CN102388430B - 等离子体坩埚的密封 - Google Patents

Abstract

一种等离子体坩埚(92)具有通孔(93)和紧挨着被密封到坩埚的端面(901，902)上的两根管(981，982)。在填充坩埚前，封闭一根管(981)。由于在去尖时管上没有压力差，其可以在玻璃机床上实现以使其形成平端(983)。抽真空后，投料并填充气体，另一根管(902)以类似的方式被去尖。

Description

等离子体坩埚的密封

技术领域

本发明涉及等离子体坩埚的密封以及密封的等离子体坩埚。

背景技术

在申请人的PCT/GB2008/003829中，已经描述且申请保护一种以微波能量为动力的光源，该源具有：

·透明材料的固态等离子体坩埚，该透明材料用于使光从中离开，该等离子体坩埚具有在该等离子体坩埚中的密封中空(void)，

·围绕该等离子体坩埚的法拉第罩，该罩至少部分透光，用于使光从该等离子体坩埚离开，同时该法拉第罩是微波封闭的，

·在所述中空中的可由微波能量激发的材料的填充物，用于在其中形成发光等离子体，和

·布置在等离子体坩埚中的天线，用于将等离子体感应的微波能量传输到填充物，该天线具有：

·延伸到等离子体坩埚外部的连接，用于耦合至微波能量源；

该布置使得来自该中空中的等离子体的光能够传播通过该等离子体坩埚并且经由该罩从等离子体坩埚中辐射出去。

发明内容

在上述申请中，申请人曾给出以下定义：

“透明”是指该术语描述为透明的材料是透明或者半透明的；

“等离子体坩埚”是指[用于]包封等离子体的封闭体，当中空的填充物由来自天线的微波能量激发时，该等离子***于中空中。在本申请中，申请人将继续使用这些定义，但须在密封时坩埚中没有等离子体的环境下使用。因此，如此处使用，这些定义包括词语“用于”。

在本申请中，申请人定义：

“被填充等离子体坩埚”是指把可激发的发光填充物密封在其中空内的透明等离子体坩埚。

这样的被填充等离子体坩埚可具有固定密封在坩埚中的天线，可以是在中空内，或是在坩埚中的凹入型件内，天线被***到该凹入型件内用于坩埚的使用。

本发明的目的是提供一种改善的密封被填充等离子体坩埚的方法。

根据本发明的一个方面，提供一种密封具有表面的被填充等离子体坩埚的方法，包括以下步骤：

·提供具有敞开的中空的透明材料的等离子体坩埚，所述中空在所述表面内具有开口；

·提供被布置为从坩埚的开口处的所述表面延伸出来的可熔化为透明材料的材料的管，且将该管气密密封至与中空连通的坩埚；

·经由该管加入可激发材料到中空内；

·经由该管将中空抽真空；

·经由该管引入惰性气体到中空内；以及

·通过在开口或靠近开口密封管来密封该中空，包封可激发材料和惰性气体。

优选地，所述密封步骤包括压破和熔化所述管。

然而，在一些实施例中，现在描述的插塞将不被使用，在其他实施例中：

·中空配置有用于中空的开口处的插塞的止挡，以及

·插塞经由管被放置在开口内，靠于止挡，所述插塞和开口的形状互补用于定位插塞以使其密封在开口内，并配以留隙和/或局部成形以允许气体从流出及流入中空。

在另一个替代方案中，插塞可被密封靠于坩埚的平面。

在不使用插塞的情况下，管可被置于且熔化到坩埚的表面上。可替代地，管可被置于且熔化到位于中空的开口处的坩埚的表面内的配对孔中。

在被填充等离子坩埚的一些应用中，坩埚可以被管所支撑，而管仍从坩埚中延伸出来。在其他应用中，在靠近密封处移去管且坩埚由其自身支撑。

根据本发明的另一方面，提供一种被填充的等离子坩埚，具有：

·从被密封的开口处延伸出的管或其剩余部分。

从位于坩埚被密封的开口处的相对表面延伸出的第二管或其剩余部分。

在坩埚为石英的情况下，尽管可以通过模制或烧结来形成坩埚或管；但更方便的是用一块石英制成坩埚，在其中机械加工出中空，并且通过加热和熔化将石英管密封至该块体。通过去尖方便地完成坩埚的最终密封，即局部加热靠近坩埚的管，当其***时，使气压压破它，撤去加热并拉掉剩余的管。

为了在钻孔后清理中空，特别是去掉可能干扰等离子体放电的特定杂质，优选超声清洗中空，然后火焰抛光以增加透明度且防止裂纹扩展。为此，中空优选被完全贯通坩埚地钻孔，然后在抛光后将其与管相对的端部密封。

插塞可以熔化到开口中或至少被压破且密封的管所保持。

采用常规的火焰或氩离子火焰便于熔化石英管。

通常，在有坩埚、管和插塞的情况下，三者的材料相同。在材料为多晶陶瓷的情况下，更容易在绿态(green state)下被模制且被烧至完成时的状态。通过压破和熔化管来密封坩埚比较难，使用插塞更适合。可以在插塞和坩埚之间的界面提供玻化材料以在二者之间提供可熔化的密封界面。方便地，玻料起初被提供在插塞上。玻料易于被激光熔化，该激光可被设置为穿过陶瓷材料聚焦到玻化材料上。

在使用插塞的情况下，插塞和/或中空的开口的形状被设计具有台阶，由此易于将插塞放置在位，且台阶提供止挡。插塞相对于其直径可以是薄的-插塞以及开口一般为圆形截面-但其一般有明显的厚度使得在其被固定时不能偏离在管内的对准。替代台阶构造，开口和插塞可以为锥形，锥体提供坐靠。该构造适合于抽真空，但可提供对惰性气体引入的自密封。为此，可提供特定的气体通道，其形状为沿着插塞的浅的平面(flat)或槽。即使是台阶的构造，也期望提供这样的浅的平面或槽，尤其用以避免在台阶处过早地封闭从而阻挡了惰性气体的引入。

方便地，且特别为了增强坩埚中可预测的微波谐振，将插塞的尺寸设计为当被放置在止挡上时与等离子体坩埚局部平齐。然而可以理解，如果插塞延伸到管中，更易于用于密封的熔化。靠着管壁进一步密封管，使用于可激发材料的冷凝空间更可预测。此处的考虑是管的剩余部分适于提供冷点，在该冷点处可激发材料适于冷凝，并且对于该材料来说很重要的是有一表面能够与中空连通，由此材料可以蒸发到中空内用以加入等离子体中。

优选地，在使用时，管的剩余部分被用作管道，电场脉冲经由该管道引入到坩埚内用于在其中初始放电。

通常，中空位于坩埚的中心轴上。

为了发光使用，被填充的等离子坩埚通常具有被天线占用的凹入型件。该凹入型件可位于坩埚的中心轴上，与插塞相对或实际上在插塞中。无论在哪种情况下，中空和凹入型件通常为共轴的。可替代地，天线凹入型件可以偏置于中空的一侧。

附图说明

为了有助于理解本发明，现在通过示例并且参考附图来描述其中的多个特定实施例，其中：

图1是根据本发明的准备用于密封的坩埚和管的透视图；

图2是图1的坩埚和管的截面侧视图；

图3是被加热用于密封在一起的坩埚和管的侧视图；

图4是类似的被加热用于密封坩埚的管的侧视图；

图5与图2相似，是根据本发明被密封的被填充等离子体坩埚；

图6为图1的被填充等离子体坩埚在使用中的示意图；

图7为与图4相似的视图，示出用于密封坩埚的管的可替换的加热方式；

图8与图5相似，是根据本发明的被填充等离子体坩埚的变形的示意图；

图9与图5相似，是根据本发明的被填充等离子体坩埚的另一种变形的示意图；

图10与图5相似，是根据本发明的被填充等离子体坩埚的又一种变形的示意图。

具体实施方式

参考图1至图6，将要填充稀有气体且要投入可激发等离子材料的石英坩埚1制成厚盘/短圆柱2，该厚盘/短圆柱2限制了最终坩埚的有效尺寸，并且具有在坩埚一端的开口处4敞开的中央中空3。开口处由一对配对孔5，6构成，位于内侧的配对孔5比位于外侧的配对孔6深，从而在半径上有一明显的增量7。通过双侧燃烧器9的加热，将壁厚与增量标称上相同的管8与圆柱体相连接。控制加热和***以保证在圆柱和管之间形成气密密封，同时对进入内侧配对孔5的贯穿于管中的整个内孔10的阻挡最小。在半径等于圆柱直径的四分之一之处，从与管延伸的坩埚的相同的一端，天线凹入型件11延伸进入圆柱。

可激发材料的球12经由管落入中空内，然后圆柱形插塞13落入。孔10中有留隙直径，并且靠在配对孔5和中空3之间的台阶上。为了给初始气体提供从中空经过插塞的流通，具有沿插塞的长度的浅槽15，其在插塞内面16中延续至台阶的径向范围之外。

管的远端经由Y连接件连接至真空泵(本身未示出)，Y连接件具有用于连接至泵的第一阀门和接头17和用于连接至被控制在负压下的稀有气体源(该源本身也未示出)的第二阀门和接头18。中空经由阀门17被抽真空，在抽真空后关闭。然后经由阀门18向中空填充稀有气体，在填充后再次关闭。气体能经由凹槽15到达中空。

形成被填充等离子坩埚的最后阶段是由燃烧器19对管进行加热。不断加热直到管的石英材料***并且气压高于稀有气体的内压使管自身压破。坐靠在台阶14上的插塞稍微伸入管8内并且穿过坩埚一端的外面，如尺寸20所示。在该尺寸外进行加热，由此当管压破时，管收缩到插塞的外端角21上。因此，中空被双重密封，其中插塞端部的任何剩余空间22在角21处被相对于中空密封，并且在管的“去尖”23处实现管的全封闭，当管压破后，在该“去尖”23处将管的远端件从坩埚抽出。

图6示出了被安装的该被填充等离子坩埚，其与围绕其的法拉第罩C和延伸到天线凹入型件11中的、用以从其源S感应微波的天线A共同使用。为了起动中空中的等离子体放电，布置起动探头P，以使其尖端T靠近于去尖23和坩埚后端之间的管的剩余部24。

在图7所示的变形中，管更长并且起初在远离坩埚本身的位置31处被密封并去尖，以在装置中留住稀有气体和可激发材料，这与申请人较早的灯泡密封专利No.EP 1,831,916中的方式相似。该装置现可无需Y连接件而操作。然后如以上在插塞处的描述，将管在32处密封并去尖。该布置易于处理要丢弃的管的中间长度33，从而便于一致的重复性生产。

图8中示出了另一种变形，其中起初形成的中空53是从坩埚圆柱52的端面501至端面502的通孔。该孔被形成为在两个面上都具有单独配对孔561，562。在密封前，中空被超声清洗，然后被火焰抛光以去掉在使用时可能会干扰等离子体放电的钻屑、去掉裂纹延伸部位并改善透明度。抛光后，将管581，582密封到每个孔中。一根管581被密封并去尖以留出剩余柱641。在如以上所述引入可激发材料和稀有气体后，另一根也被密封。使用时，该变形可在坩埚的外部剩余柱处提供冷点，从该冷点所在的端处收集光以便使用。这一端将比其另一端更凉，该另一端有在封套内的剩余柱(未示出)，并且根据所使用的坩埚，其具体情况可能有所变化。

图9示出另一个变形。在该变形中，中空73的两端***塞831，832以及管881，882的剩余部分841，842封闭。与图8相比，该布置的优点在于，便于防止坩埚/管和管去尖的密封与中空内的气体直接接触，并且其支撑中空中央的等离子体。应注意，该变形在插塞远离中空的两端具有两个空间821，822。尽管该管看起来被密封为形成在插塞的角81处的气密密封，但可以预料该密封可能不是气密的，以允许可激发材料冷凝到该空间中。因此，为了获得最高性能，优选提供充分过量的可激发材料以完全充满这些空间以及引入稀有气体时所流经的插塞中的槽752，由于气体不经其他槽引入，其他槽可不开槽。

本发明不旨在限制于以上描述的实施例的具体细节。例如，台阶状的配对孔和圆柱形插塞可以被互补的锥形钻孔和插塞所替代。另外，期望可以通过在车床上实现密封操作以把管密封到坩埚，而不用配对孔6。

图10示出了这样的等离子体坩埚。其具有通孔93和起初紧挨着被密封到坩埚的端面901，902上的两根管981，982。在填充坩埚前，封闭一根管981。由于在去尖时管上没有压力差，其可以在玻璃机床上实现以使其形成平端983。这允许等离子体中空在这一侧的尺寸能被很好地限制。由于标准管的容差度和实用性，可以理解管901，902的内径可以略超过钻孔93的内径。抽真空后，投料并填充气体，另一根管902以类似的方式被去尖，然而可取的是使用较小的用于封闭的尺寸(less working to closedimensions)。使用时，平端983适于在最外，被法拉第罩(未示出)所覆盖并暴露于大气环境中。另一个去尖端适于被支撑结构所覆盖(也未示出)。除了平端983外，申请人还成功地对半球形端进行了实验。

与带通孔的坩埚(其可被用前述方式去除微小裂纹或实际上是厚壁管的一部分)不同，在另一个替代方案中，如果可以不考虑在应用时产品的寿命问题，可以从石英片的一侧进行钻孔得到中空。而且可以设想坩埚由烧结材料制成。在这样的例子中，单根管仅可以在中空的开口处周围被对接并以所描述的方式密封。

一般使用在2.4GHz下工作的石英坩埚时，坩埚可以为圆柱形，直径为49mm且厚度为21mm。并不严格规定中空的直径，因此其可以在低功率时的1mm和高功率时的10mm之间变化。申请人使用的密封管的壁厚在1mm和3mm之间。申请人还试验了具有去尖的管的坩埚，该管从坩埚的表面起算的长度最高达30mm。优选返回至表面的去尖的管的内部长度在0和10mm之间。优选的距离为5mm。可以理解，该长度的管在其后续工艺和/或使用时便于保持坩埚。

Claims (20)

1.一种密封被填充等离子体坩埚的方法，包括以下步骤：

·提供具有通孔的透明材料的等离子体坩埚；

·将初始的管气密密封至与通孔的一端连通的坩埚，将所述初始的管密封至留出敞开的中空，该中空具有开口；

·提供从坩埚的开口延伸出来的可熔化为透明材料的材料的另一管且将该另一管气密密封至与中空连通的坩埚；

·经由该管加入可激发材料到中空内；

·经由该管对中空抽真空；

·经由该管引入惰性气体到中空内；和

·通过在开口或靠近开口处密封管来密封该中空，包封可激发材料和惰性气体。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述密封步骤包括压破和熔化所述另一管。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述另一管被置于且被熔化到坩埚的表面上。

4.如权利要求2所述的方法，其中所述另一管被置于且被熔化到位于中空的开口处的坩埚的表面内的配对孔中。

5.如权利要求1所述的方法，还包括在开口处放置可熔化为透明材料的材料的插塞的步骤，其中所述密封步骤包括熔化插塞到坩埚。

6.如权利要求5所述的方法，其中所述插塞被置于且被熔化到坩埚的表面上。

7.如权利要求5所述的方法，其中所述插塞被置于且被熔化到位于中空的开口处的坩埚的表面内的配对孔中，所述插塞和开口的形状互补用于定位插塞以使其密封在开口内，并配以留隙和/或局部成形以允许气体流出及流入中空。

8.如权利要求5所述的方法，其中所提供的另一管和插塞为与坩埚相同的透明材料。

9.如权利要求1所述的方法，包括超声清洗和火焰抛光所述孔的初始步骤。

10.如权利要求1所述的方法，其中所述密封的形成使中空的端部与将所述另一管密封于其上的坩埚的表面平齐。

11.如权利要求1所述的方法，其中所述密封的形成使中空的一部分延伸超出将所述管密封于其上的坩埚的表面，由此给中空的填充物提供冷点。

12.如权利要求1所述的方法，还包括在坩埚密封处分离所述管的远离坩埚的一部分的步骤。

13.如权利要求1所述的方法，不包括在坩埚密封处分离所述管或每个管的远离坩埚的任何部分的步骤。

14.如权利要求1所述的方法，其中透明的坩埚材料为多晶陶瓷。

15.如权利要求1所述的方法，其中透明的坩埚材料为石英。

16.根据权利要求1所述的方法密封的被填充等离子坩埚，所述坩埚具有：

·从坩埚的被密封的开口处延伸出的管或其剩余部分。

17.如权利要求16所述的被填充等离子坩埚，具有：

·从位于坩埚两端的坩埚的被密封的开口处延伸出的管或其剩余部分。

18.一种密封被填充等离子体坩埚的方法，包括以下步骤：

·提供具有敞开的中空的透明材料的等离子体坩埚，所述中空具有开口；

·提供从坩埚的开口延伸出来的可熔化为透明材料的材料的管且将该管气密密封至与中空连通的坩埚；

·经由该管加入可激发材料到中空内；

·经由该管对中空抽真空；

·经由该管引入惰性气体到中空内；

·通过在开口或靠近开口处密封管来密封该中空，包封可激发材料和惰性气体；和

·在开口处放置可熔化为透明材料的材料的插塞的步骤，其中所述密封步骤包括熔化插塞到坩埚。

19.如权利要求18所述的方法，其中所述插塞被置于且被熔化到坩埚的表面上。

20.如权利要求18所述的方法，其中所述插塞被置于且被熔化到位于中空的开口处的坩埚的表面内的配对孔中，所述插塞和开口的形状互补用于定位插塞以使其密封在开口内，并配以留隙和/或局部成形以允许气体流出及流入中空。