[发明专利]一种螺旋波天线系统

说明书

本发明涉及一种螺旋波天线系统，包括绝缘管、绕设在绝缘管上的右旋天线、套设在右旋天线外的绝缘层以及套设在绝缘层外的屏蔽套筒，屏蔽套筒的一端呈封闭状且连接有进气管，绝缘管的一端与屏蔽套筒的一端抵接，进气管与所述绝缘管连通，屏蔽套筒的外周面上设置有屏蔽管。本发明具有更高的功率耦合效率，增强电离率，提高等离子体密度，采用水冷天线外加套陶瓷绝缘层，避免寄生放电、微弧放电，具有更好的效率和稳定性，为实现了大功率长时间螺旋波稳定运行提供了保证，为螺旋波等离子体工业应用提供技术支持，能方便应用于不同的真空系统，适用性相较于现有天线也有了极大的提升。

技术领域

本发明涉及一种螺旋波天线系统。

背景技术

随着当今半导体制造、材料表面改性、等离子体空间推进等前沿科技的迅猛发展，容性耦合等离子体（CCP）源、感应耦合等离子体（ICP）源等传统的低温等离子体源已经不能满足日益苛刻的技术要求。而螺旋波以其高密度、高效率、离子电子能量独立控制、远程处理、可调自偏压等突出优势，成为了当前先进低温等离子体源的研究热点之一。螺旋波是一种仅在有界磁化媒介中传播的右圆极化（RCP）的哨声波，其频率在电子回旋频率与离子回旋频率之间。可以这样简单阐述螺旋波等离子体的产生过程：在施加轴向的直流（DC）磁场的前提下，螺旋波等离子体产生于圆柱形的有界空间中。首先，反应气体被天线的静电电压弱电离，之后在磁场作用下，等离子体中将产生圆极化的螺旋波。波能量被耦合转移给等离子体中的粒子后，等离子体被进一步电离，最终获得高密度HWP（等离子体）。

传统的螺旋波等离子体源结构由3部分构成，如图1所示，包括放电室、射频天线、磁场线圈。放电室：通常为一段绝缘管（石英管或陶瓷管），绝缘管一端开口，另一端仅留一进气口。射频天线：通常为缠绕于放电室外表面的导体。磁场线圈：激发螺旋波所需的直流磁场由两个或好多个围绕放电室的螺线管产生。

作为将功率源能量传输给等离子体的媒介，天线是螺旋波等离子体源的核心和关键，一个设计合理的天线系统对能否产生稳定高效的螺旋波等离子体起关键作用。根据天线与真空室的空间位置关系，螺旋波等离子体源天线系统主要有两种不同形式：外置式和浸没式。外置式顾名思义就是天线置于真空外，由于天线不与真空室接触，能够较好的避免天线电极对真空内样品的污染，通常用于材料处理的螺旋波等离子体源常采用这种设计，由于螺旋波放电必须要一段绝缘管作为放电室，因此采用这种设计的等离子体源的真空腔体往往非常复杂，装置的适应性较弱；其次，由于天线外置于真空腔室，必须额外考虑天线屏蔽，这将大大增加螺旋波等离子体源的制造成本。最后，由于太空的真空环境限制，作为空间推进器的螺旋波等离子体源天线系统不可能采用外置式，所以，将整个天线都置于真空室内的浸没式天线系统适用性更广。

对于浸没式天线系统，我们希望高密度的等离子体仅仅产生在绝缘管内。然而，当天线浸没在真空室中，射频电场能够通过容性耦合在绝缘管外部产生寄生等离子体。这种寄生等离子体将会接触并溅射天线材料，导致天线材料沉积涂覆在系统元件上产生不良后果，比如，如果绝缘管被溅射沉积上天线材料，整个放电条件就会改变。此外，寄生放电对等离子体精确诊断研究也有极大危害，因为我们不清楚粒子究竟是来自螺旋波放电还是寄生放电。除了寄生放电外，有的研究表明当给浸没式的天线增加射频功率时可能会引起真空腔室内壁的打火现象，我们称之为微弧放电，微弧放电会扰动等离子体，影响螺旋波放电的稳态运行。最后，大功率下运行天线内电流较大，欧姆发热非常严重，由于天线浸没于真空，散热较为困难，如果天线温度持续升高，将会严重影响放电稳定性，严重的甚至会烧坏电极。这些问题如不解决，将严重影响我们在较大气体流量、较大射频功率范围内进行稳态长时间螺旋波放电。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供一种提高射频功率利用率、放电稳定性和等离子体密度的螺旋波天线系统。