[发明专利]一种圆柱表面波等离子体产生装置

说明书

本发明涉及一种圆柱表面波等离子体产生装置，包括依次连接的高频电源(1)、阻抗调节单元(2)、能量传输波导(3)、波导转换器(4)和圆柱形开槽波导(5)，所述的圆柱形开槽波导(5)外壁上嵌套有介质管(6)，所述的圆柱形开槽波导(5)上开有多处狭缝，微波在圆柱形开槽波导(5)的内壁面上形成传导电流，该传导电流在狭缝处被狭缝切断并以位移电流的形式穿越狭缝，位移电流在狭缝处形成的电场辐射入介质管(6)方向使得介质管附近的工作气体电离，并在介质管(6)的外壁周围产生等离子体。与现有技术相比，本发明具有产生的高密度等离子体更具均匀、稳定以及活化基团数量更多等优点。

技术领域

本发明涉及微波技术与天线设计领域，尤其是涉及一种圆柱表面波等离子体产生装置。

背景技术

等离子体作为“物质的第四态”，因其在现代产业中的广泛使用，比如碳纳米管的制备、半导体的加工、材料的表面改性等，使得国内外学者对等离子体源的研究引起极大的关注，与其他等离子体源相比，表面波等离子体源具有能够实现无电极放电放电，无需磁场，设备结构简单，且能够保证生成的等离子体更纯净。

无论是平面表面波还是圆柱表面波，表面波等离子体的尺寸与介质管的尺寸相关、而介质管尺寸又与波导尺寸相关，但波导尺寸往往又决定传输的模式。圆波导内存在众多的传播模式且容易发生极化简并，很难实现单模传输，导致产生的等离子体不够均匀稳定。

专利CN201410489693.5公开了一种表面波等离子体设备，其包括依次相连的微波产生装置、微波传输装置和反应腔室，微波产生装置用于产生形成表面波等离子体的微波；微波传输装置包括波导和狭缝天线，狭缝天线被划分为多个子天线，且每个子天线对应反应腔室的不同区域，子天线的数量和距离由相关波导的波长决定，微波产生装置产生的微波经由各个波导和与相关波导对应的子天线耦合至反应腔室的不同区域。该发明采用的波导与天线的耦合技术，但该技术存在耦合过程中的损耗较大、可能出现间歇性的不稳定状态以及结构复杂的缺点。

发明内容

矩形波导中的模式具有场结构简单、稳定、频带宽和损耗小等特点并且圆波导中的场分布又与矩形波导中的模的场分布很相似，因此本发明可在基于方圆波导转换器的基础上，对圆波导直接进行开槽设计，在工程上实现由矩形波导中模向圆波导中模的过渡，以保证产生的圆柱表面波等离子体的密度更高且更加均匀。同时，本发明的结构能够对圆柱形物体的内表面进行均匀地等离子体加工，这是平面结构源所不能达到的。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种圆柱表面波等离子体产生装置，包括依次连接的高频电源、阻抗调节单元、能量传输波导、波导转换器和圆柱形开槽波导，所述的圆柱形开槽波导外壁上嵌套有介质管，所述的介质管外围套设有反应腔体，所述的介质管外壁与反应腔体的内壁间形成真空空腔，所述的圆柱形开槽波导上开有多处狭缝，所述的高频电源向阻抗调节单元输出微波，阻抗调节单元将微波的功率大小进行调节，之后阻抗调节单元将调节后的微波耦合入能量传输波导中，之后通过能量传输波导传输至波导转换器处并进一步传输至圆柱形开槽波导中，微波在圆柱形开槽波导的壁面上产生表面电流，该表面电流在狭缝处以位移电流的形式穿越狭缝，位移电流在狭缝处形成的电场使得介质管周围的工作气体电离，并在介质管的外壁周围产生等离子体，当等离子体密度足够高时，圆柱形开槽波导上的微波将以表面波的形式沿介质管表面传导，从而在介质管的外壁上形成均匀的表面波离子体。其中工作气体为空气。

进一步地，所述的高频电源的频率为微波波段即300MHz～3THz，就目前商用而言，普遍使用2.45GHz或915MHz。

进一步地，所述的能量传输波导可为矩形波导、圆柱波导或同轴波导中的一种或多种。

进一步地，所述的能量传输波导可为矩形波导。

所述的阻抗调节单元为与能量传输波导的波导形式相对应的阻抗匹配器。