一种容性耦合等离子体诊断装置及诊断方法

摘要

本发明公开了一种容性耦合等离子体诊断装置及诊断方法，包括电源单元、电流电压数据采集单元、放电单元和气道；放电单元包括置于气道两侧的放电电极，电源单元为电极供电，电流电压数据采集单元检测电极的电流与电压；电流电压数据采集单元包括示波器，通过电流环和高压探头检测；电源单元包括带匹配器的射频电源；气道为玻璃腔体，电极分别紧贴玻璃腔体的两侧。整个放电单元除了放电电极为导电金属，其它部件均为绝缘介质，避免了其它金属对放电等离子体的干扰，且该装置可直接运用于非侵入式诊断方法；其结构简单，各部件相对独立，使用方便，改良部件优化放电效果便捷，制作维护成本低，大大提升了使用寿命，具有很强的实用性和广泛的适用性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种诊断装置及诊断方法，具体涉及一种容性耦合等离子体诊断装置及诊断方法。

背景技术

射频容性耦合放电是指在中间隔着空气间隙的两块平行电极上施加电压，使得空气间隙内的气体击穿形成大量的电子、离子和中性粒子，这三种粒子通过随机运动形成粒子集合，这种集合宏观上构成了等离子体。射频容性耦合等离子体广泛地应用于微电子工业生产、半导体芯片刻蚀和薄膜工艺、航空隐身技术、生物医学以及环境等领域。

由于射频容性耦合放电在平行且对称的电极间隙中能产生均匀的等离子体，因此容性耦合放电等离子体在等离子体刻烛、薄膜沉积以及离子注入等半导体工业生产环节中得到了广泛的使用。

由于射频容性耦合放电可以产生大量带电及活性粒子且具有较低温度，因此，容性耦合放电等离子体在生物医学、固液气废物处理等领域具有广泛的应用价值。

电磁波传播通过等离子体时会被反射和吸收，并产生严重的随机相移，甚至造成通讯传输中断。由于射频容性耦合等离子体电子密度和电子温度等物理状态与飞行器隐身和“黑障”现象等离子体物理状态相接近，因此容性耦合放电等离子体在航空航天领域有重要的研究价值。

但是现有的容性耦合等离子体诊断装置存在以下缺点：装置复杂，放电电极受金属腔体干扰较大，微波法、激光干涉法、光谱法等诊断手段受到放电腔体的限制较大，诊断时不能对放电状态进行实时的监测与观察。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种简单无干扰、可实时监测且适用于多种诊断手段的容性耦合等离子体诊断装置及诊断方法。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种容性耦合等离子体诊断装置，包括电源单元、电流电压数据采集单元、放电单元和气道；所述放电单元包括置于气道两侧的放电电极，电源单元为电极供电，电流电压数据采集单元检测电极的电流与电压；

所述电流电压数据采集单元包括示波器，通过电流环和高压探头检测；

所述电源单元包括带匹配器的射频电源；

所述气道为玻璃腔体，电极分别紧贴玻璃腔体的两侧。

上述的诊断装置还包括水冷单元，通过水管分别为射频单元、匹配器和电极制冷的水冷机。

上述电极分别通过玻璃介质紧贴玻璃腔体的两侧。

上述气道设有气道控制单元，包括接气道进气口的气瓶，和接气道排气口的真空泵。

进一步的，上述排气口设有气压微调阀和真空计。

上述射频电源的输出频率为13.56MHz，输出功率为1～2000W；电极的尺寸为10cm×10cm×3cm，间距5～15cm。

上述气道的气压为50～5000Pa。

上述的一种容性耦合等离子体诊断装置的电极的制作方法，包括以下步骤：

A1、在平板电极的底面钻出两个对称的圆形孔洞；

A2、在平板电极的侧面钻出一个连通两个圆形的方形孔洞(冷凝腔)后，用金属塞焊封方形孔洞(冷凝腔)口；

A3、将有相同直径圆形孔洞的螺纹金属管，分别与平板电极的圆形孔洞对焊；制成带冷凝腔的电极。

一种容性耦合等离子体的诊断方法，包括以下步骤：

B1、打开真空计、真空泵和微调阀，将气道内的气压抽至极限气压后，打开气瓶，往气道中通入高纯度惰性气体；

B2、重复多次步骤B1后，往气道中充入气体，达到工作气压值；

B3、打开射频电源与匹配器，在放电电极上施加电压，产生放电等离子体；

B4、通过示波器、高压探头和电流环测量放电时电极上的电流、电压值，并观察放电波形状态；

B5、通过改变电极尺寸和电极间距，研究等离子体放电状态；

B6、通过研究不同形状和大小的放电电极时等离子体的放电状态，研究等离子体放电状态；

B7、通过调节射频电源的功率大小，改变电极两端的电压；通过调节微调阀，改变充入气道内的气压；研究不同功率、气压条件下所产生等离子体的放电状态。

上述放电单元和气道通过支架稳固于底座上。

本发明的有益之处在于：

本发明的一种容性耦合等离子体诊断装置及诊断方法：

电源单元，主要有射频电源和射频匹配器，射频电源为装置中的平板电极供电，射频电源匹配器使得射频电源输出的功率尽可能加到负载两端，避免产生过大的反射功率。

气道和气道控制单元，采用真空泵对放电腔体进行抽气，采用真空计与微调阀对充入腔体中的惰性气体进行测量和控制。

放电单元，放电电极为中空的紫铜电极，便于放电电极的均匀水冷，采用玻璃介质阻挡放电电极，并且长方体石英玻璃腔体与玻璃介质紧密贴合，保持了放电电极的对称性，且放电电极放置在玻璃腔体外部，增加了各个放电单元的独立性，使得各个单元的替换成本大大减小，玻璃腔体接口减少，可以更好的控制腔体内的气体压强。

水冷单元，是采用水冷机对射频电源，射频电源匹配器，中空紫铜电极进行水冷，可以使得放电装置进行长时间工作，并且放电状态变化不大。

电流电压数据采集单元，主要有示波器、电流环、高压探头，高压探头和电流环采集放电电极两端电压与电流，通过示波器观察实时的放电波形与相位，对等离子体电子放电状态进行实时的控制与分析，可对等离子体电子放电状态和均匀性进行初步的判断；更加方便、实用、准确的对等离子体进行诊断；产生的均匀等离子体，可通过光谱仪、激光干涉系统、微波诊断系统等多种诊断手段对等离子体放电状态进行诊断，有效的提高等离子体在工业生产、航空技术、环境改善等领域的运用质量和效率。

本发明的一种容性耦合等离子体诊断装置及诊断方法，整个放电单元除了放电电极为导电金属，其它部件均为绝缘介质，有效避免了其它金属对放电等离子体的干扰，且该装置可直接运用于非侵入式诊断方法；其结构简单，各部件相对独立，使用方便，改良部件优化放电效果便捷，制作维护成本低，大大提升了使用寿命，具有很强的实用性和广泛的适用性。

附图说明

图1为本发明的一种容性耦合等离子体诊断装置的结构示意图。

图2为本发明的放电电极的结构示意图。

附图中标记的含义如下：1、射频电源，2、匹配器，3、示波器，4、高压探头，5、电流环，6、导线，7、支架，8、放电电极，9、玻璃介质，10、玻璃腔体，11、底座，12、气瓶，13、真空计，14、真空泵，15、三通阀门，16、微调阀，17、气管，18、水冷机，19、水管，20、进气口，21、排气口，81、平板电极，82、冷凝腔，83、金属管，84、圆形孔洞。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

一种容性耦合等离子体诊断装置，包括射频电源1、射频电源1匹配器2、示波器3、高压探头4、电流环5、导线6、固定支架7、放电电极8、玻璃介质9、玻璃腔体10、圆形底座11、气瓶12、真空计13、真空泵14、三通阀门15、微调阀16、气管17、水冷机18、水管19、充气口、排气口21。

串接的射频电源1和射频电源1匹配器2通过导线6为放电电极8供电。

示波器3通过高压探头4、电流环5与放电电极8相连。

水冷机18通过水管19分别与射频电源1、射频电源1匹配器2、放电电极8相连。

玻璃腔体10通过固定支架7固定在底座11上，放电电极8、玻璃介质9直接固定在底座11上。

三通阀门15通过气管17分别与玻璃腔体10、真空计13、真空泵14相连，气瓶12通过气管17与玻璃腔体10相连。

放电电极8、玻璃介质9对称分布在玻璃腔体10两侧且与玻璃腔体10紧密贴合。

实验开始前，打开控温在5℃的水冷机18对射频电源1、射频电源1匹配器2和放电电极8进行水冷，打开ZDM-1-10型电容真空计13、VRD-16型的真空泵14和微调阀16，先将玻璃腔体10(气道)内的气压抽至极限气压1Pa，然后打开氩气瓶12在玻璃腔体10中通入99.999％高纯度氩气体，重复多次洗气后，在玻璃腔体10充入工作时所需设定的气压值50～5000Pa。

打开输出频率为13.56MHz，输出功率为100～400W的RSG-2000型射频电源1与PSG-ⅢA射频电源1匹配器2，在尺寸均为10cm×10cm×3cm，彼此间距为10cm的放电电极8上施加电压，此时玻璃腔体10中会产生均匀放电的等离子体，通过带宽为100MHz的TBS-1102B型示波器3、P6039A型高压探头4和PT7802型电流环5测量出放电时电极上电流的大小为4.38～7.50A，电压大小为192.40～392.50V，利用等效阻抗方程和能量平衡方程计算出等离子体电子密度1.16×10¹⁷～3.88×10¹⁷m^-3。

且通过观察，当正弦变化的电压驱动导致一个近似余弦变化的电流波形时，可以近似认为对称的鞘层-等离子体-鞘层是一个线性系统，此时等离子体放电较为均匀；当电流波形出现失真时，可以初步判断出等离子体放电不均匀。

其中，

放电单元由中空放电电极8、玻璃介质9、玻璃腔体10组成；把放电电极8内部挖空，不改变电极外部形状，保持了平板电极81良好的对称性，利用水冷机18对放电电极8进行水冷，可以使得电极进行长时间工作，并且放电状态不会因为电极过热而发生改变；极板上附着玻璃介质9，可以起到对石英腔体进行预热的效果，避免玻璃腔体10温度突然升高，使得腔体炸裂，且有利于扩大等离子体均匀性；该放电单元优势为放电电极8置于玻璃腔体10外部，不受其他金属的干扰，等离子体放电状态较为纯净。

放电电极8下方为中空的螺纹金属管83，利用上下螺帽卡住传输线的导电环，使的传输线和导电环良好接触，并且增加接触端的面积，保证射频电源1输出功率全部馈入到放电电极8中。

放电单元在不改变玻璃腔体10的情况下，放电电极8可以用其它形状或大小的电极更换，延长了放电腔体的使用寿命；通过研究不同形状等离子体的放电状态，寻求出最优等离子体放电状态时，电极的形状和大小，推进等离子体在各领域的装置的改进。

通过调节射频电源1功率的大小，改变电极两端的电压；通过调节微调阀16，改变充入玻璃腔体10内气压；研究不同功率、气压条件下所产生等离子体的放电状态，这样在其它条件不变的情况下，可得到放电状态下最优的放电参数，有利于等离子体在工业领域的运用。通过实验表明，在极板间距为10cm时，气压为300Pa，功率为800W时，等离子体电子密度较高且放电均匀性较好。

放电腔体为石英玻璃腔体10，腔体的接口只有两端的进气口20和排气口21，两接口都设计为圆锥形，便于气管17与腔体的紧密相连。排气口21是利用真空泵14把腔体中的气压抽到极限气压；进气口20是通过调节微调阀16在腔体充入固定压强的气体。放电腔体接口少，有利于对腔体真空度的控制，由于玻璃腔体10光学性能良好，且无其它放电干扰，因此可以直接运用于微波法、激光干涉法、光谱法等非侵入式诊断方法的研究。

电流电压数据采集单元主要通过测量电流、电压的大小，观察放电波形是否失真，对等离子体电子密度和等离子体放电的均匀性进行实时初步的判断。结合等离子体其它诊断手段，更加精准的分析等离子体内部物理状态。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。