[发明专利]大气压微波等离子体发生装置

说明书

技术领域

本发明涉及微波等离子体技术领域，特别是提供了一种大气压微波等离子体发生装置。

背景技术

微波等离子体与介质阻挡放电、直流电弧、射频等离子体相比，具有能量利用率高，无电极污染，电子密度高，等离子体分布均匀等优点，是进行化学合成与分解，材料表面改性，有害气体降解脱除的理想工艺。微波等离子体按工作气压可分为低压小于0.1MPa和常压0.1MPa两种。目前低压微波等离子体已经广泛应用于等离子体刻蚀和材料表面处理等领域。由于气体放电电压与气体压力成正比，在大气压下相对低压系统压力比较高，因而使气体电离产生等离子比较困难。为了适应多种生产条件下对于气体处理和化学反应的工艺条件，人们开发了在常压下发生微波等离子体的技术和方法。有以下几种：1电子回旋共振微波等离子体2电容耦合微波等离子体3同轴基和波导基表面波微波等离子体。

电子回旋共振微波等离子体属于对微波能量吸收方式属于无碰撞吸收，当电磁波频率ω和等离子体频率ω_pe满足ω/ω_pe≤1时，可产生电子回旋共振(ECR)。在外加非均匀磁场B的情况下，在ECR范畴内通过微波功率吸收和沿电磁波的传播方向上磁场的衰减(即“磁搁浅”)实现工作气体预电离，其中外加磁场B满足ω＝1.76×10³B(T)。对于通常实验室应用的2.45GHz微波而言，外加磁场在ECR区的强度应为B＝0.0875T。磁场强度B符合电子回旋共振(ECR)的条件，则在很小的微波功率下可激发起ECR等离子体(在ECR条件下，电子在磁场中回旋的角频率与微波的电场频率相同，从而发生共振，微波能量被电子有效吸收，较小的微波功率即可激发产生高密度的等离子体)。沿轴线方向发散的外磁场B使等离子体中的电子向下运动，产生负电位带动离子也向下运动，形成高密度等离子体流。系统外部需要施加磁场，设备结构复杂。

电容耦合等离子体以大于300MHz(一般为2450MHz)微波为辐射频率，功率在数百瓦到数千瓦的一种电容耦合等离子体。由磁控管产生微波，通过同轴波导管传输到一根同轴电极上，在电极尖端生成等离子体(焰炬)。它可在大气压下放电点燃，容易激发。其缺陷在于中心电极被等离子体蚀烧引起电极损坏和反应气体污染。同轴基表面波微波等离子体是通过同轴加载间隙电容，实现轴向高场强，射频能量通过电容耦合的方式引入激发器，通过内套和腔体之间的电场激发出等离子体，外导体有效封闭电磁场能量，当功率增大时，介质管对等离子体的抗蚀烧性是该方法存在的主要问题。波导基表面波微波等离子体的发生是通过尽可能缩小矩型波导管的窄边代替同轴加载电容，通过表面波引发和维持微波等离子体，二者相比，原理基本相同，但波导基表面波微波等离子体具有更大的功率容量。

发明内容

本发明的目的在于实现一种常压微波等离子体发生装置，可以在大气压下实现微波等离子体的激发和稳定维持，本装置能够保证微波能量转换率高，微波能量不泄漏，操作和维护方便，使用寿命长。