CN117545163A - 一种基于不规则表面波导管的大气压表面波等离子体系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于不规则表面波导管的大气压表面波等离子体系统，其主要由微波发生与传输系统、微波功率测量系统、表面波发生器、不规则表面波导管和供气系统组成。微波发生与传输系统由微波功率源、环形器、双向定向耦合器、三销钉调配器依次相连。不规则表面波导管包括锥直形管、分叉形管以及两种形状的组合。本发明可以产生气体温度可控的大气压脉冲调制表面波等离子体，采用锥直形管配置射流形貌，采用分叉形管得到多束等离子体射流。这不仅满足不同加工精度的需求，而且能够大大降低微波能耗，提高能量利用效率。
Description
技术领域
本发明涉及大气压低温等离子体表面处理技术领域，特别涉及一种基于不规则表面波导管的大气压表面波等离子体系统。
背景技术
在光学成像领域中，光学镜片是使用最常用的器件之一。近年来，大口径非球面镜在空间对地观测、惯性约束核聚变、天文望远镜、光刻机等国防军工和高端制造等领域的迫切需求。非球面镜具有有效矫正像差，改善成像质量，提高分辨率和成像锐度，减少镜片的数量等优势。在光学制造流程中，镜片的研磨抛光工艺是最关键的环节。以能流束抛光技术为代表的可控柔体加工技术是高精度光学加工技术未来的主要发展方向，其中最具代表性的是等离子体加工技术。它具有无应力、非接触式的特点，因而加工过程中不易产生表面或亚表面损失。然而，随着光学元件口径的增大，低气压真空条件下的离子束修形技术已很难满足大规模应用需求。大气压等离子体射流加工技术不需要真空极端工作环境，成为近年来发展起来的先进光学制造技术之一。
在大气压等离子体射流加工技术中，高频驱动等离子体射流成为研究热点，包括射频容性耦合和感性耦合等离子体、微波耦合等离子体。相比之下，微波耦合等离子体具有高活性粒子密度、高能量耦合效率等优点以及多样化的电磁激励模式带来应用上的灵活性等优点。其中，又以微波表面波方式产生的等离子体具有射流形貌和更高密度(10^14cm^-3)的特点，成为极具应用前景的等离子体源。在表面波等离子体中，电磁波是沿着介质管的表面进行传播，并通过耦合微波能产生等离子体射流。因此，介质管在电磁波传播中起到波导的作用效果，称之为表面波导管。
在等离子体射流加工技术中，加工精度和效率是最重要的技术指标。加工精度指等离子体加工处理过程中去除函数的半高宽(分辨率)，加工效率与单位时间内等离子体加工处理数量和单个材料的去除率有关。在抛光加工过程中，等离子体射流的形貌直接影响去除函数的半高宽即加工精度，射流中氟原子密度与等离子体刻蚀速率(材料去除率)有关。Dong等人在《Plasma Processes and Polymers》上发表“Jet morphology analysis ofmicrowave-generated plasma for microfabrication ofoptics”论文中指出，通过输入功率、Ar/CF4/O2气体组分和流量等工艺参数可以改变微波等离子体射流的长径比和活性粒子，但是高分辨率要求的细长型射流的工艺参数范围很小，难以有效实现射流形貌配置。Arnold等人在《Vakuumin Forschungund Praxis》上发表“Plasma Jet Machining A noveltechnology for precision machining ofoptical elements”论文中提出了三种微波等离子体发生器，可以实现不同加工目标所要求的去除函数半高宽和去除率，然而这需要投入三台不同设备才能满足加工需求。Moisan等人在《Journal of Applied Physics》上发表“Multitube surface-wave discharges for increased gas throughput atatmospheric pressure”论文中提出了采用多管耦合方式产生表面波等离子体射流，但是随着射流数量的增加，系统中需要维持的管内等离子体柱的数量增加，大大增加了功率消耗。另外，大气压表面波等离子体的气体温度可以高达2000K，因而需要对表面波管进行冷却。例如，中国专利CN 107422025 A公布了“一种基于等离子体表面波激发的痕量元素检测装置”中需要风冷或者水冷装置对放电管进行冷却。中国专利CN 102510654A公布了“大气压脉冲调制微波等离子体发生装置”提出了通过脉冲放电方式控制气体温度，然而需要高压交流电源驱动针状电极，产生等离子体射流，从而保证每个微波的脉冲调制周期都能够至少点火一次。本发明提出了一种基于不规则表面波导管的大气压表面波等离子体系统。一方面，它能够在单一微波功率驱动下产生自持的、较低温度的脉冲调制表面波等离子体射流；另一方面，它能够在单个表面波等离子体源上，仅仅通过更换合适的表面波导管，就可以获得多种分辨率的去除函数和去除率。这不仅满足了高分辨率的光学元件表面修形，而且减少了设备成本和加工制造成本。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题，提出了一种基于不规则表面波导管的大气压表面波等离子体系统。
为了实现上述目的，所述系统由微波发生与传输系统、微波功率测量系统、表面波发生器、不规则表面波导管和供气系统组成。
所述微波发生与传输系统包括依次连接的微波功率源、环形器、双向定向耦合器、三销钉调配器，它们之间可直接连接或者通过波导管连接。
所述微波功率测量系统是利用同轴线将微波功率计与双向定向耦合器的正向和反向耦合端口连接，分别测量入射功率和反射功率。
所述表面波发生器为波导型的Surfaguide等离子体发生器，其一端通过波导管连接或者直接连接三销钉调配器，另一端设置可移动的金属挡板，挡板与端面保持平行且尺寸大小相等，挡板位置可由手动或者步进电机进行调节，使其能够移动至耦合孔与末端之间的任意位置。
所述不规则表面波导管包括锥直形管、分叉形管以及两者形状组合，其圆柱形且长度较长的一端穿过表面波发生器的耦合孔。
所述供气系统(8)主要由气源、气体减压阀、质量流量控制器、气体混合器以及连通气路的气管组成，通入表面波导管圆柱形且长度较长的一端
所述微波功率源的频率范围为2.4～2.5GHz，功率输出方式为脉冲调制.
所述调制调制的频率为1kHz及以上，脉冲占空比为20％及以上，瞬时微波功率为1kW及以上。
所述表面波导管的材质为无极性陶瓷。
所述锥直形管的圆柱形一端的内径为d1、长度为l1，以一定扩散角或收缩角过渡到另一端圆柱形，其出口内径为d2、长度为l2。
其中，l1>l2，d1和d2均小于12.25mm。
所述分叉形管是指放电管的一端分叉为N个分支管，要求相邻两个分支管之间的夹角θ相等，每个分支管与放电管的夹角相等，每个分叉管的长度、内径和壁厚均相等，分支管分叉后是对称的，保证产生等离子体射流的放电特性相同。
其中，N≥2，θ＝360°/N。
所述放电特性包括射流形貌、电子密度和温度以及气体温度。
所述两者形状组合指分叉形管的分支管采用相同尺寸的锥直形结构。
所述气源为惰性气体、碳氟类气体和氧气的混合气体，其中碳氟类气体和氧气之和的体积比小于1％。
所述碳氟类气体包括四氟化碳或六氟化硫。
本发明有益效果：
本发明采用了多种阻抗匹配手段提高了微波耦合能量效率，设定合适的脉冲功率、占空比、调制频率等电学参数，使得相邻两个脉冲放电周期之间存在关联性，即前一个周期放电产生的电子和激发态粒子可以作为下一个周期放电击穿所需的种子电子和激发态粒子，从而在大气压下能够产生自持的脉冲放电，同时可以有效降低气体温度。
本发明采用无极性陶瓷可以避免氟原子对管壁的腐蚀作用，减少材料损耗和维护成本。本发明所提出的锥直形表面波导管可以灵活地控制等离子体射流形貌和电子密度，无需更换表面波发生器。分叉形表面波导管可以在仅产生一个管内等离子体柱的情况下，获得多个等离子体射流，大大降低了功耗。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
在附图中：
图1为本发明实施例中一种基于不规则表面波导管的大气压表面波等离子体系统的示意图；
图2为本发明实施例中脉冲调制表面波等离子体自持放电原理的示意图；
图3为本发明实施例中锥直形表面波导管的示意图；
图3(a)部分为发明实施例中锥直形表面波导管由粗变细的示意图；
图3(b)部分为发明实施例中锥直形表面波导管由细变粗的示意图；
图4为本发明实施例中表面波导管限制等离子体射流半径的示意图；
图5为本发明实施例中分叉形表面波导管的示意图；
图5(a)部分为本发明实施例中分叉形表面波导管分支为2的示意图；
图5(b)部分为本发明实施例中分叉形表面波导管分支为3的示意图；
图5(c)部分为本发明实施例中分叉形表面波导管分支为4的示意图；
图6为本发明实施例中表面波等离子体射流与材料相互作用区域划分的示意图；
图7为本发明实施例中分叉形表面波导管等离子体射流表面处理的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供了一种基于不规则表面波导管的大气压表面波等离子体系统，由微波发生与传输系统、微波功率测量系统、表面波发生器、不规则表面波导管和供气系统组成，如图1所示。微波发生与传输系统包括依次连接的微波功率源(1)、环形器(2)、双向定向耦合器(3)、三销钉调配器(4)，它们之间可直接连接或者通过波导管连接。微波功率测量系统是利用同轴线将微波功率计(5)与双向定向耦合器(3)的正向和反向耦合端口连接，分别测量入射功率和反射功率，用于监测放电功率和优化阻抗匹配的主要指标。表面波发生器为波导型的Surfaguide等离子体发生器(6)，其一端通过波导管连接三销钉调配器(4)，另一端设置可移动的金属挡板，挡板尺寸与端面尺寸相等，挡板位置可由手动或者步进电机进行调节，使其能够移动至耦合孔与末端之间的任意位置。不规则表面波导管(7)包括锥直形管、分叉形管以及两者形状组合，其圆柱形且长度较长的一端穿过表面波发生器的耦合孔。供气系统(8)主要由气源、气体减压阀、质量流量控制器、气体混合器以及连通气路的气管组成，通入表面波导管圆柱形且长度较长的一端，工作气体为惰性气体、碳氟类气体和氧气的混合气体，其中碳氟类气体和氧气之和的体积比小于1％，碳氟类气体包括四氟化碳或六氟化硫。
上述技术方案的工作原理及有益效果为：
微波发生与传输系统主要是用于产生微波，并将微波能量馈入到表面波发生器中，利用表面波发生器激励微波表面波模式，使得电磁波能够沿着表面波导管的表面传输，将电磁能量耦合到表面波导管内的气体中，产生表面波等离子体放电。其中，在表面波导管的圆柱形且长度较长一端设定为进气口。工作气体选择廉价的氩气。反应气体选择对二氧化硅、碳化硅等光学元件材料有刻蚀作用的气体分子，如四氟化碳、六氟化硫。同时，在反应气体中加入少量氧气有利于氟原子的解离。由于反应气体均为电负性气体，而表面波等离子体的电子密度阈值相对较高，所以反应气体比例应不超过1％。
微波功率测量系统主要用于监测入射和反射功率。其中，放电功率等于入射功率减去反射功率，它是等离子体处理的重要工艺参数。反射功率是阻抗匹配的重要指标。当反射功率较大时，可以通过调节三销钉调配器和可移动金属挡板，使得反射功率减小，提高微波耦合能量效率。
在本发明中，微波功率源的频率范围为2.4～2.5GHz，功率输出方式为脉冲调制，要求功率的调制频率为1kHz及以上，脉冲占空比为20％及以上，瞬时微波功率为1kW及以上。
上述技术方案的工作原理及有益效果为：
脉冲调制方式可以提高微波耦合能量密度，获得高密度等离子体。同时，脉冲放电的非连续性，使得等离子体不断处于产生和衰亡过程。在等离子体气体加热机制中，电子与中性粒子弹性碰撞产生动量转移的热效应特征时间尺度较慢，当脉冲的持续时间较短时，气体难以被加热达到稳态。另一方面，在脉冲电源关断时间内，气体温度会降低。因此，脉冲调制方式可以有效降低气体温度。这不仅降低了冷却大气压表面波等离子体所需的运行成本，而且在实际应用中可以减小对材料表面的热损伤。
然而，大气压下微波放电的约化电场强度(电场强度与中性粒子数密度的比值)较小，一般难以达到放电点火所需的约化电场强度阈值，这使得脉冲调制微波放电难以自持。在本发明中，一方面，利用脉冲方式实现1kW以上的瞬时微波高功率输出，获得较高的电场强度。另一方面，如图2所示，当两个脉冲间隔时间较短时，前一周期放电产生的电子和激发态粒子在下一周期放电之前仍有可能残留一定数量，可用于点火所需的种子电子和激发态粒子。在微波功率、脉冲频率和占空比分别满足1kW、1kHz和20％及以上条件下，实验中能够产生自持的脉冲调制表面波等离子体。
在本发明中，表面波导管的材质选择无极性陶瓷。表面波导管的形状可以是锥直形管，管的圆柱形一端的内径为d1、长度为l1，以一定扩散角或收缩角过渡到另一端圆柱形，其出口内径为d2、长度为l2，要求l1>l2，d1和d2均小于12.25mm。因此，锥直形的表面波导管存在两种方式。一种是由粗变细，如图3(a)所示；另一种是由细变粗，如图3(b)所示。
上述技术方案的工作原理及有益效果为：
所产生的等离子体要与表面波导管的器壁发生接触，其电子和离子都会向器壁表面运动并发生复合反应(如e+Ar++wall→Ar+wall)，电子通量与离子通量是相等的，从而在等离子体与器壁之间产生悬浮鞘层区，如图4所示。在悬浮鞘层区中，电子密度沿径向减小。由此可见，等离子体会被限制在表面波导管内，其半径由表面波导管尺寸控制。当表面波导管d1>d2时，获得细窄型的等离子体射流，能够进行高精度的表面修形，提高加工精度；当表面波导管d1<d2时，获得大尺寸的等离子体射流，可以提高单位时间内的表面处理面积。当表面波的电磁模式为TM00时，等离子体分布具有轴对称性且电磁模式稳定。这要求微波频率f与等离子体直径d的乘积满足f·d<2.0GHz·cm。当微波频率为2.45GHz时，表面波导管直径应满足d1和d2<12.25mm。
在本发明中，表面波导管可以采用分叉形结构，它是在放电管的一端分叉出N个分支管。图5(a-c)展示了分叉形管N分别为2、3和4的示意图。在几何结构上，要求相邻两个分支管之间的夹角θ相等，每个分支管与放电管的夹角相等，其中，N≥2，/>θ＝360°/N。每个分叉管的长度、内径和壁厚均相等，使得分支管具有空间对称性，保证产生的等离子体射流特性是一致的。等离子体射流特性是指射流的形貌尺寸、电子密度和温度、气体温度。
上述技术方案的工作原理及有益效果为：
在实际应用中，等离子体射流区与材料表面发生直接相互作用，而在表面波导管内的等离子体柱区并不直接作用材料表面。如图6所示，采用分叉形管结构能够减少产生不必要的等离子体柱区，而是利用表面波的传输特性，通过分叉的方式获得多个等离子体射流区。由图5可知，随着分支管数N的增加，能够用于表面处理的射流个数增加，但是等离子体柱区只需要1个，大大降低了微波能量损耗，提高了能量利用效率。同时为了保证处理效果的一致性，各分支管中产生的等离子体射流特性应该保持相同，因而本发明要求分支管结构具有空间对称性。
在本发明中，表面波导管可以采用锥直形和分叉形两种形状的组合，即在分叉形管的每个分支管上采用锥直形结构，从而同时具备了两种形状的优点，。如图7所示，一个等离子体柱分成2个射流用于材料表面处理，射流形貌均由分支管锥直形结构控制。
上述技术方案的工作原理及有益效果为：
本发明提出锥直形和分叉形管分别在加工精度和加工效率两个方面具有有益的效果。以分叉形管为基础，在其出口处引入锥直形结构，使得每个分支管中的等离子体射流形貌可调，获得不同加工精度要求的等离子体射流。
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，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种基于不规则表面波导管的大气压表面波等离子体系统，其特征在于，所述系统由微波发生与传输系统、微波功率测量系统、表面波发生器、不规则表面波导管和供气系统组成。
所述微波发生与传输系统包括依次连接的微波功率源(1)、环形器(2)、双向定向耦合器(3)和三销钉调配器(4)，它们之间可直接连接或者通过波导管连接。
所述微波功率测量系统是利用同轴线将微波功率计(5)与双向定向耦合器(3)的正向和反向耦合端口连接，分别测量入射功率和反射功率。
所述表面波发生器为波导型的Surfaguide等离子体发生器(6)，其一端通过波导管连接或者直接连接三销钉调配器(4)，另一端设置可移动的金属挡板，挡板与端面保持平行且尺寸大小相等，挡板位置可由手动或者步进电机进行调节，使其能够移动至耦合孔与末端之间的任意位置。
所述不规则表面波导管(7)包括锥直形管、分叉形管以及两种形状组合，其圆柱形且长度较长的一端穿过表面波发生器的耦合孔。
所述供气系统(8)包括依次连接的气源、气体减压阀、质量流量控制器、气体混合器以及连通气路的气管组成，通入表面波导管圆柱形且长度较长的一端。
2.如权利要求1所述的一种基于不规则表面波导管的大气压表面波等离子体系统，其特征在于，所述微波功率源的频率范围为2.4～2.5GHz，功率输出方式为脉冲调制。
3.如权利要求2所述的一种基于不规则表面波导管的大气压表面波等离子体系统，其特征在于，所述脉冲调制的频率为1kHz及以上，脉冲占空比为20％及以上，瞬时微波功率为1kW及以上。
4.如权利要求1所述的一种基于不规则表面波导管的大气压表面波等离子体系统，其特征在于，所述表面波导管的材质为无极性陶瓷。
5.如权利要求1所述的一种基于不规则表面波导管的大气压表面波等离子体系统，其特征在于，所述锥直形管的圆柱形一端的内径为d1、长度为l1，以一定扩散角或收缩角过渡到另一端圆柱形，其出口内径为d2、长度为l2。
其中，l1>l2，d1和d2均小于12.25mm。
6.如权利要求1所述一种基于不规则表面波导管的大气压表面波等离子体系统，其特征在于，所述分叉形管是指放电管的一端分叉为N个分支管，要求相邻两个分支管之间的夹角θ相等，每个分支管与放电管的夹角φ相等，每个分叉管的长度、内径和壁厚均相等，分支管分叉后是对称的，保证产生等离子体射流的放电特性相同。
其中，N≥2，φ≥90°，θ＝360°/N。
7.如权利要求5所述的一种基于不规则表面波导管的大气压表面波等离子体系统，其特征在于，所述放电特性包括射流形貌、电子密度和温度以及气体温度。
8.如权利要求1所述的一种基于不规则表面波导管的大气压表面波等离子体系统，其特征在于，所述两者形状组合指分叉形管的分支管采用相同尺寸的锥直形结构。
9.如权利要求1所述的一种基于不规则表面波导管的大气压表面波等离子体系统，其特征在于，所述气源为惰性气体、碳氟类气体和氧气的混合气体，其中碳氟类气体和氧气之和的体积比小于1％。
10.如权利要求7所述的一种基于不规则表面波导管的大气压表面波等离子体系统，其特征在于，所述碳氟类气体包括四氟化碳或六氟化硫。
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