[发明专利]一种用于大气压下等离子体放电的改进式射频电源

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于大气压下等离子体放电的改进式射频电源。进式射频电源。

背景技术

近年来，由于大气压下等离子体放电打破了真空室的限制，不但降低了设备成本，而且操作方便，不受空间限制，更易于实现大规模的工业化生产，因此在大气压下稳定的低温冷等离子体射流的产生及其应用引起了人们的广泛关注。由于射频下(激励频率1～100MHz)等离子体的击穿电压比较低，并且放电特性与低气压下的辉光放电比较接近，所以射频激励的大气压等离子放电已经成功的应用在了杀菌、表面处理以及半导体工艺等领域。射频发生器一般有两种输出方式；自激式振荡输出和他激式振荡输出。其中，自激式振荡电路简单，与负载的匹配好，但是自激式振荡电路工作在较高的频率下，频率稳定性差，转换效率较低(～75％)，并且射频传导和谐波问题较难解决。如相关技术领域的那些普通技术人员公知的那样，射频等离子体设备通常采用他激式射频电源，然后通过匹配网络实现射频源和等离子体设备的射频能量最佳耦合。他激式射频电源具有较高的DC-AC转换(高于85％)，但成本通常较为昂贵。

此外，大气压下的射频气体放电通常采用有介质的放电结构形式，又称为介质阻挡放电。由于射频电源的激励频率较高，累积在电极介质上的电荷寿命会大于放电的周期，会在两个周期内一直存在，也就是所谓的介质阻挡放电的“记忆效应”，从而容易产生丝状放电。而丝状放电的存在使等离子体处理效果不均匀，因此对于很多方面的应用如材料表面处理，材料改性等均要求在大气压等离子体放电产生稳定并且均匀的辉光放电。对于连续射频激励的等离子体，当严格的控制等离子体工作参数，如气体组份构成、电极结构等，并且对等离子体周围的工作环境有较苛刻的要求时，也可以实现均匀的放电，但是等离子体较易从辉光放电状态转化为丝状放电状态。此外，等离子体产生后由于热传导和离子碰撞过程的存在，电极和介质很快就会被加热到较高的温度。这种温升会导致被处理材料的热破坏，通常需要对射频放电的电极进行冷却处理，从而需要对电极附加额外的冷却系统。一种改进的办法是对射频电源的射频控制信号进行调节，使射频源最终输出为为脉冲调制下的射频波，通过频率及脉宽的控制实现对丝状放电的抑制。参见N.Balcon，“Pulsed RF discharges，glow and filamentarymode at atmospheric pressure in argon”，Plasma Sources Sci.Technol.16，217(2007)。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提出一种用于大气压下等离子体放电的改进式射频电源。它符合国标EMC标准，功率因数高；同时具有电路简单、体积小、性价比高、运行可靠、经久耐用等优点。电路采用了开关调整器电路，实现了可控的脉冲波对射频信号的调制作用。因此当该射频源应用于大气压等离子体放电时，通过调节调制用的脉冲波的频率和脉冲宽度，可以有效地克服大气压等离子体在射频激励为连续状态时易产生的丝状放电以及电极过热问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于大气压下等离子体放电的改进式射频电源，它的电路结构如下：交流输入与采用通用的共差模滤波器组合而成的工频、高频滤波器连接，工频、高频滤波器与工频整流电路连接将交流电平电整流为直流电平，工频整流电路与自激式高频逆变电源连接，变为稳定的直流电平；该直流电平经过射频滤波器后连接脉冲调整器，脉冲调整器输出可控的脉冲调制信号后控制下一级的自激式射频振荡器，然后通过射频匹配器输出间隙式的射频波并最终与等离子体负载相连；同时自激式射频振荡器还输出取样信号到信号处理器，信号处理器则将该信号反馈到脉冲调整器，对脉冲顶部进行调整并可对整个电路进行保护。

所述的自激式高频逆变电源是由自激式高频振荡电路和高频整流电路构成；其中，

自激式高频振荡电路是将直流转化为频率范围是几十kHz～几百kHz的交流连续波，它由反馈电感L₁、主电感L₂及输出电感L₃构成的自激式高频振荡变压器TF₁，功率型场效应晶体管M₁，电阻R₁、R₂及R₃构成的软启动电路，电阻R₄、R₅及电容C₃构成的保护电路组成；调整自激式高频振荡变压器主电感L₂的电感量以及并在主电感上电容C₂的容量以改变振荡频率；