[发明专利]一种基于等离子体发光强度检测的射频离子源保护装置

说明书

技术领域

本发明属于等离子体技术领域，更具体地，涉及一种基于等离子体发光强度检测的射频离子源保护装置。

背景技术

目前射频激发等离子体技术被广泛应用于离子源领域，射频功率通过电容耦合或者感应耦合方式馈入放电腔，在放电腔内部激发工作气体，产生等离子体，然后采用直流高压将带电粒子引出。由于一般情况下离子源的等效射频阻抗与射频功率源的输出阻抗不相等，因此需要在离子源负载上连接阻抗匹配器，进行阻抗变换，实现离子源负载与射频功率源的良好阻抗匹配。

一般而言，射频离子源在运行过程中先后经历两个阶段，第一个阶段是激发阶段，在这个阶段中放电腔内等离子体从无到有，然后达到稳定；第二个阶段是稳定运行阶段，在这个阶段放电腔内的等离子体浓度基本维持稳定。等离子体是导体，其浓度不同会影响射频离子源放电腔部位的电磁场位形，改变离子源的等效射频阻抗。在激发阶段，等离子体浓度变化较快，等效阻抗变化也较快，而射频功率源的输出阻抗是不变的，这就意味着只有阻抗匹配器的参数调节速度足够快，才可能在这个动态过程中始终维持良好的阻抗匹配。

通常采用的通过机械方式调节匹配器元件参数难以实现这种快速的跟踪调节，目前广泛采用的方案是：根据预估的稳定运行阶段负载阻抗，在离子源加载功率激发之前先设定匹配器元件参数，在运行过程中不再调节匹配器参数。该方案虽然在激发过程存在阻抗失配，但因激发过程通常在毫秒量级，时间较短，从而不致损害射频功率源。但是，当离子源系统出现异常导致等离子体激发不成功时，射频功率源将长时间处于严重的阻抗失配状态下，输出馈线上存在较高的反射功率，如果不能正确、及时地检测到该运行状态并采取保护措施，长时间运行就可能损坏射频功率源。另外，在不明原因的异常情况下长期运行也可能损害离子源的其它子系统，比如真空、直流引出高压电源。

为了避免以上情况的发生，通常采用定向耦合器实时检测反射功率大小，一旦反射功率超过保护阈值，立即关闭射频功率源。然而，该保护方案缺乏安全冗余，一旦定向耦合器的反射功率检测、保护出现故障，在高反射功率情况下不能及时关闭射频功率源，导致射频功率源损坏。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于等离子体发光强度检测的射频离子源保护装置，有效弥补了基于定向耦合器的检测与保护系统缺乏安全冗余的不足，实现了对强射频干扰、直流高压、低工作气压运行条件下射频离子源不透明放电腔内等离子体发光强度的远程监测，并根据检测结果决定是否采取相应的保护措施，增加了安全冗余，增强了系统的可靠性，为射频离子源提供了一种新的保护手段。

为实现上述目的，本发明提供了一种射频离子源保护装置，其特征在于，包括光纤准直镜、光纤过真空法兰、光纤适配器、第一石英光纤、光强比较器和联锁保护电路；所述光纤过真空法兰由穿过真空法兰的第二石英光纤构成，所述真空法兰用于使射频离子源放电腔实现真空密封；所述光纤准直镜固定在所述第二石英光纤的一端，用于收集射频离子源放电腔内的等离子体发光，所述第二石英光纤的另一端通过所述光纤适配器连接所述第一石英光纤的一端，所述第一石英光纤的另一端依次连接所述光强比较器和所述联锁保护电路；所述光强比较器用于根据所述光纤准直镜收集的光信号，判断等离子体的激发程度是否达到离子源稳态运行阶段的要求，所述联锁保护电路用于在离子源激发设定的时长后，等离子体的激发程度仍未达到离子源稳态运行阶段的要求时，切断射频功率源的主供电。

优选地，所述光强比较器包括依次连接的光电转换元件、滤波放大电路和电压比较电路；所述光电转换元件用于将所述光纤准直镜收集的光信号转换为电信号，所述滤波放大电路用于将电信号进行滤波并放大，得到与射频离子源放电腔内的等离子体发光强度对应的模拟电压信号，所述电压比较电路用于将模拟电压信号与设定的电压阈值比较，在模拟电压信号低于设定的电压阈值时，判定等离子体的激发程度未达到离子源稳态运行阶段的要求。

优选地，所述光强比较器为光谱仪；所述光谱仪用于接收所述光纤准直镜收集的光信号，由此得到发射光谱谱线，并将谱线的幅值与设定阈值比较，在谱线的幅值低于设定阈值时，判定等离子体的激发程度未达到离子源稳态运行阶段的要求。

优选地，在等离子体的激发程度达到离子源稳态运行阶段的要求时，所述光强比较器输出低电平；在等离子体的激发程度未达到离子源稳态运行阶段的要求时，所述光强比较器输出高电平。