CN101119609A - 狭缝与大缝结合式微波等离子体反应腔 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及狭缝与大缝结合式微波等离子体反应腔，属于微波等离子体激发技术领域，该反应包括上下均由可拆卸法兰密闭的竖直放置空心圆柱形反应腔体，在腔体中部，环绕有一横截面为矩形的环形波导，环形波导内壁与腔体外壁重合；环形波导内壁上开凿有与环形波导内驻波波节数目对应的狭缝，狭缝的位置在驻波波节处；环形波导外壁开有用于与方圆模式转换波导或者耦合天线相连的一个通孔；其特征在于，在环形波导内壁上，开有一大缝，用于在反应腔形成中部最大、向***逐渐降低的对称强电场，与狭缝形成的电场互补，使反应腔内电场分布均匀。本发明有效的改善了电场分布，产生的等离子体更加均匀，在腔体中心部位也能存在。
Description
技术领域
本发明属于微波等离子体激发技术领域，特别涉及用于产生大面积微波等离子体的反应腔结构设计。
背景技术
等离子体在新材料、微电子等工业和生物研究等领域有很强的实用价值，特别是利用微波激发等离子体的方式，相对其它的等离子体激发方式而言，等离子体的存在空间较大，带电粒子密度较高，有很大的应用拓展空间。特别是大面积(大体积)微波等离子体，在相关工业上的使用价值更高。
微波等离子体反应腔一般采用单一或混合的微波模式使等离子体团产生于结构不同的腔体的内部，由于结构不同，产生的等离子体的面积也不相同。而现有的用于产生大面积微波等离子体的反应腔，其主要利用了狭缝天线对微波的衍射作用，称之为狭缝式反应腔。此类微波等离子体反应腔的结构及激发原理如图1、2所示，该反应腔包括：在圆柱形反应腔体12(目前成熟腔体基本为圆柱形)的***环绕有环形波导11，在环形波导和反应腔的结合共有部位28(环形波导内壁，同时为反应腔外壁)，根据微波波导波长的大小在环形波导驻波波节处分布与之相对应的狭缝24(图中示出八个狭缝)，每个狭缝位置均对应驻波26的波节，27为环形波导中心线；环形波导外壁29上开有圆孔25。通过狭缝将环形波导内的微波能量输入进反应腔形成表面波，激发等离子体。这种反应腔产生的等离子体面积尽管较大，但由于狭缝天线衍射产生的电场主要集中在狭缝附近，在腔体中心部位电场一般较小，而微波等离子体激发一般依靠电场作用，因此，在较高气压下(＞104pa)腔体形成的等离子体多集中于狭缝附近，很难在腔体中心部位形成，造成腔内等离子体分布不均匀。这种分布的不均匀，必然会限制微波等离子体的使用价值，因此，研究如何扩大微波电场的分布使等离子体分布均匀，是十分必要的。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有狭缝式反应腔中，电场分布不均匀造成的不足。提出一种狭缝与大缝结合式微波等离子体反应腔，它在原狭缝式微波等离子体反应腔的基础上进行了改进，在环形波导上额外设计了大缝的结构，使之与狭缝的结构相配合，有效的改善了电场分布，产生的等离子体更加均匀，在腔体中心部位也能存在。
本发明的技术方案如下：包括上下均由可拆卸法兰密闭的竖直放置空心圆柱形反应腔体，在腔体中部，环绕有一横截面为矩形的环形波导，环形波导内壁与腔体外壁重合；环形波导内壁上开凿有与环形波导内驻波波节数目对应的狭缝，狭缝的位置恰好在驻波波节处；环形波导外壁开有用于与方圆模式转换波导(或者耦合天线)相连的一个通孔(微波通过模式转换波导从通孔向环形波导内传输)；其特征在于，在环形波导内壁上，还开有大缝，用于在反应腔形成中部最大、向***逐渐降低的对称强电场，与狭缝形成的电场互补，使反应腔内电场分布均匀。
大缝可以开在微波刚进入环形波导时的首端，也可以开在与之对应的末端，也可两端均开凿。该大缝的中心最好处于通孔中心与腔体中心的连线及其延长线上
腔体的中心、环形波导的中心与狭缝及大缝的中心处于同一水平面。
上述整个腔体选择对微波吸收较少的金属材料制作。
本发明的原理为：微波传输的过程为：功率源输出的微波能，先通过标准矩形波导传输，经过环流器、销钉调节器、定向耦合器、短路活塞等标准器件后，通过方圆转换波导传入环形波导，再通过狭缝和大缝进入反应腔体形成电场。通过环形波导内壁的狭缝传输入反应腔中，使反应腔中部的某一平面在狭缝附近形成高电场，由于狭缝为沿反应腔外壁平均分布，则形成的高电场区域易呈环状，且也分布于反应腔中该平面的***，中心部位电场很低。微波通过大缝也传输入反应腔中，在反应腔该平面上形成中部最大、向***逐渐降低的对称强电场，与狭缝形成的电场互补。这种电场与狭缝作用下的电场共同作用，使腔内该平面的整体电场值较高，分布变得均匀，有助于等离子体的均匀激发和分布。而大缝形成的这一电场可通过大缝的尺寸与反应腔的尺寸、微波频率等参数进行配合获得优化。
腔体中狭缝、大缝、环形波导等的具体尺寸，根据设计中环形波导内的驻波数、微波传输的频率不同而不同。环形波导中心线的周长一般为波导内驻波波长的整数倍。环形波导的横截面尺寸与传输该频率微波所用的标准矩形波导相近。狭缝与大缝的高度一般为环形波导高度的一半，大缝的宽度与环形波导横截面的宽度接近。具体尺寸可通过电磁学理论估算并借助专业软件仿真优化。
本发明的创新之处在于提出狭缝与大缝相配合的结构，这种结构，必然可使反应腔内电场分布的均匀性提高，弥补仅含有狭缝结构的反应腔体的不足。在实际应用中，只要环形波导内壁上开凿的大缝的中心位置在通孔中心与腔体中心(腔体水平放置时，该中心为与通孔中心同水平面的腔体轴心)的连线及其延长线上，或者大缝中心位置与该连线及其延长线的水平或垂直距离在半个驻波波长内，大缝形状一般为矩形，也可为圆形、椭圆等对称结构，都能使整体电场分布得到明显改善。
本发明的腔体的尺寸设计、狭缝的个数选择、微波传输器件的选取等属成熟技术，并非本专利需要保护内容。
本发明的有益效果：
本发明以已有的狭缝微波等离子体反应腔为基础，在环形波导的内壁上，又额外设置一种大缝的结构，通过狭缝和大缝的共同作用，使反应腔内电场分布均匀，等离子体团分布范围扩大，有助于工业应用。
附图说明
图1是普通8狭缝式反应腔的外观示意图。
图2是普通8狭缝式反应腔中心平面的剖面图。
图3是本发明的实施例中反应腔中心平面的剖面图。
图4是本实施例的反应腔内电场作用原理图。
图5是实施例通过电脑计算得出的反应腔内电场效果图及普通8狭缝式反应腔内电场效果图；其中(a)为普通8狭缝式反应腔内电场效果图，(b)为本实施例的反应腔内电场效果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明提出的狭缝与大缝结合式微波等离子体反应腔的一个实施例结构如图3所示。在本实施例中以2.45GHz微波频率输入，反应腔体32为竖直放置的空心圆柱形，上下均由可拆卸法兰密闭(图中未示出)。在腔体中部，环绕有一横截面为矩形的环形波导31，环形波导内壁38与反应腔体外壁重合；环形波导内壁上开凿有与环形波导内四个驻波的波节数目对应的八个狭缝34，狭缝的位置恰好在驻波波节处；环形波导31外壁开有一通孔35，该通孔与方圆模式转换波导(或者耦合天线)相连，微波通过模式转换波导从通孔向环形波导内传输；在环形波导31的末端还开有大缝33。圆柱形反应腔体32及环形波导31由黄铜制造。
本实施例的环形波导的横截面为矩形，且其与微波传输的标准矩形波导(WR430)横截面尺寸相似。在环形波导内，微波以TE10模式传播，经计算，驻波波长约为15.5cm，对应环形波导中心线周长在62cm左右，因此环形波导的平均直径约为20cm。反应腔直径约在13～14cm之间，狭缝高100mm宽15mm，大缝高100mm宽50mm。
本实施例的反应腔内电场作用原理如图4所示，图中，环形波导41内的微波将通过狭缝44以TE41模式46进入反应腔42中。而由于反应腔直径的限制，通过大缝43进入反应腔42中的微波模式主要为TE11、TM01等低次轴对称模47，高次模大部分被截止，不能进入腔体，因此，在腔体内将形成TE11、TM01以及TE41模式为主的混合模，而TE41模在狭缝44附近形成较强电场，并向腔中心处递减，TE11、TM01模式在腔体中心处形成较强电场，并向外递减，几种电场的叠加，恰好使整体电场更加均匀。
图5为电脑计算反应腔内电场效果图，其中：(a)为普通八狭缝式反应腔的效果图，(b)为本实施例的反应腔效果图。对比普通八狭缝式反应腔和本实施例的两缝结合的反应腔，可明显看出发明的结构对腔内电场的改善作用。大缝和狭缝结合腔体中，相关尺寸经过仿真优化后，大缝与其两侧的狭缝部分重合，在图中表现为一个大缝和六个狭缝。从图中看出，在仅有八个狭缝的普通大面积微波等离子体腔体中，电场的高值区域(图中用灰色的深浅表示电场值的高低)集中在狭缝附近以及环形波导内，不利于腔体中心部位等离子体的获得，而本发明的大缝和狭缝结合的腔体结构，得到的电场高值区域在整个腔体内，且腔体内电场分布均匀，2/3以上的面积区域电场差别在30％内，有助于获得相对均匀的等离子体。同时，环形波导内电场较低，能量向腔内的转换效率较高。
该实施例指出了两种缝配合的腔体结构对电场的改善作用，这种结构有利于均匀等离子体的获得。利用这种组合的原理，可设计不同狭缝个数与大缝组合的腔体结构。由于缝隙个数、腔体尺寸均可变化，产生的电场模式与实例并不一定相同，但只要反应腔中的综合电场是依靠狭缝与大缝产生的电场的叠加效应使其均匀性得到改善，应属于本发明涵盖的结构范围。
Claims (3)
1.一种狭缝与大缝结合式微波等离子体反应腔，包括上下均由可拆卸法兰密闭的竖直放置空心圆柱形反应腔体，在腔体中部，环绕有一横截面为矩形的环形波导，环形波导内壁与腔体外壁重合；环形波导内壁上开凿有与环形波导内驻波波节数目对应的狭缝，狭缝的位置在驻波波节处；环形波导外壁开有用于与方圆模式转换波导或者耦合天线相连的一个通孔；其特征在于，在环形波导内壁上，还开有大缝，用于在反应腔形成中部最大、向***逐渐降低的对称强电场，与狭缝形成的电场互补，使反应腔内电场分布均匀。
2.如权利要求1所述反应腔，其特征在于，该大缝开在微波刚进入环形波导时的首端，或开在与之对应的末端，或两端均开有大缝；该大缝的中心处于通孔中心与腔体中心的连线及其延长线上。
3.如权利要求1所述反应腔，其特征在于，该大缝形状为矩形、圆形或椭圆形对称结构。
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