CN116936329B - 一种常压微波等离子体双波导耦合装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种常压微波等离子体双波导耦合装置，包括上下两路平行的波导耦合模块和冷却水循环系统，每一路波导耦合模块包括电源、磁控管、环形器、波导、微波谐振腔、放电石英管和反射板。本发明主要针对单路波导传输功率有限，等离子体电离能力较弱，无法形成高能量和高密度等离子体的问题，采用两路微波谐振腔进行耦合，输出功率可以达到原来的两倍，同时上谐振腔采用与压缩波导连接的形式，大大提高了上部分电磁场的能量密度，使得等离子体电离能力明显增强，显著提高了等离子体活性粒子含量，所述装置可在常压条件下一步法直接制备光纤预制棒。
Description
技术领域
本发明涉及光纤预制棒制备装置领域，更具体地，涉及一种常压微波等离子体双波导耦合装置。
背景技术
光纤作为光信号传输的媒介，其特性和质量是靠光纤预制棒的结构设计和制造技术来实现的。常规光纤由二氧化硅（SiO2）裸纤层和涂覆层组成，裸纤层作为光波导是光纤预制棒经过拉丝塔拉丝得到，裸纤层的折射率分布依赖于光纤预制棒的剖面折射率分布，可以认为光纤制造技术的关键实际上是光纤预制棒的制造技术。目前，光纤预制棒的制备技术主要采用化学气相沉积法，其中工艺最为成熟并被广泛运用的有四种：外部气相沉积法（OVD）、轴向气相沉积法（VAD）、改进的化学气相沉积（MCVD）和等离子体激活化学气相沉积法（PCVD）。其中PCVD法制备光纤预制棒具有原料利用率高、每层的沉积厚度很薄、工艺稳定性好等优点，在制备具有复杂折射率分布的光纤中优势巨大，这使其逐渐成为了光纤预制棒的主要制备工艺。在PCVD工艺中，等离子体是被微波激励产生的，所以PCVD法又可称作微波等离子体化学气相沉积法。PCVD微波等离子体化学气相沉积法是光纤预制棒加工的主要工艺之一，等离子体微波谐振腔是PCVD沉积加工机床的核心部分，其结构直接影响到反应腔内等离子体的特性和分布状态，进而影响到沉积速率和沉积层的质量，而沉积层的质量最终决定了光纤的质量，所以对PCVD制备装置中的谐振腔进行优化改进是有意义的。
现有的等离子体微波谐振腔主要由谐振腔壳体和与其相连的波导装置组成，这种单一谐振腔体的结构所存在的主要问题是馈入和输出功率受限，同时等离子体内活性粒子含量不高，从而使得PCVD沉积速率和加工效率难以大幅提高。而简单的多路微波叠加组合，易引起电磁场干扰紊乱，破坏等离子分布稳定性，严重时可能会导致放电管、微波谐振腔和磁控管烧毁。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种常压微波等离子体双波导耦合装置，包括上下两路平行的波导耦合模块和冷却水循环系统，每一路波导耦合模块包括电源、磁控管、环形器、波导、微波谐振腔、放电石英管和反射板；
所述电源、磁控管和环形器依次连接，所述波导包括第一侧波导和第二侧波导，所述环形器与第一侧波导连接，所述微波谐振腔的两侧设置有耦合孔，所述微波谐振腔通过两侧的耦合孔分别与第一侧波导和第二侧波导连接，所述第二侧波导连接反射板，两路微波谐振腔的中心均设置有开孔，两路微波谐振腔通过开孔连通，形成微波耦合装置，所述放电石英管通过开孔插入两路微波谐振腔内部，冷却水循环系统采用夹心的方式包夹两路微波谐振腔；
下路波导耦合模块中的电源为磁控管供电，磁控管产生电磁波，电磁波依次经过环形器和第一侧波导进入微波谐振腔，之后经过第二侧波导到达反射板，经过反射板的反射，再次进入微波谐振腔，两路电磁波在微波谐振腔中进行叠加，通过微波谐振腔下方的进气口通入气体，气体在放电管中被经过叠加后的电磁波的电离，产生等离子体，剩余未利用的电磁波通过第一侧波导返回环形器，被冷却水循环系统吸收；
微波谐振腔中未电离的剩余气体再次经过上路波导耦合模块进行电离，电离完成后的等离子体通过放电石英管吹出。
本发明提供的一种常压微波等离子体双波导耦合装置，主要针对单路波导传输功率有限，等离子体电离能力较弱，无法形成高能量和高密度等离子体的问题，采用两路微波谐振腔进行耦合，输出功率可以达到原来的两倍，同时上谐振腔采用与压缩波导连接的形式，大大提高了上部分电磁场的能量密度，使得等离子体电离能力明显增强，显著提高了等离子体活性粒子含量，所述装置可在常压条件下一步法直接制备光纤预制棒。
附图说明
图1为本发明提供的一种常压微波等离子体双波导耦合装置的结构示意图；
图2为耦合谐振腔的内部结构示意图；
图3为冷却水循环系统的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外，本发明提供的各个实施例或单个实施例中的技术特征可以相互任意结合，以形成可行的技术方案，这种结合不受步骤先后次序和/或结构组成模式的约束，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时，应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提供了一种常压微波等离子体双波导耦合装置，包括上下两路平行的波导耦合模块和冷却水循环系统，每一路波导耦合模块包括电源、磁控管、环形器、波导、微波谐振腔、放电管和反射板。所述电源、磁控管和环形器依次连接，所述波导包括第一侧波导和第二侧波导，所述环形器与第一侧波导连接，所述微波谐振腔的两侧设置有耦合孔，所述微波谐振腔通过两侧的耦合孔分别与第一侧波导和第二侧波导连接，所述第二侧波导连接反射板，两路微波谐振腔的中心均设置有开孔，两路微波谐振腔通过开孔连通，形成微波耦合装置，所述放电石英管通过开孔插入两路微波谐振腔内部，冷却水循环系统采用夹心的方式包夹两路微波谐振腔。
其中，下路波导耦合模块中的电源为磁控管供电，磁控管产生电磁波，电磁波依次经过环形器和第一侧波导进入微波谐振腔，之后经过第二侧波导到达反射板，经过反射板的反射，再次进入电磁波，两路电磁波在微波谐振腔中进行叠加，通过微波谐振腔下方的进气口通入气体，气体在放电管中被经过叠加后的电磁波的电离，产生等离子体，剩余未利用的电磁波通过第一侧波导返回环形器，被冷却水循环系统吸收；微波谐振腔中未电离的剩余气体再次经过上路波导耦合模块进行电离，电离完成后的等离子体通过放电管吹出。
可理解的是，如图1所示，常压微波等离子体双波导耦合装置包括平行的上下两路波导耦合模块，其中，上路的波导耦合模块包括电源1a、磁控管2a、环形器3a、冷却水通道4a、三销钉5a、第一侧波导6a、第二侧波导6b、上路微波谐振腔、反射板11a、放电石英管10、进气口9，下路的波导耦合模块包括电源1b、磁控管2b、、环形器3b、冷却水通道4b、三销钉5b、第一侧波导7a、下路微波谐振腔，第二侧波导7b、反射板11b，冷却水通道4a和冷却水通道4b构成冷却水循环系统，上路微波谐振腔和下路微波谐振腔连通构成微波耦合装置8。
其中，上路波导耦合模块中的电源1a、磁控管2a、环形器3a、三销钉5a和第一侧波导6a依次连接，微波耦合装置8中包括上下两路微波谐振腔，参见图2，上路微波谐振腔12和下路微波谐振腔13，每一路谐振腔的两侧均开设有耦合孔，上路微波谐振腔12通过两侧的耦合孔与第一侧波导6a和第二侧波导6b连接，第二侧波导6b与反射板11a连接，同样的，下路波导耦合模块中的电源1b、磁控管2b、环形器3b、三销钉5b和第一侧波导7a依次连接，下路微波谐振腔13通过两侧的耦合孔与第一侧波导7a和第二侧波导7b连接，第二侧波导7b与反射板11b连接。其中，上路谐振腔12和下路微波谐振腔13的中心开孔，上路谐振腔12和下路微波谐振腔13通过开孔连通，放电石英管10插入开孔中，进而放入两路微波谐振腔中。
其工作原理为：下路波导耦合模块中的电源1b为磁控管2b供电，磁控管2b产生电磁波，电磁波依次经过环形器3b和第一侧波导7a进入微波谐振腔13，之后经过第二侧波导7b到达反射板11b，经过反射板11b的反射，再次进入微波谐振腔13，两路电磁波在微波谐振腔13中进行叠加，通过耦合谐振腔下方的进气口9通入气体，气体在放电石英管10中被经过叠加后的电磁波的电离，产生等离子体，剩余未利用电磁波通过第一侧波导7a返回环形器3b，被冷却水循环系统4b吸收。
微波谐振腔13中未电离的剩余气体再次经过上路波导耦合模块进行电离，上路波导耦合模块中的电源1a为磁控管2a供电，磁控管2a产生电磁波，电磁波依次经过环形器3a和第一侧波导6a进入微波谐振腔12，之后经过第二侧波导6b到达反射板11a，经过反射板11a的反射，再次进入微波谐振腔12，两路电磁波在微波谐振腔12中进行叠加，剩余未电离的气体在放电石英管10中被经过叠加后的电磁波再次电离，产生等离子体，剩余电磁波通过第一侧波导6a返回环形器3a，被冷却水循环系统4a吸收。电离完成后的等离子体通过放电石英管10吹出。
其中，每一路波导耦合模块中的环形器和波导之间设置有三销钉，当电磁波经过三销钉的过程中，能够改变电磁波的波形。具体的，在环形器3a和第一侧波导6a之间设置有三销钉5a，当磁控管2a产生的电磁波经过三销钉5a时，三销钉5a能够改变电磁波的波形。同样的，在环形器3b和第一侧波导7a之间设置有三销钉5b，当磁控管2b产生的电磁波经过三销钉5b时，三销钉5b能够改变电磁波的波形。
其中，参见图3，冷却水循环系统包括三层水冷通道14，每一层水冷通道14与上下两路微波谐振腔平行，三层水冷通道14与两路微波谐振腔呈夹心状分布，且每一层水冷通道14呈回路状分布在两路微波谐振腔两边，水冷通道14的孔径为9mm~17mm。
其中，上下两路微波谐振腔12和微波谐振腔13的间距为30mm~100mm。
其中，下路矩形微波谐振腔12的长边长度为60 mm～110 mm，宽边长度为30 mm～55 mm，上路矩形微波谐振腔13的长边长度为60 mm～110 mm，宽边长度为7 mm～40 mm。上路微波谐振腔12和下路微波谐振腔13构成的微波耦合装置8的形状可以为矩形，也可以为圆柱形。当微波耦合装置8的形状为矩形时，微波耦合装置8的长度为60 mm～100 mm，宽度为60 mm～120 mm，高度为110 mm～210 mm。
当微波耦合装置8的形状为圆柱形时，圆柱形微波耦合装置8的半径为30mm~50mm，高度为110mm~210mm。
其中，上路波导耦合模块中的波导（第一侧波导6a和第二侧波导6b）为压缩波导，下路波导耦合模块中的波导（第一侧波导7a和第二侧波导7b）为直波导，压缩波导呈梯形状缓慢变径，变径之后的宽度为60 mm～110 mm，高度为7 mm～40 mm，直波导的宽度为60 mm～110 mm，高度为30 mm～55 mm。
微波耦合装置8的进气口9设有2-10个切向进气嘴，通过多个切向进气嘴分别通入不同工作气体进行电离产生等离子体炬。
下面以对比例进行说明。
实施例一
将放电石英管插入常压微波等离子体双波导耦合装置，打开冷水机运行开关，打开微波电源及控制软件，预热磁控管，打开MFC流量控制器，将Ar气从第一进气口通入，流量控制在1～50 SLM，磁控管预热完毕后，打开直波导微波源输出功率500～2500 W，Ar等离子体激发完成以后，第二进气口通入氧气，氧气流量控制在5～100 SLM，提两路波导输出功率至3000 W，实现电磁波能量耦合同时激发产生等离子体炬。
对比例一
将放电石英管插入常压微波等离子体单波导耦合装置，打开冷水机运行开关，打开微波电源及控制软件，预热磁控管，打开MFC流量控制器，将Ar气第一进气口通入，流量控制在1～50 SLM，打开直波导微波源输出功率500～2500 W，Ar等离子体激发完成以后，从第二进气口通入氧气，氧气流量控制在5～100 SLM，提高直波导输出功率至3000 W，实现单波导激发产生等离子体炬。
根据实施例一和对比例一获取的氧气大气压等离子体放电图，可以观察到二合一常压微波等离子体耦合腔激发的等离子体炬明显强于单路微波等离子谐振腔产生的等离子体炬，证明二合一常压微波等离子体耦合腔大大增强了等离子的能量。
本发明提供了一种常压微波等离子体双波导耦合装置，具有以下有益效果：
1、该微波谐振腔的腔体由三层循环冷却水环绕，且放电石英管中心位置周围被冷却水通道包裹，兼顾了在常压等离子体的高温条件，有利于减少谐振腔内空腔和放电石英管在高温下的融化和变形。
2、通过上路微波谐振腔和下路微波谐振腔相互耦合在谐振腔内部形成稳定的谐振模式，提高了微波能量的利用率，可以获得高能量和高电离度的等离子体。
3、通过两路波导耦合的方式，使得工作功率提到至单波导的两倍，显著提高了耦合腔内的输出功率。
4、采用直波导和压缩波导耦合的方式，压缩波导大大提高了电磁波的能量密度，使得等离子体电离能力明显增强。
需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种常压微波等离子体双波导耦合装置，其特征在于，包括上下两路平行的波导耦合模块和冷却水循环系统，每一路波导耦合模块包括电源、磁控管、环形器、第一侧波导、第二侧波导、微波谐振腔、放电石英管和反射板；
每一路波导耦合模块中的所述电源、磁控管和环形器依次连接，所述环形器与第一侧波导连接，所述微波谐振腔的两侧设置有耦合孔，所述微波谐振腔通过两侧的耦合孔分别与第一侧波导和第二侧波导连接，所述第二侧波导连接反射板，两路微波谐振腔的中心均设置有开孔，两路微波谐振腔通过开孔连通，形成微波耦合装置，所述放电石英管通过开孔插入两路微波谐振腔内部，冷却水循环系统采用夹心的方式包夹两路微波谐振腔；
下路波导耦合模块中的电源为磁控管供电，磁控管产生电磁波，电磁波依次经过环形器和第一侧波导进入微波谐振腔，之后经过第二侧波导到达反射板，经过反射板的反射，再次进入微波谐振腔，两路电磁波在微波谐振腔中进行叠加，通过微波谐振腔下方的进气口通入气体，气体在放电管中被经过叠加后的电磁波的电离，产生等离子体，剩余未利用的电磁波通过第一侧波导返回环形器，被冷却水循环系统吸收；
微波谐振腔中未电离的剩余气体再次经过上路波导耦合模块进行电离，电离完成后的等离子体通过放电石英管吹出。
2.根据权利要求1所述的常压微波等离子体双波导耦合装置，其特征在于，每一路波导耦合模块中的环形器和波导之间设置有三销钉，所述三销钉和所述反射板协同调节电磁波在微波谐振腔中的叠加形式。
3.根据权利要求1所述的常压微波等离子体双波导耦合装置，其特征在于，所述冷却水循环系统包括三层水冷通道，每一层水冷通道与所述微波谐振腔平行，三层水冷通道与两路微波谐振腔呈夹心状分布，且每一层水冷通道呈回路状分布在两路微波谐振腔两边，所述水冷通道的孔径为9mm~17mm。
4.根据权利要求1所述的常压微波等离子体双波导耦合装置，其特征在于，上下两路微波谐振腔的间距为30mm~100mm。
5.根据权利要求1所述的常压微波等离子体双波导耦合装置，其特征在于，上下两路微波谐振腔都为矩形，其中，下路矩形微波谐振腔的长边长度为60 mm～110 mm，宽边长度为30 mm～55 mm，上路矩形微波谐振腔的长边长度为60 mm～110 mm，宽边长度为7 mm～40mm。
6.根据权利要求5所述的常压微波等离子体双波导耦合装置，其特征在于，所述微波耦合装置为方形，所述微波耦合装置的长度为60 mm～100 mm，宽度为60 mm～120 mm，高度为110 mm～210 mm。
7.根据权利要求1所述的常压微波等离子体双波导耦合装置，其特征在于，所述微波耦合装置为圆柱形，圆柱形微波耦合装置的半径为30mm~50mm，高度为110mm~210mm。
8.根据权利要求1所述的常压微波等离子体双波导耦合装置，其特征在于，所述微波耦合装置的中心开孔的直径为10mm~60mm。
9.根据权利要求1所述的常压微波等离子体双波导耦合装置，其特征在于，上路波导耦合模块中的波导为压缩波导，下路波导耦合模块中的波导为直波导，压缩波导呈梯形状缓慢变径，变径之后的宽度为60 mm～110 mm，高度为7 mm～40 mm，直波导的宽度为60 mm～110 mm，高度为30 mm～55 mm。
10.根据权利要求1所述的常压微波等离子体双波导耦合装置，其特征在于，所述微波谐振腔的进气口设有多个切向进气嘴，通过多个切向进气嘴分别通入不同工作气体进行电离产生等离子体炬。
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