[发明专利]等离子体排放装置中的介电部件的热控制

说明书

技术领域

本发明大体涉及等离子体排放装置，并且更具体地讲，涉及等离子体排放装置中的介电材料的热控制和保护。

背景技术

在等离子体排放装置的工程中的持久性的挑战是控制和去除由等离子体产生的热量。材料暴露至等离子体以承受排放的热学环境的能力经常显著地限制了等离子体装置的性能、范围、可靠性或其它操作特性。热控制问题的难点尤其在于特别出于结构性的目的，装置具有邻近等离子体的介电材料，由于大多数介电体较差的导热性。尽管诸如陶瓷的特定的介电材料可容忍大幅度提高的温度，但是由于非均匀冷却所导致的热点(hot spots)由于不同的热膨胀可在介电部件中导致内应力。对于这些热量引起的应力而言，通常导致介电材料中的裂缝，这反过来导致等离子体装置的过早失效。

介电等离子体约束容器可利用保形套或护皮被冷却，其中所述保形套或护皮允许冷却流体流经介电等离子体容器的表面，例如美国专利No.5200595中所述。然而，对于一些应用而言，这种方法具有不可接受的危险，即在等离子体室中或其下游出现破裂或裂缝以及灾难性的污染过程的情况中，冷却流体可进入等离子体室中。保形冷却套还可阻止提供电磁能量感应耦合进入等离子体中的能力，除非冷却套组件本身以及其中的冷却流体它们自己是介电体。

冷却感应耦合的等离子体装置的介电室的一个方法是提供金属冷却管邻近室的外侧表面的布置结构，例如绕筒形室共轴线地安置的螺旋形冷却盘管。金属冷却管是商业可购的，并且提供了一种高效的吸热路径，其安放成与室本体接触。然而，甚至在等离子体室具有诸如筒形的相对简单的几何形状的情况中，提供一种金属冷却盘管，其精确地符合室的表面，这是一种生产的挑战。例如，容易组装这样的冷却盘管，其被预制成具有大于等离子体室的外径的主体内径，但是必须存在于盘管与室壁之间的间隙将破坏热量从室本体传递至冷却介质的均匀性与抵抗性。在另一方面，具有对于外侧室壁几乎零容差的预制的盘管将很难配合室，并且物体的强制组装可仍导致盘管沿室的长度的聚集或间隙以及对于室壁的损害。如果盘管并不是被预制而是绕等离子体管被卷绕就位，则有缺点的接触不可避免地出现，这是由于盘管的卷绕和张弛的偏心率。甚至，由于这些制造缺陷所造成的小间隙导致了介电室的不均匀冷却，并且因此导致了室壁中的热点，其限制了装置的性能以及可靠性。这种工艺还可在制造过程中裂化或损害室。

在美国专利No.6156667中，公开了一种从介电等离子体室中去除热量的方法，其利用了室与冷却设备之间的热缓和材料(heat moderating material)。在该方法中，热缓和材料缓和介电体与冷却设备之间的热传递，以提供通过介电材料的温度梯度，其最小化诸如由热应力所导致的损坏的失效。热缓和材料还可用作为散热器，其将介电体的表面保持在较低并更加均匀的温度。需要一种装置，以在物体组装的过程中，以期望的厚度将热缓和材料插在室与冷却设备之间。

已经提出了其它的问题，即利用位于介电限制室内的冷却式或非冷却式介电护罩或薄壁金属冷却结构在介电等离子体室中的温度控制。期望的是，改进从等离子体排放装置的介电部件的吸热的效率以及均匀性，并且因而改进装置的性能和可靠性，同时保持简单、坚固以及从成本低廉的结构的优点。

发明内容

本发明提供了一种等离子体排放装置，其具有改进所述装置中的介电材料的热控制和保护的结构。本发明大体包括等离子体约束室，其至少部分由介电材料构成。冷却设备安置成与室的外侧介电表面接触，以便大致均匀的吸热。通过以下方式，在介电表面与冷却设备之间形成大致直接和均匀的接触，即借助于机械、液压、热学或其它方式在室与冷却设备之间形成临时物理间隙，然后皱缩所述间隙，从而稳固地将所述冷却设备的吸热表面连接至所述室的外侧表面。

在本发明的一个实施例中，等离子体源设备包括筒形等离子体排放管，在其中限定有等离子体。由方形金属管构成的螺旋形盘管绕介电排放管的外侧表面共轴线地安置。螺旋形盘管的面向内的平坦表面与介电排放管的外侧表面大致直接并且均匀的接触。冷却流体流经螺旋形盘管，以吸收从所述排放管传递至所述金属盘管的热量。所述盘管的各绕圈间隔开，并且导电连接至RF能量源，因而允许冷却盘管还用作为感应绕组，其将RF能量耦合进入排放管中的等离子体中。