[發明專利]一種螺旋波天線系統

有效

• 申請號: 201510554010.4
• 申請日: 2015-09-02
• 公開（公告）號: CN105226374B
• 公開（公告）日: 2018-06-08
• 發明（設計）人: 吳雪梅;黃天源;金成剛;於俊;諸葛蘭劍
• 申請（專利權）人: 蘇州大學
• 主分類號: H01Q1/22
• 分類號: H01Q1/22;H05H1/26
• 代理公司: 南京縱橫知識產權代理有限公司 32224
• 代理人: 董建林

本發明涉及一種螺旋波天線系統，包括絕緣管、繞設在絕緣管上的右旋天線、套設在右旋天線外的絕緣層以及套設在絕緣層外的屏蔽套筒，屏蔽套筒的一端呈封閉狀且連接有進氣管，絕緣管的一端與屏蔽套筒的一端抵接，進氣管與所述絕緣管連通，屏蔽套筒的外周面上設置有屏蔽管。本發明具有更高的功率耦合效率，增強電離率，提高等離子體密度，采用水冷天線外加套陶瓷絕緣層，避免寄生放電、微弧放電，具有更好的效率和穩定性，為實現了大功率長時間螺旋波穩定運行提供了保證，為螺旋波等離子體工業應用提供技術支持，能方便應用于不同的真空系統，適用性相較于現有天線也有了極大的提升。

技術領域

本發明涉及一種螺旋波天線系統。

背景技術

隨著當今半導體制造、材料表面改性、等離子體空間推進等前沿科技的迅猛發展，容性耦合等離子體（CCP）源、感應耦合等離子體（ICP）源等傳統的低溫等離子體源已經不能滿足日益苛刻的技術要求。而螺旋波以其高密度、高效率、離子電子能量獨立控制、遠程處理、可調自偏壓等突出優勢，成為了當前先進低溫等離子體源的研究熱點之一。螺旋波是一種僅在有界磁化媒介中傳播的右圓極化（RCP）的哨聲波，其頻率在電子回旋頻率與離子回旋頻率之間。可以這樣簡單闡述螺旋波等離子體的產生過程：在施加軸向的直流（DC）磁場的前提下，螺旋波等離子體產生于圓柱形的有界空間中。首先，反應氣體被天線的靜電電壓弱電離，之后在磁場作用下，等離子體中將產生圓極化的螺旋波。波能量被耦合轉移給等離子體中的粒子后，等離子體被進一步電離，最終獲得高密度HWP（等離子體）。

傳統的螺旋波等離子體源結構由3部分構成，如圖1所示，包括放電室、射頻天線、磁場線圈。放電室：通常為一段絕緣管（石英管或陶瓷管），絕緣管一端開口，另一端僅留一進氣口。射頻天線：通常為纏繞于放電室外表面的導體。磁場線圈：激發螺旋波所需的直流磁場由兩個或好多個圍繞放電室的螺線管產生。

作為將功率源能量傳輸給等離子體的媒介，天線是螺旋波等離子體源的核心和關鍵，一個設計合理的天線系統對能否產生穩定高效的螺旋波等離子體起關鍵作用。根據天線與真空室的空間位置關系，螺旋波等離子體源天線系統主要有兩種不同形式：外置式和浸沒式。外置式顧名思義就是天線置于真空外，由于天線不與真空室接觸，能夠較好的避免天線電極對真空內樣品的污染，通常用于材料處理的螺旋波等離子體源常采用這種設計，由于螺旋波放電必須要一段絕緣管作為放電室，因此采用這種設計的等離子體源的真空腔體往往非常復雜，裝置的適應性較弱；其次，由于天線外置于真空腔室，必須額外考慮天線屏蔽，這將大大增加螺旋波等離子體源的制造成本。最后，由于太空的真空環境限制，作為空間推進器的螺旋波等離子體源天線系統不可能采用外置式，所以，將整個天線都置于真空室內的浸沒式天線系統適用性更廣。

對于浸沒式天線系統，我們希望高密度的等離子體僅僅產生在絕緣管內。然而，當天線浸沒在真空室中，射頻電場能夠通過容性耦合在絕緣管外部產生寄生等離子體。這種寄生等離子體將會接觸并濺射天線材料，導致天線材料沉積涂覆在系統元件上產生不良后果，比如，如果絕緣管被濺射沉積上天線材料，整個放電條件就會改變。此外，寄生放電對等離子體精確診斷研究也有極大危害，因為我們不清楚粒子究竟是來自螺旋波放電還是寄生放電。除了寄生放電外，有的研究表明當給浸沒式的天線增加射頻功率時可能會引起真空腔室內壁的打火現象，我們稱之為微弧放電，微弧放電會擾動等離子體，影響螺旋波放電的穩態運行。最后，大功率下運行天線內電流較大，歐姆發熱非常嚴重，由于天線浸沒于真空，散熱較為困難，如果天線溫度持續升高，將會嚴重影響放電穩定性，嚴重的甚至會燒壞電極。這些問題如不解決，將嚴重影響我們在較大氣體流量、較大射頻功率范圍內進行穩態長時間螺旋波放電。

發明內容

本發明克服了現有技術的不足，提供一種提高射頻功率利用率、放電穩定性和等離子體密度的螺旋波天線系統。