CN113133174A - 一种螺旋波-离子回旋共振耦合放电*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种螺旋波‑离子回旋共振耦合放电***，结构包括有进气管道(1)、进气密封(2)、螺旋波放电室(3)、放电管(4)、螺旋波天线(5)、隔离板(6)、离子回旋加热室(7)、离子回旋天线(8)、扩散隔板(9)、扩散密封(10)、扩散室(11)、扩散泵口(12)、磁体线圈(13)、天线泵口(14)。本发明***中实现高密度、高温度等离子体电离激发和加热集成化。等离子体激发天线和加热天线置于真空环境内有效降低天线的功率损失，提高设备操作的安全性，等离子体激发和加热之间设置物理隔离可有效降低两者电磁波的相互干扰，提高等离子体耦合效率。通过调整激发和加热的功率比可控制等离子体电子密度1015‑1019m‑3、离子温度0‑100eV、脉冲/连续放电。
Description
技术领域
本发明涉及应用于高密度等离子体激发-加热的耦合放电技术，主要涉及一种螺旋波-离子回旋共振耦合放电***。
背景技术
等离子体作为物质的第四态，同时也是聚变能和工业发展的主要技术之一，近些年备受世界各国科研院校和企业的关注。等离子体中的电子密度和离子能量作为衡量等离子体状态的主要技术指标，一直是等离子体源研究领域探索的不断突破方向。高密度等离子体主要通过直流、射频、微波和激光等手段通过电离放电气体获得。然而电离率和放电参数的影响，螺旋波等离子体作为一种理论上可以获得100％电离率的放电模式，成为未来高密度等离子源发展的重要研究方向之一。另一方面，由于电子和离子质量差距较大，较高的电子密度和较大的离子温度很难同时获得，高密度的螺旋波等离子体产生的离子温度仅是接近室温(0.025eV)，目前对离子加热的手段主要通过对栅网施加偏压的方式获得较高的离子温度。然而，利用该方式获得离子温度受栅网的寿命影响。等离子体轰击到栅网上对其造成刻蚀，且会污染等离子体。这对于例如半导体行业对高纯等离子体的需求来说是不可接受的。此外，无电极的微波对等离子体加热也被应用到等离子体研究中，微波加热方式对电子加热效应比较明显，通过热电子和离子的碰撞获得较高的离子温度，该方式具有较低的加热效率。
根据以上研究背景，本发明提出一种螺旋波-离子回旋共振耦合放电***。该***采用分段式设计，将等离子源的产生、加热和扩散进行独立工作，且三段之间通过等离子体进行连接。该***实现螺旋波等离子体源和离子回旋工作加热模块进行耦合，有利于获得较高的电子密度(1015-1019m-3)和离子温度(0-100eV)。该***可根据工况需求对等离子体激发和加热过程进行功率分配，从而实现对电子密度和离子温度进行连续调节。等离子体激发和加热天线均置于真空环境内，且等离子体与天线不接触，没有电极烧蚀的风险。同时该放电***也具有多模式放电、可重复性高的优点，具有不同的等离子体密度等级且可进行脉冲或连续放电，对工业应用和等离子体研究均有较高的实用价值和研究价值。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种螺旋波-离子回旋共振耦合放电***。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明中放电气体通过气体流量控制器进入螺旋波放电室中，13.56MHz频率的射频机理通过馈口接入螺旋波天线，天线的结构可以为(m＝1,m＝0或m＝-1)螺旋波天线激发空间分布的电磁场并形成螺旋波放电区。放电气体进入该区域在螺旋波电磁场和线圈提供的静磁场作用下激发成为高密度等离子体，电子密度为1015-1019m-3，离子温度接近室温0.025eV。电子密度随螺旋波馈入功率、背景磁场和进气量进行调整。等离子体放电模式发生电容耦合(E模态)-电感耦合(H模态)-螺旋波耦合(W1模态)-螺旋波耦合(W2模态)-螺旋波耦合(W3模态)不同模式的跳变从而实现等离子体的多模式放电，放电产生的等离子体在放电管内扩散到离子回旋共振加热区。等离子体中的离子在离子回旋加热天线的电磁场和背景磁场的作用下发生回旋共振并发生能量的转移。离子的温度经加热后可以达到0-100eV，加热的目标离子温度随馈入的加热功率和背景磁场进行调控。等离子体经离子回旋加热区后开到扩散腔室，在扩散腔室可以得到电子密度为1015-1019m-3，离子温度为0-100eV的等离子体。在扩散腔可以用于开展高密度，高温度的等离子体机理研究、等离子体推进、材料刻蚀和喷涂等相关研究。
本发明提供一种螺旋波-离子回旋共振耦合放电***，包括进气管道1、进气密封2、螺旋波放电室3、放电管4、螺旋波天线5、隔离板6、离子回旋加热室7、离子回旋天线8、扩散隔板9、扩散密封10、扩散室11、扩散泵口12、磁体线圈13和天线泵口14。***主要包括螺旋波放电室3、离子回旋加热室7和扩散室11，其中，螺旋波放电室3的一端设置有进气管道1，进气管道1与螺旋波放电室3连接处设置有进气密封2；螺旋波放电室3内设置有放电管4和螺旋波天线5；隔离板6连接天线侧分为螺旋波放电室3和离子回旋加热室7，离子回旋加热室7内设置有离子回旋天线8；扩散室11通过扩散隔板9、扩散密封10与螺旋波放电室3、离子回旋加热室7隔绝真空；扩散室11一侧设置有扩散泵口12；螺旋波放电室3和离子回旋加热室7外侧均环绕有磁体线圈13；螺旋波放电室3的一侧设置有天线泵口14。
所述的一种螺旋波-离子回旋共振耦合放电***，等离子体激发、加热和扩散进行分段式结构。该结构有利于降低加热和激发的干扰，提高共振耦合效率。
所述的一种螺旋波-离子回旋共振耦合放电***，螺旋波天线与离子回旋加热天线均置于真空环境。该结构设计避免天线和真空室之间放电打火，具有较高的安全性。
所述的一种螺旋波-离子回旋共振耦合放电***，通过螺旋波-离子回旋加热的高效耦合，实现脉冲或连续多模式放电。
所述的一种螺旋波-离子回旋共振耦合放电***，等离子体扩散腔获得电子密度为1015-1019m-3，离子温度为0-100eV的等离子体。等离子体具有可重复性，可用于等离子体机理研究和工业应用。
采用本发明在等离子体源放电过程中，通过一种螺旋波-离子回旋共振耦合放电***，采用三段式设计，从右向左主要包括螺旋波放电室、离子回旋加热室和羽流扩散室，等离子体在放电管内贯穿等离子体激发、加热和扩散腔，等离子体激发和加热之间设置物理隔离，可降低两者之间电磁波相互干扰。通过调整激发和加热之间的功率比，可实现等离子体电子密度为1015-1019m-3，离子温度为0-100eV的多模式控制。
本发明的优点主要在于：
本发明相对于常规的等离子体放电***而言，在本发明***中实现高密度、高温度等离子体电离激发和加热集成化。等离子体激发天线和加热天线置于真空环境内有效降低天线的功率损失，提高设备操作的安全性，同时等离子体激发和加热之间设置物理隔离可有效降低两者电磁波的相互干扰，有助于提高等离子体耦合效率。采用螺旋波+离子回旋共振加热模式实现无接触电极放电，避免了等离子体对设备的刻蚀损伤，延长了设备的服役寿命，通过调整激发和加热的功率比可控制等离子体电子密度1015-1019m-3、离子温度0-100eV、脉冲/连续放电。
附图说明
图1为本发明一种螺旋波-离子回旋共振耦合放电***的结构示意图。
图1中，1进气管道、2进气密封、3螺旋波放电室、4放电管、5螺旋波天线、6隔离板、7离子回旋加热室、8离子回旋天线、9扩散隔板、10扩散密封、11扩散室、12扩散泵口、13磁体线圈、14天线泵口。
具体实施方式
参见附图。
下面结合图1和具体实例对本发明做进一步的详细说明。本发明的一种螺旋波-离子回旋共振耦合放电***并不限于特定的材质或工艺，以下所述案例仅为本发明的其中之一的实施案例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
如图1所示，一种螺旋波-离子回旋共振耦合放电***，所述***包括：进气管道1、进气密封2、螺旋波放电室3、放电管4、螺旋波天线5、隔离板6、离子回旋加热室7、离子回旋天线8、扩散隔板9、扩散密封10、扩散室11、扩散泵口12、磁体线圈13、天线泵口14。***从右向左主要包括螺旋波放电室3、离子回旋加热室7和羽流扩散室11。螺旋波放电室3的一端设置有进气管道1，进气管道1与螺旋波放电室3连接处设置有进气密封2；螺旋波放电室3内设置有放电管4和螺旋波天线5。隔离板6连接天线侧分为螺旋波放电室3和离子回旋加热室7，离子回旋加热室7内设置有离子回旋天线8。扩散室通过扩散隔板9、扩散密封10与螺旋波放电室、离子回旋加热室隔绝真空。扩散室11一侧设置有扩散泵口12；螺旋波放电室3和离子回旋加热室7外侧均环绕有磁体线圈13；螺旋波放电室3的一侧设置有天线泵口14。
所述进气密封2和扩散密封10是实现放电管4与螺旋波放电室3、离子回旋加热室7和扩散室11之间的密封措施；
所述放电管4是等离子体放电通道，放电管内外绝缘密封；
所述螺旋波放电室3和离子回旋加热室7是相通，通过隔离板6中间穿孔进行连接；
所述上螺旋波天线5和离子回旋加热天线8共处于一个真空环境下，且天线对本身结构无限制；
所述的隔板6实现电磁场的屏蔽，降低了螺旋波和离子回旋加热的电磁干扰；
所述的扩散隔板9和扩散密封10实现等离子体激发、加热天线和等离子体之间的密封绝缘，避免了等离子体对天线及设备主体的刻蚀，延长了设备的服役寿命；
所述的扩散腔11是高电子密度和离子温度等离子体的出口，可用于开展等离子体机理研究和相关测试；
所述的扩散泵口12为扩散区的泵组连接口，用于获得扩散室11和放电管4内的真空；
所述的磁体线圈13为等离子体激发和加热提供背景磁场；
所述的天线泵口14为螺旋波和离子回旋天线区提供真空环境，有利于降低天线的打火现象，提高实验的安全性。
利用本发明可以同时实现对等离子体放电和加热，在保证等离子体密度大于1018m-3的条件下通过离子回旋加热使等离子体中的离子温度显著增加。三段式结构设计有利于降低不同射频***的干扰，提高了***的稳定性，同时提高了波和等离子体的耦合效率。该***获得的高密度、高温度等离子体可用于等离子体与材料相互作用、等离子体刻蚀、溅射和等离子体推进等众多领域。具有较大的应用前景。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (5)
1.一种螺旋波-离子回旋共振耦合放电***，其特征在于，包括依次设置的进气管道(1)、进气密封(2)、放电管(4)、螺旋波天线(5)、隔离板(6)、离子回旋天线(8)、扩散隔板(9)、扩散密封(10)、扩散泵口(12)、磁体线圈(13)、天线泵口(14)；***主要包括螺旋波放电室(3)、离子回旋加热室(7)和扩散室(11)，其中，螺旋波放电室(3)的一端设置有进气管道(1)，进气管道(1)与螺旋波放电室(3)连接处设置有进气密封(2)；螺旋波放电室(3)内设置有放电管(4)和螺旋波天线(5)；隔离板(6)连接天线侧分为螺旋波放电室(3)和离子回旋加热室(7)，离子回旋加热室(7)内设置有离子回旋天线(8)；扩散室(11)通过扩散隔板(9)、扩散密封(10)与螺旋波放电室(3)、离子回旋加热室(7)隔绝真空；扩散室(11)一侧设置有扩散泵口(12)；螺旋波放电室(3)和离子回旋加热室(7)外侧均环绕有磁体线圈(13)；螺旋波放电室(3)的一侧设置有天线泵口(14)。
2.根据权利要求1所述的一种螺旋波-离子回旋共振耦合放电***，其特征在于：等离子体激发、加热和扩散进行分段式结构。
3.根据权利要求1所述的一种螺旋波-离子回旋共振耦合放电***，其特征在于：螺旋波天线与离子回旋加热天线均置于真空环境。
4.根据权利要求2所述的一种螺旋波-离子回旋共振耦合放电***，其特征在于：通过螺旋波-离子回旋加热的高效耦合，实现脉冲或连续多模式放电。
5.根据权利要求1所述的一种螺旋波-离子回旋共振耦合放电***，其特征在于：等离子体扩散腔获得电子密度为1015-1019m-3，离子温度为0-100eV的等离子体。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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