CN1858298A - 可调谐等离子体谐振腔 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于PCVD光纤预制棒加工机床的可调谐等离子体谐振腔，包括有圆柱型谐振腔壳体，在圆柱型谐振腔壳体的两端设置截止波导，其不同之处在于在圆柱型谐振腔腔体的一端安设调谐活塞，调谐活塞的中部开设通孔，后端延伸至圆柱型谐振腔壳体外端。本发明通过在谐振腔设置调谐活塞，能使波导装置很好地与谐振腔负载匹配，实现能量耦合的实时控制；这有助于提高PCVD工艺的加工精度和效率，避免微波对系统器件的损坏，提高等离子体谐振腔微波系统的有效使用寿命；本发明的场结构稳定，无极化兼并模式，损耗小，Q值高。本发明还具有结构简单，性能稳定，便于加工和制作的特点。

Description

可调谐等离子体谐振腔

技术领域

本发明涉及一种用于PCVD光纤预制棒加工机床的可调谐等离子体谐振腔，是对现有等离子体谐振腔的改进。

背景技术

PCVD即等离子化学气相沉积法是光纤预制棒加工的主要工艺之一，PCVD工艺的加工机理是通过高频微波对反应物气体的直接作用，使其迅速发生物理化学反应而形成纯二氧化硅或掺杂的二氧化硅，在石英管内壁直接以玻璃态沉积。PCVD工艺具有灵活精密的特点，而等离子体谐振腔微波系统是PCVD加工设备的核心部分。等离子体谐振腔微波系统包括有等离子体谐振腔、微波发生器和波导装置三部分组成，波导装置将微波发生器产生的微波传输耦合至等离子体谐振腔，通过等离子体谐振腔向光纤预制棒加工区发射高频微波能量来完成PCVD工艺加工过程。在这过程中等离子体谐振腔与微波的匹配十分重要，否则，两者之间的不匹配不仅会影响耦合效果，造成能量的损耗，而且还易损坏系统器件，并影响PCVD工艺的加工精度。

现有用于光纤预制棒制造的等离子体谐振腔分为为同轴型与圆柱型两种不同的结构类型。其中同轴型谐振腔目前采用的均为1/4波长型，该型腔结构比较简单，腔体结构尺寸允许范围较宽，设计、制造比较简单；在使用时容易起振；其双同轴内导体的结构，可以保证基波与3次谐波均可起振，充分利用微波能量。其不足的是：同轴腔的高次模微波会干扰正常的谐振，其高次模的微波能量会转化为表面电流，导致腔体发热，严重时其产生的多余热量可毁坏谐振腔腔体。而且腔体不容易加大，设计上必须满足(a+b)≤λ_min/π(a-同轴内导体半径；b-谐振腔体内半径；λ_min-工作频带内的最短波长)，这样就限制了预制棒的尺寸，不易于实现大直径预制棒的制造。另一种为圆柱型谐振腔，该型腔结构简单，容易加工制造。可以应用的腔体结构为TE₀₁₁模、TE₁₁₁模与TM₀₁₀模型。现有圆柱型谐振腔均不可调谐，腔体尺寸固定后，对谐振频率与电磁波的工作模式要求较高。因此对腔体结构尺寸允许变化范围较窄，实际加工时要求很高，否则电磁波在腔体内无法起振。此外，在现有技术中，通常是在波导装置中设置同轴波导，通过对同轴波导中同轴内导体(天线)插入矩形波导深度的调节来调整波导装置的匹配性能，然而，采用上述结构调整功能十分有限，难以应对等离子体谐振腔的等效负载在加工过程中的变化，更无法实现等离子体谐振腔微波系统能量耦合的实时控制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种可调谐等离子体谐振腔，它不仅结构简单，加工精度要求较低，而且能有效地调节等离子谐振腔与微波及负载的匹配性能，实现等离子体谐振腔微波系统能量耦合的实时控制，进一步提高PCVD工艺的加工精度和效率。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：包括有圆柱型谐振腔壳体5，在圆柱型谐振腔壳体的两端设置截止波导4，其不同之处在于在圆柱型谐振腔腔体的一端安设调谐活塞2，调谐活塞的中部开设通孔，后端延伸至圆柱型谐振腔壳体外端。

按上述方案，所述的圆柱型谐振腔为TE₀₁₁模型腔体；所述的调谐活塞设置在圆柱型谐振腔腔体安设截止波导的一端；调谐活塞与圆柱型谐振腔腔体侧壁单向保持0.5～2mm的间隙，为非接触式活塞结构；调谐活塞后端的延伸部分与圆柱型谐振腔壳体端孔滑动配置，并与紧固件连接，或者调谐活塞的后端与一伸缩驱动装置相连，构成自动伸缩调谐活塞；所述的伸缩驱动装置可为螺杆伸缩驱动装置或齿条伸缩驱动装置。

本发明使用时，微波发生器产生的高频微波传输至矩形波导，经过适配器和圆柱波导(或同轴波导)使高频微波耦合到等离子谐振腔，通过等离子谐振腔将高频微波能量发射到被加工件玻璃衬管中的混合气体而完成PCVD加工过程。当波导装置传输的能量与等离子谐振腔的负载不相匹配时，通过调节调谐活塞伸入谐振腔腔体的深度来改变谐振腔腔体容积达到谐振频率的调整，使等离子谐振腔负载阻抗与源阻抗匹配，以达到最小化反射能量，使等离子谐振腔耦合到最大能量的目的。即使波导装置系统很好地与谐振腔负载匹配，从而实现能量耦合的实时控制。

本发明的有益效果在于：1、通过在谐振腔设置调谐活塞，可以根据实际情况，随时调节活塞的插入深度来达到调谐的效果，能使波导装置很好地与谐振腔负载匹配，以适应加工过程中谐振腔等效负载的不断变化，从而实现能量耦合的实时控制；2、有助于提高PCVD工艺的加工精度和效率，同时避免微波对系统器件的损坏，提高等离子体谐振腔微波系统的有效使用寿命；3、结构简单，可以允许谐振腔存在一定范围的加工误差，因此便于加工制作；4、该谐振腔型腔的电场只有φ方向的分量，磁场有r和z方向的分量，没有φ方向的分量；在腔体的侧壁和两个端壁的内表面上只有φ方向的电流；而且侧壁与端壁间也没有电流流过；因此可以利用非接触式活塞调谐，减小了腔体的磨损，可以减小部分干扰模的影响。这种场结构稳定，无极化兼并模式，损耗小，Q值高。

TE₀₁₁模各个场分量的表示式为：

$E_{\mathrm{\φ}}=j\frac{\mathrm{\ηK}}{K_c}{H}_m{J\text{'}}_0\left(K_{c}r\right)\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{l}z\right)$ r-场作用的半径

$H_r=\frac{1}{K_c}{H}_m\frac{\mathrm{\π}}{l}{J\text{'}}_0\left(K_{c}r\right)\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{l}z\right)$ K_c-3.832/R；R-腔体内半径

$H_z=H_m{J}_0\left(K_{c}r\right)\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{l}z\right)$ l-腔体内长度

附图说明

图1为本发明一个实施例的正剖视结构图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明的实施例，包括有TE₀₁₁模型腔体的圆柱型谐振腔壳体5，对于2.45GHz的电磁波，该谐振腔腔体内径为Ф150mm～Ф220mm，长度范围70mm～110mm。在圆柱型谐振腔壳体周向开设有一通孔6与波导装置相接，在圆柱型谐振腔壳体的两端设置截止波导4，在圆柱型谐振腔腔体的一端安设有调谐活塞2，调谐活塞前端呈圆盘状，后段的延伸部分为中空轴状，直径较小，延伸部分的中空轴与谐振腔壳体的端孔滑移配置，调谐活塞前端伸入谐振腔腔体的深度为0～40mm，调谐活塞与圆柱型谐振腔腔体侧壁单向保持1～1.5mm的间隙，调谐活塞后端的中空轴与谐振腔壳体端孔上设置的锁紧螺钉3配置，用于调谐后的紧固。或者调谐活塞的外端与一螺杆伸缩驱动装置相连，构成自动伸缩调谐活塞。圆柱型谐振腔的两端中部均开设有相贯通的端孔，其中一端为调谐活塞的中空轴，用于穿装光纤预制棒1。

Claims (7)

1、一种可调谐等离子体谐振腔，包括有圆柱型谐振腔壳体，在圆柱型谐振腔壳体的两端设置截止波导，其特征在于在圆柱型谐振腔腔体的一端安设调谐活塞，调谐活塞的中部开设通孔，后端延伸至圆柱型谐振腔壳体外端。

2、按权利要求1所述的可调谐等离子体谐振腔，其特征在于所述的圆柱型谐振腔为TE₀₁₁模型腔体。

3、按权利要求1或2所述的可调谐等离子体谐振腔，其特征在于所述的调谐活塞设置在圆柱型谐振腔腔体安设截止波导的一端。

4、按权利要求1或2所述的可调谐等离子体谐振腔，其特征在于调谐活塞与圆柱型谐振腔腔体侧壁单向保持0.5～2mm的间隙，为非接触式活塞结构。

5、按权利要求1或2所述的可调谐等离子体谐振腔，其特征在于所述的调谐活塞后端的延伸部分与圆柱型谐振腔壳体端孔滑动配置，并与紧固件连接，或者调谐活塞的后端与一伸缩驱动装置相连。

6、按权利要求2所述的可调谐等离子体谐振腔，其特征在于所述的谐振腔腔体内径为Φ150mm～Φ220mm，长度范围70mm～110mm。

7、按权利要求5所述的可调谐等离子体谐振腔，其特征在于调谐活塞前端呈圆盘状，后段的延伸部分为中空轴状，延伸部分的中空轴与谐振腔壳体的端孔滑移配置，调谐活塞前端伸入谐振腔腔体的深度为0～40mm。