[發明專利]用于產生等離子體的表面波施加器

有效

• 申請號: 201380036340.3
• 申請日: 2013-07-10
• 公開（公告）號: CN104782235B
• 公開（公告）日: 2017-03-08
• 發明（設計）人: A·拉科斯特;J·佩爾蒂埃
• 申請（專利權）人: 約瑟夫福理埃大學-格勒諾布爾1;J·佩爾蒂埃
• 主分類號: H05H1/46
• 分類號: H05H1/46
• 代理公司: 北京派特恩知識產權代理有限公司11270
• 代理人: 歸瑩,張穎玲

技術領域

本發明涉及一種用于產生等離子體的表面波施加器，以及用于產生表面波等離子體的設備和方法。

背景技術

表面波等離子體是一種高頻等離子體(HF，也就是頻率介于1MHz或以下至大于10GHz之間[1])，其中，等離子體由沿著與等離子體接觸的介電管傳播的電磁波(特別是射頻或微波)來維持。

M.Moisan等人的文章[2]提供了該領域中的參考書目的深度回顧。

根據情況的不同，等離子體能夠生成于介電管的外部或內部，又或者介電管的內部和外部。

在該技術中，等離子體和介電管構成了沿著傳播區域生成等離子體的微波的傳播介質。

電磁微波場被稱為表面場，因為場的強度在介電管和等離子體之間的界面處最大。

通常情況下，表面波等離子體產生于沒有靜磁場的情況下，除非是在低壓下，此時可施加軸向磁場(即在介電管的方向上)以提高對等離子體的徑向限制和/或在電子回旋共振中產生等離子體的激發。

通常情況下，如圖1中所示意性地示出的，生成自發射間隙場施加器的表面電磁波在介電管中產生表面波等離子體。

圖1示出了包含等離子體4的介電管3的一半的剖視圖。

軸線X是管3的回轉軸線。

管的周圍布置有導電的元件2a、2b，在此配置中，元件2a、2b具有與介電管3分別平行和垂直的主表面。

而且，元件2a和2b遠離間隙G，間隙G的寬度大約為幾毫米。

表面電磁波W生成于間隙G。

在導電元件2a和2b的表面處，電場僅僅具有徑向分量。也就是說，在圖1中所示的情況下，電場垂直于導電元件2a的表面以及導電元件2b的厚度。

電磁波W因而沿垂直于間隙的方向并且在間隙G的軸線(垂直于介電管1的軸線X)兩側大體對稱地(波W1和W2)傳播。

允許在介電管中發射表面電磁波的各種設備或施加器已經被提出。

在這些設備中，介電管穿過箱體(施加器則被稱為“同軸型表面波等離子體發生器(surfatron)”)或波導管(施加器則被稱為“波導型表面波等離子體發生器(surfaguide)”)，波導管允許將微波電場施加到介電管，微波電場能夠沿著該微波電場產生的等離子體傳播。

圖2A示出了同軸型表面波等離子體發生器的示例；圖2B示出了波導型表面波等離子體發生器的示例。這兩個圖來自[3]。

圖2A的同軸型表面波等離子體發生器是由導電壁2b封閉的圓柱形箱體。

垂直于導電壁2b的介電管3在整個長度上都具有軸向導電條2a。

介電管3位于圓柱形箱體內部，在介電管3的末端和導電壁2a之間設置有間隙G。

電磁功率的引入由附圖標記P示意性示出。

圖2B的波導型表面波等離子體發生器包括波導管GO，介電管3垂直穿過波導管GO，在波導管的壁和介電管之間設置有發射間隙G。

可以發射方位對稱的表面波(模m＝0)的這些設備中的大多數或者具有其自身的阻抗匹配裝置(如在同軸型表面波等離子體發生器的情況下)，又或者具有獨立的裝置(如在波導型表面波等離子體發生器的情況下)。

如圖1中所示，最常見的情況是，表面波關于間隙對稱。

圖3示出了等離子體4的電場指向介電管3的外部(介質A例如由空氣或電介質組成)的徑向和軸向分量隨著徑向方向上從介電管3的軸線Z開始的距離r的變化。

縱軸示出了以相對單位表示的電磁波的電分量的強度。

從圖3中看到，電磁波的電分量的軸向分量(虛線)從等離子體4到外部介質A是連續的，而電場的徑向分量(實線)在介電管3處具有相當大的不連續性。

然而，當前設備具有一定的不足。

首先，大多數表面波施加器(也被稱為發射器)的設計和制造非常復雜，由此造成相當高的成本。

另一方面，正如在圖2A和2B中能夠看到的，全部的這些施加器與通常使用的介電管的直徑(通常在一厘米左右)相比具有相當大的體積。

該體積是非常不利的，特別是在考慮到多處放電的情況下。

這些設備的阻抗匹配系統也昂貴且體積巨大。

而且，在大多數施加器中，在沒有諸如反射器之類的附屬設備時。(由上游波和下游波)在發射間隙的兩側產生等離子體。

然而，通常情況下希望在這兩個方向中的僅一個方向上產生等離子體，這在許多情況下導致了功率損失(因數達到2)并因而導致非常不利的能量平衡。