CN1589089A - 等离子体谐振腔的动态设计方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种等离子体谐振腔的动态设计方法和谐振腔机械装置，该装置包括：一个圆柱形的大圆柱筒，封闭大圆柱筒的两个固定圆形板，两个小圆柱筒，在两个小圆柱筒相对的端面之间的裂缝，穿过两个小圆柱筒的石英管，在大圆柱筒中部并与它的轴垂直的圆形通孔，两个短路活塞，每个短路活塞的外侧端分别安装两根对称的支撑杆，穿过所述大圆柱筒端面的所述固定圆形板，通过所述大圆柱筒两侧的螺丝调节装置与所述大圆柱筒外侧的圆环连接。本发明的方法使设计等离子体谐振腔简易可行，避免了多次机械设计与加工，可以很快得到实用的等离子体谐振腔。
Description
技术领域
本发明涉及一种等离子体的光纤预制棒加工设备，尤其涉及该设备中等离子体谐振腔的动态设计方法和利用这种方法制作的一种参数可调的谐振腔机械装置。
背景技术
在PCVD光纤预制棒制造系统中，微波等离子体反应系统是产生化学气相沉积的关键设备，而等离子体反应器又是其中的核心部件。微波能量是通过民用微波波段的中心频率为2450MHz(波长λ为12.24cm)、功率为数千瓦的连续波磁控管获得。磁控管先在矩形的空心波导管激励器中激发电磁波，电磁波以H10模式通过波导系统和能量传输装置输送至等离子体反应器。等离子体反应器通常采用谐振腔。
用于制造PCVD光纤预制棒的等离子体谐振腔通常是圆柱形或同轴形等具有角向对称结构的谐振腔，以保证沉积的玻璃角向均匀。参见图1，同轴形谐振腔由两端封闭的同心的外圆柱筒2和内圆柱体组成，内部长度a+t+b约为半波长(λ/2)。内圆柱体中部车空成为中部断开一个裂缝5的两个内圆柱筒1、4，内圆柱筒1、4中可穿过石英管，微波能量由该裂缝5辐射出去，耦合进入石英管8，激发管内气体电离形成等离子体。同轴形谐振腔一般有7个机械结构参数，分别为大圆柱筒2的内径D、小圆柱筒的外径d、小圆柱筒的厚度Δd、腔内左小圆柱筒1的长度a、腔内右小圆柱筒4的长度b、裂缝5的宽度t和微波能输入孔6的轴向位置s。常规的谐振腔设计方法是：第一步：理论计算。根据磁控管的频率、被加工物体(负载)的特性和工艺要求等，求出结构尺寸；第二步：设计绘制图纸，加工成试验谐振腔；第三步：小信号测试，测试的微波功率为毫瓦级。图2是用于谐振腔测试的一种小信号测试系统的系统。在图2中，21是扫频仪，22是稳幅器，23是被测谐振腔，24是示波器，25是反射计。该系统分别对被测谐振腔23进行空载和有模拟负载两种状态的测试。这种测试称为冷测或静态测试；第四步：大功率测试。建立一个可模拟生产状态的平台，如图3所示的测试系统。如果谐振腔设计合理，将在石英管8中产生等离子体，然后测量反射功率是否可以调节到最小，一般必须使反射功率小于入射功率的4％，即电压驻波比小于1.5，谐振腔的设计才算合格。这种测试称为热测或动态测试。
对于常规谐振腔的设计，上述的设计方法和步骤是十分有效的。例如，以同轴型谐振腔为例。从理论上分析，在谐振腔空载时，其长度为半波长的整数倍。在有负载时，即考虑被加工的物质时，只需要将该物质的特性、工艺要求等修正谐振腔的尺寸，并增加调谐装置即可。但是，对于等离子体谐振腔，上述常规方法有三个难点和缺点：第一、作为谐振腔的负载，即被加工的物质通常是液体或固体。它们的介电常数是正值，而且变化范围小，理论设计的数据与实际应用时相差不多，稍加修正谐振腔的尺寸就可以很快设计出实用的谐振腔。而PCVD中作为谐振腔的负载是等离子体。等离子体的介电常数是负值，而且其数值与气体电离程度、气体种类、气体压力、流量、流速和微波功率等许多参数有关，目前还没有作为小信号测试使用的理想的模拟假负载，这就给理论计算和小信号测试带来困难。第二、谐振腔设计完成后，必须将金属材料加工成试验谐振腔，当某一尺寸数据修正后，必须再加工出新的谐振腔。一般上述步骤需要反复进行、反复修正和多次加工，这些过程既烦琐、加工量又很大。第三：PCVD等离子体谐振腔是在约1200℃的高温环境中工作，在谐振腔内安装调谐装置在工作时是无法操作的。总之，用常规的设计方法和步骤，不能很快设计出合格的等离子体谐振腔。
发明内容
本发明目的是提供一种等离子体谐振腔的动态设计方法，该方法克服谐振腔常规设计中进行小信号测试的缺点，无需反复修正谐振腔尺寸数据、反复加工制作、反复测试谐振腔。
本发明另一个目的是提供一种参数可调的谐振腔机械装置。
本发明的一种等离子体谐振腔的动态设计方法，包括以下步骤：计算该等离子体谐振腔的结构尺寸；加工成多个参数可以独立调节的试验谐振腔的机械装置；提供测试该试验谐振腔机械装置的一个动态测试平台，进行大功率动态模拟测试；其特征在于该动态模拟测试包括以下步骤：
调节该试验谐振腔机械装置的外部和内部尺寸，使石英管内气体电离产生等离子体；
测量微波入射功率与反射功率；
调节该试验谐振腔机械装置的可调的外部尺寸，从而改变谐振腔内部尺寸获得小于入射功率的4％的反射功率；
当获得小于入射功率的4％的多组反射功率的机械尺寸时，从中优选出一组该谐振腔机械装置最佳的结构尺寸数据。
本发明的一种参数可调的谐振腔机械装置，包括：一个圆柱形的带有水冷通道的大圆柱筒，长度约为1.5λ；两个固定圆形板，用于封闭所述大圆柱筒的两侧，所述固定圆形板中部具有内螺纹的圆形同心通孔，该通孔径向两侧各有一个对称的圆形小通孔；两个直径和厚度相同，长度相等或相近的小圆柱筒，每个所述小圆柱筒的长度约为λ；两个所述小圆柱筒相对的端面之间形成一个裂缝；穿过两个所述小圆柱筒中的石英管；一个圆形通孔，位于所述大圆柱筒中部并与所述大圆柱筒的轴垂直，该圆形通孔连接波导管，用于输入微波能量；其特征在于：每个所述小圆柱筒的外侧端有一段长度约为λ/4的外螺纹，分别与所述大圆柱筒两侧的所述固定圆形板的内螺纹相连接；两个相同的短路活塞，分别安装在所述大圆柱筒内两端内侧；每个所述短路活塞的外侧端分别安装两根对称的支撑杆，该支撑杆有外螺纹，穿过所述大圆柱筒端面的所述固定圆形板，通过所述大圆柱筒两侧的螺丝调节装置与所述大圆柱筒外侧的圆环连接。
根据本发明的参数可调的谐振腔动态设计方法和参数可调的谐振腔机械装置，通过调节谐振腔各部分尺寸，可以比较快地产生等离子体，调节反射功率小的多组谐振腔尺寸，从中可以比较快地优选获得满意的谐振腔尺寸，最后制作出满足工艺要求的谐振腔，使设计等离子体谐振腔十分快捷，简易可行，避免了使用模拟假负载产生的误差和多次机械设计与加工，可以很快得到实用的等离子体谐振腔。
附图说明
图1为半波长同轴形谐振腔的示意图；
图2为用于测试谐振腔的一种小信号测试系统；
图3为用于PCVD等离子体谐振腔的动态测试系统；
图4为本发明的用于PCVD等离子体谐振腔多变量动态设计方法的可调谐振腔机械装置的示意图；
图5为本发明的用于PCVD等离子体谐振腔多变量动态设计方法的可调谐振腔机械装置的结构尺寸参数的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细解释。本发明以半波长同轴形结构的谐振腔为例加以说明，本发明也适用于类似的等离子体谐振腔的设计。
图4表示本发明的可调谐振腔机械装置的一个实施例。在图4中，41是左小圆柱筒，42是大圆柱筒，43是右固定圆形板，44是螺丝调节装置，45是右支撑杆，46是右圆环，47是右小圆柱筒，48是带有弹性结构的右短路活塞，49是放电裂缝，50是微波能量输入孔，51是带有弹性结构的左短路活塞，52是左固定圆形板，53是螺丝调节装置，54是左支撑杆，55是左圆环。可调谐振腔机械装置由几个部分组成：大圆柱筒42、左右两个小圆柱筒41和47、大圆柱筒两端的固定圆形板43和52、可在大小圆柱筒之间轴向滑动的短路活塞48和51、调节机构包括左、右支撑杆45和54、圆环46和55、螺丝调节装置44和53。大圆柱筒42有水冷通道(图中未画出，可参见中国专利申请号03157394.0)与外界水冷管道连接。
大圆柱筒42的长度约为1.5λ，两侧用右、左固定圆形板43、52封闭，每个固定圆形板的中部有一个带有内螺纹的同心通孔，通孔径向两侧各有一个对称的圆形小通孔。大圆柱筒42的中部有一个与大圆柱筒轴垂直的圆形通孔，与相应的波导管连接，用于输入微波能量，两个左、右小圆柱筒41、47的直径和厚度相同、长度相等或相近。每个小圆柱筒的长度约为λ。在每个小圆柱筒41、47一端外侧的一段约λ/4长度上有外螺纹，分别与大圆柱筒42两侧的固定圆形板43、52的内螺纹连接。旋转小圆柱筒41、47可以调节小圆柱筒在大圆柱筒42的轴向位置，两小圆柱筒41、47相对的端面之间不接触，形成一个裂缝49。两个相同的短路活塞48、51分别安装在大圆柱筒42两端的内侧，每个短路活塞的内侧端有弹性结构装置分别与大圆柱筒42内壁和小圆柱筒41、47的外壁紧密接触。每个短路活塞的外侧端分别安装两根对称的支撑杆45、54，每根支撑杆有外螺纹，分别穿过大圆柱筒42端面的固定圆形板43、52，通过大圆柱筒42两侧的螺丝调节装置44、53与大圆柱筒42外侧的圆环46、55连接，旋转螺丝调节装置44、53的调节螺母可以分别使短路活塞48、51在大圆柱筒42内轴向滑动。适当的选择左支撑杆54的长度，保证左侧短路活塞51的端面至左圆环55内侧的总长度A1与左小圆柱筒41的长度A相等(A1＝A)。也适当地选择右支撑杆45的长度，保证右侧短路活塞端面至右圆环46内侧的总长度B1与右小圆柱筒47的长度B相等(B1＝B)。也可以选择A1大于A，A1-A＝Δa。同样，也可以选择B1大于B，B1-B＝Δb，Δa和Δb的长度应小于λ/4，Δa和Δb可相等或相近，但是，不能选择A1小于A和B1小于B。
图4所示的可调参数谐振腔的结构尺寸参数表示在图5中。在图5中，L为大圆柱筒42的长度，D为大圆柱筒42的内径，d为小圆柱筒41、47的外径，Δd为小圆柱筒41、47的厚度，a为腔内的左小圆柱筒41的长度，b为腔内的右小圆柱筒47的长度，t为裂缝49的宽度，s为微波能输入孔50的轴向位置，A为左小圆柱筒41的长度，B为右小圆柱筒47的长度，A1为左短路活塞51的内侧与左圆环55的内侧的距离，B1为右短路活塞48内侧与右圆环46内侧的距离，A2为大圆柱筒42的左端面与左圆环55内侧的距离，B2为大圆柱筒42的右端面与右圆环46的内侧的距离，ΔA为左小圆柱筒41的外端面与左圆环55的内侧的距离，ΔB为右小圆柱筒47的外端面与右圆环46的内侧的距离，T为左、右两个小圆柱筒外端面之间的距离。
上述参数除了D、d、Δd固定不变外，其它4个结构尺寸参数a，b，t和s，以及内腔长度＝a+b+t都可以分别通过谐振腔外部调节装置独立调节。而且当A1＝A时，a＝ΔA，或者当A1大于A时，a＝ΔA-Δa；当B1＝B时，b＝ΔB，或者当B1大于B时，b＝ΔB-Δb，t＝T-(A+B)、s＝L/2+A2-A1。这里A、B、A1、B1、Δa、Δb和L可以在事先作精确测量，ΔA、ΔB、A2、B2和T可以在可调谐振腔外部作精确测量，从而得到a、b、t和s的精确值。如果选择A1小于A，则a从0-Δa的部分长度形成“盲区”，将不能通过外部调节得到，所以不能选择A1小于A。同理，如果选择B1小于B，则b从0-Δb的部分长度形成“盲区”，将不能通过外部调节得到，所以不能选择B1小于B。
图3表示可调谐振腔机械装置安装在平台上的情况。在图3中，31是连续波磁控管，32是波导激励器，33是环行器，34是定向耦合器，35是入射功率指示表，36是能量转换装置，37是气体供应柜，38是石英管，39是可调谐振腔机械装置，310是等离子体，311是真空泵，312是反射功率指示表。图3可用于测试本发明的PCVD等离子体谐振腔的机械装置。测试该机械装置使用的动态测试系统包括：连续波磁控管(M)31，通常采用工作频率为2450MHz(工作波长为12.24cm)、最大输出功率为6Kw的永磁封装式连续波磁控管；能量传输的波导系统，该系统的组成部分为：波导激励器32、环行器33、能量转换装置36；功率检测部分，包括：定向耦合器34、入射功率指示表35和反射功率指示表312；气体流量系统，包括：气体供应柜(G)37，插入调谐振腔机械装置39中的石英管38，石英管38的输入端与该气体供应柜(G)37连接，和与石英管38输出端连接的真空泵(P)311。图3中的能量传输系统通常采用BJ-26型矩形波导管制成，磁控管31在波导激励器32中激发H10微波能量向右传播，环行器是一个有单方向传播性能的铁氧体微波器件，返回的反射功率只能进入第三端被吸收，从而保证磁控管31的正常工作。能量转换装置将微波功率有效地传输到谐振腔中。气体流量柜(G)37可供应氮气和氧气。真空泵(P)311应有较大的抽气速率，以保证石英管38内维持10KPa以内的低气压。通过分别调节谐振腔内的各个尺寸参数，微波能量由该裂缝35辐射、耦合进入石英管38，激发管内气体，直至在石英管38中产生等离子体310。
在上述实施完成后，可以将系统开动，设定一组可变谐振腔的数据。按PCVD工艺条件设置石英管内的气体流量、反应压力等，施加一定的微波功率，记录入射功率与反射功率，调节某一个变量使反射功率减小，直至石英管内气体电离产生等离子体310，一组实验即告完成。此后再设定第二组谐振腔的数据，重复上述过程。这样，可以很快获得多组反射功率小于入射功率4％，即电压驻波比小于1.5的谐振腔的数据。当得到许多组数据后，即可分析和总结出规律，再优选出其中的一组谐振腔的结构尺寸数据，设计工作即告完成。
按照工艺要求选择大圆柱筒内径D和小圆柱筒外径d。例如，对于沉积速率为1.0克/分的PCVD系统，石英反应管外直径在26mm左右，据此选取大圆柱筒内径D、小圆柱筒外径d和小圆柱筒厚度Δd。此外，设计制造的装置应满足以下条件：大圆柱筒长度应在1.5λ左右；小圆柱筒长度应为λ左右；小圆柱筒厚度Δd应在(1/100-1/20)λ之间；裂缝可调范围在0-λ/5之间；微波能输入孔的轴向位置s在0-λ/2之间，左右短路面可调节范围在λ/10-λ/2之间。
这种方法可以较快获得反射功率小于入射功率的4％，即电压驻波比小于1.5的许多组腔体尺寸，然后从中选取合适的一组数据加工制成谐振腔。用这种动态方法，可以迅速获得谐振腔的各个尺寸，避免了使用模拟假负载产生的误差和多次的机械设计与加工，可以很快得到实用的等离子体谐振腔。
用本发明的方法和装置设计和制造的多种PCVD等离子体谐振腔，与微波系统匹配良好，反射功率小于入射功率的4％，即电压驻波比小于1.5，分别用于沉积速率为0.5克/分、1.0克/分、1.5克/分的PCVD光纤预制棒制造系统中，使用效果良好。
Claims (5)
1.一种等离子体谐振腔的动态设计方法，包括以下步骤：
计算该等离子体谐振腔的结构尺寸；
加工成多个参数可以独立调节的试验谐振腔的机械装置；
提供测试该试验谐振腔机械装置的一个动态测试平台，进行大功率动态模拟测试；
其特征在于该动态模拟测试包括以下步骤：
调节该试验谐振腔机械装置的外部和内部尺寸使石英管内气体电离产生等离子体；
测量微波入射功率与反射功率；
调节该试验谐振腔机械装置的可调的外部尺寸，从而改变谐振腔内部尺寸获得小于入射功率的4％的反射功率；
当获得小于入射功率的4％的多组反射功率的机械尺寸时，从中优选出一组该谐振腔机械装置最佳的结构尺寸数据。
2.一种参数可调的谐振腔机械装置，包括：
一个圆柱形的带有水冷通道的大圆柱筒，长度约为1.5λ；
两个固定圆形板，用于封闭所述大圆柱筒的两侧，所述固定圆形板中部具有内螺纹的圆形同心通孔，该通孔径向两侧各有一个对称的圆形小通孔；
两个直径和厚度相同，长度相等或相近的小圆柱筒，每个所述小圆柱筒的长度约为λ；
两个所述小圆柱筒相对的端面之间形成一个裂缝；
穿过两个所述小圆柱筒中的石英管；
一个圆形通孔，位于所述大圆柱筒中部并与所述大圆柱筒的轴垂直，该圆形通孔连接波导管，用于输入微波能量；
其特征在于：
每个所述小圆柱筒的外侧端有一段长度约为λ/4的外螺纹，分别与所述大圆柱筒两侧的所述固定圆形板的内螺纹相连接；
两个相同的短路活塞，分别安装在所述大圆柱筒内两端内侧；
每个所述短路活塞的外侧端分别安装两根对称的支撑杆，该支撑杆有外螺纹，穿过所述大圆柱筒端面的所述固定圆形板，通过所述大圆柱筒两侧的螺丝调节装置与所述大圆柱筒外侧的圆环连接。
3.根据权利要求2的参数可调的谐振腔机械装置，其特征在于：
所述的短路活塞的内侧端具有弹性结构装置，分别与所述大圆柱筒内壁和所述小圆柱筒外壁紧密接触，并可在轴向滑动。
4.根据权利要求2或3的参数可调的谐振腔机械装置，其特征在于：
所述短路活塞的内侧与对应的圆环内侧的距离≥所述小圆柱筒的长度，其差值小于λ/4。
5.根据权利要求2或3的参数可调的谐振腔机械装置，其特征在于：
所述小圆柱筒腔内的长度在λ/10-λ/2之间；
所述裂缝的宽度在0-λ/5之间；
所述微波能量输入的圆形通孔的位置尺寸在0-λ/2之间；
所述小圆柱筒的厚度在(1/100-1/20)λ之间。
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