置，能够调控螺旋波，研究不同条件下，TG-型螺旋波对等离子体加热机制的影响。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案为：

一种螺旋波等离子体波-粒能量的调控装置，包括激发天线、放电管、石英柱、磁场线圈、放电电路和扩散管。

放电管的下端与扩散管连通，构成调控装置的主体结构，工作气体充满主体结构，放电管上端有阀门，控制工作气体的输入；放电管内同轴嵌套石英柱，石英柱的体积完全覆盖H-型螺旋波的传播空间范围，同时放电管和石英柱的环形间隙的宽度在TG-型螺旋波的传播范围内；激发天线连接放电电路通电，缠绕紧贴放电管外部侧壁，电离工作气体，产生等离子体，位于环形间隙；磁场线圈非接触式环绕在放电管外围，与直流电源连接，在等离子体处产生螺旋波，加热等离子体。

进一步的，放电电路包括射频电源和π型射频匹配器，射频电源连接π型射频匹配器，π型射频匹配器连接激发天线。

进一步的，扩散管侧壁上开有一定数量的阀门和连接柱，阀门连接真空抽气系统，阀门和连接柱连接检测装置；检测装置包括用于检测气压的真空计、用于检测气体温度的热电偶探头、用于检测等离子体光辐射及分布特征的发射光谱仪、用于检测等离子体密度和电子温度的朗缪尔探针。

进一步的，激发天线为包括单圈天线、盘香型天线、名古屋型天线、半螺旋天线、双半周天线、双马鞍天线和环形天线在内的一种。

进一步的，放电管和石英柱采用耐高温材料，扩散管采用不锈钢材质。

有益效果：

1、本发明提出一种螺旋波等离子体波-粒能量的调控装置，其中：放电管的下端和扩散管连通，构成装置的主体结构；在主体结构上，放电管内置同轴的石英柱，体积足以覆盖H-型螺旋波的传播和存在范围，同时放电管和石英柱的环形间隙的宽度在TG-型螺旋波的传播范围内，限定等离子体的能量耦合仅由TG-型螺旋波实现，形成了螺旋波模式下，波-粒能量可调控的装置。工作气体通过放电管上端的阀门输入，充满主体结构；缠绕紧贴在放电管侧壁上的激发天线电离工作气体，产生等离子体，存在于石英柱与放电管的环形间隙中，磁场线圈提供磁场，约束等离子体。此时仅存在TG-型螺旋波，可以改变磁场线圈参数，研究不同条件下TG-型螺旋波的等离子体加热机制，完成本发明目的。

2、本发明的扩散管侧壁开有阀门和接线柱，其中阀门连接真空抽气系统，阀门和接线柱连接检测装置。检测装置包括用于检测气压的真空计、用于检测气体温度的热电偶探头、用于检测等离子体光辐射及分布特征的发射光谱仪、用于检测等离子体密度和电子温度的朗缪尔探针，操作简单方便。

3、本发明的激发天线可采用包括单圈天线、盘香型天线、名古屋型天线、半螺旋天线、双半周天线、双马鞍天线以及环形天线在内的多种类型中的一种，方便调控装置的更换、使用。

附图说明

图1为实例2中使用本发明所得的中心光谱图。

图2为本发明装置结构示意图。

其中，1-激发天线，2-放电管，3-石英柱，4-磁场线圈，5-放电电路，6-扩散管。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图2所示，本发明提出一种螺旋波等离子体波-粒能量的调控装置，包括激发天线1、放电管2、石英柱3、磁场线圈4、放电电路5和扩散管6。其中，激发天线1和放电电路5用于将工作气体电离，产生等离子体，石英柱3用于屏蔽H-型螺旋波，磁场线圈4用于调控等离子体，放电管2和扩散管6是装置的主体结构。

本发明的工作原理和结构如下：

放电管2与扩散管6连通，等离子体充满主体结构。放电管2上端有阀门，控制工作气体的输入。放电管2内同轴嵌套石英柱3，石英柱3的体积完全覆盖H-型螺旋波的传播空间范围，同时放电管和石英柱之间存在环形间隙，环形间隙的宽度在TG-型螺旋波的传播范围内。H-型螺旋波的传播范围与磁场大小和射频电源输入功率有关，保持输入功率为1000W不变时，当磁场较小为50G时，石英柱直径为20mm且环形间隙的宽度为20mm，石英柱几乎可完全覆盖H-型螺旋波；当磁场较大为200G时，石英柱直径为40mm且环形间隙的宽度为10mm，石英柱几乎可完全覆盖H-型螺旋波。

激发天线1的类型为包括单圈天线、盘香型天线、古屋型天线、半螺旋天线、双半周天线、双马鞍天线以及环形天线在内的一种。放电管2和石英柱3采用耐高温材料，扩散管6采用不锈钢。

扩散管2连接真空抽气系统，保持0.01-5.0Pa的低气压工作状态。激发天线1连接放电电路5通电，缠绕紧贴放电管2侧壁。放电电路5包括射频电源(功率0-5000W，频率13.56-80MHz)和π型射频匹配器，射频电源连接π型射频匹配器，π型射频匹配器连接激发天线1。增加射频电源的输入功率，电离工作气体，环形空隙中产生均匀的等离子体。当放电形式为螺旋波模式时，因为石英柱3的体积完全覆盖H-型螺旋波的传播空间范围，同时环形间隙的宽度在TG-型螺旋波的传播范围内，可以推测出波-粒的耦合能量并未由体吸收的H-型螺旋波所提供，而仅由放电管2表面吸收的TG-型螺旋波所实现。

在排除H-型螺旋波的影响后，改变磁场线圈4的参数，可以模拟不同条件下的TG-型螺旋波对等离子体的加热机制。本装置中，磁场线圈4环绕在放电腔2侧壁，与直流电源连接，利用磁场力产生洛伦兹力，对等离子体进行调控。直流电源的电流大小可调范围0-50A，产生磁场强度范围0-1000G。例如，当直流电源电流为2.5A时，可产生磁场强度为50G；当电流为15A时，对应磁场强度为300G。扩散管6侧壁上开有一定数量的阀门以及接线柱，阀门连接真空抽气系统，阀门和接线柱连接检测装置；检测装置包括用于检测气压的真空计、用于检测气体温度的热电偶探针、用于检测等离子体光辐射及分布特征的发射光谱仪仪和用于检测等离子体密度和电子温度的朗缪尔探针。本发明实施例中，热电偶探针和朗缪尔探针通过接线柱连接扩散管6，真空计和发射光谱仪仪通过阀门连接扩散管6。

下面举两个实施例，对本发明做进一步阐述。

实例1：在装置中通入氩气作为工作气体，抽真空使气压为0.3Pa。磁场为500G。接通射频电源，调节射频电源的功率，使其在1000W下放电。使用朗缪尔探针进行电子密度径向分布的测量，得到密度在边缘有较高的峰值，发现靠近中心处密度明显降低。相机记录其放电图像，发现无中心亮核产生。由此可以确定，H-型螺旋波已经被抑制，实现了仅有TG-型螺旋波对等离子体进行加热的目标。

实例2：调节功率分别在1500W和1800W，与实例1操作方法基本一致，在实例1的基础上改变诊断手段，使用光谱仪在放电中心收集放电产生的光谱。得光谱如图1所示。从光谱图明显可以看出，中心除了氩气原子谱线，没有明显的离子谱线，由此证实了H-型螺旋波的抑制。

以上两实施例中，射频电源的频率为13.56MHz。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种螺旋波等离子体波-粒能量的调控装置，其特征在于，包括激发天线(1)、放电管(2)、石英柱(3)、磁场线圈(4)、放电电路(5)和扩散管(6)；

放电管(2)的下端与扩散管(6)连通，构成调控装置的主体结构，工作气体充满所述主体结构，放电管(2)上端有阀门，控制工作气体的输入；放电管(2)内同轴嵌套石英柱(3)，石英柱(3)的体积完全覆盖H-型螺旋波的传播空间范围，同时放电管(2)和石英柱(3)的环形间隙的宽度在TG-型螺旋波的传播范围内；激发天线(1)连接放电电路(5)通电，缠绕紧贴放电管(2)外部侧壁，电离工作气体，产生等离子体，位于所述环形间隙；磁场线圈(4)非接触式环绕在放电管(2)外围，与直流电源连接，在等离子体处产生螺旋波，加热等离子体。

2.如权利要求1所述的调控装置，其特征在于，所述放电电路(5)包括射频电源和π型射频匹配器，射频电源连接π型射频匹配器，π型射频匹配器连接激发天线(1)。

3.如权利要求1所述的调控装置，其特征在于，所述扩散管(6)侧壁上开有一定数量的阀门和连接柱，阀门连接真空抽气系统，阀门和连接柱连接检测装置；所述检测装置包括用于检测气压的真空计、用于检测气体温度的热电偶探头、用于检测等离子体光辐射及分布特征的发射光谱仪、用于检测等离子体密度和电子温度的朗缪尔探针。

4.如权利要求1-2所述的调控装置，其特征在于，所述激发天线(1)为包括单圈天线、盘香型天线、名古屋型天线、半螺旋天线、双半周天线、双马鞍天线和环形天线在内的一种。

5.如权利要求1所述的调控装置，其特征在于，所述放电管(2)和石英柱(3)采用耐高温材料，所述扩散管(6)采用不锈钢材质。

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