[发明专利]一种同轴式双线圈射频驱动气体放电装置

说明书

本发明采用同轴式双线圈射频驱动气体放电方式，提供一种用于产生低温低压等离子体放电装置。本发明采用两个螺旋线圈与屏蔽层构成双线圈射频共振腔，激发气体导管中的气体产生等离子体放电。本发明内外两个螺线圈的参数不同，可以采用不同频率射频信号同时驱动等离子体放电，对电子能量与电子密度进行解耦独立控制，提高亚稳态原子激发效率。本发明有内、外两组螺旋线圈，在其中一个螺旋线圈失效时，另一个螺旋线圈可以单独工作驱动等离子体放电，有利于提高放电装置的可靠性与鲁棒性，减少拆装真空维护次数。

技术领域

本发明涉及一种同轴式双线圈射频驱动气体放电装置，用于产生低温低压气体等离子体放电，通过电子碰撞激发产生亚稳态原子束流，可用于精密光谱测量、原子光刻、原子频标等研究和应用领域。

背景技术

高强度、高准直度的亚稳态原子束流在原子光刻、原子光学、原子碰撞、原子频标、精密光谱测量、痕量分析、玻色-爱因斯坦凝聚等诸多领域有重要用途。许多物理过程和应用只能通过高强度的原子束流实现。因此如何产生高强度的亚稳态原子束流就成为一个非常重要的技术问题。

通常可采用直流或射频气体放电的方式激发产生亚稳态原子束流。相比于直流放电方式，射频放电方式没有电极暴露在气体中，对工作环境没有污染，因而成为一种应用更广泛的激发方式。螺旋射频共振腔可以在相对较小的空间内产生品质因数比较高的射频共振系统，并且在低气压条件下也可以产生自持的低温等离子体放电，适合真空环境下气体放电应用。该共振腔采用螺线圈和屏蔽层组成，螺线圈由铜导线绕制，屏蔽层采用导电性能良好的导体材料制成，屏蔽层套装在螺线圈外面，射频信号通过线圈第一匝连接进共振腔实现阻抗匹配与功率耦合。该结构可以在200Pa以下的气压条件下实现稳定放电，激发产生所需要的亚稳态原子束流。

上述结构存在如下问题：现有螺旋共振腔射频气体放电装置采用单螺旋线圈，由基频射频信号驱动时激发效率较低，由三倍频射频信号驱动时激发效率是基频驱动时的2倍，因此通常采用三倍频驱动等离子体放电，但是三倍频工作存在放电启动困难、线圈共振特性下降快，放电不稳定等问题，需要不定期拆装真空系统进行放电系统维护，影响系统的可靠运行。

发明内容

本发明的同轴式双线圈射频驱动气体放电装置，包括超高真空双面密封法兰和安装在超高真空双面密封法兰上的气体导管，以及屏蔽层定位盖环、屏蔽层，气体导管、屏蔽层与超高真空双面密封法兰三者的轴线重合，并与超高真空双面密封法兰平面垂直；其中，在所述的气体导管外部由内向外以同轴方式依次设置有内螺旋线圈、绝缘定位管和外螺旋线圈；在内螺旋线圈的一端设置有内螺旋线圈接地端，在其紧邻该内螺旋线圈接地端的第一匝上设置有内螺旋线圈射频接入端，在外螺旋线圈的一端设置有外螺旋线圈接地端，在其紧邻该外螺旋线圈接地端的第一匝上设置有外螺旋线圈射频接入端；所述内螺旋线圈接地端、外螺旋线圈接地端均与屏蔽层采用焊接方式连接并接地；内螺旋线圈射频接入端和外螺旋线圈射频接入端均穿过屏蔽层，并分别与设置在超高真空双面密封法兰上的内螺旋线圈射频信号输入端、外螺旋线圈射频信号输入端连接，内螺旋线圈射频接入端和外螺旋线圈射频接入端与屏蔽层之间均为电气绝缘。

为了提高原子束流的准直度，在超高真空双面密封法兰朝向屏蔽层的一侧，同轴安装有气体导管压环，在气体导管压环和超高真空双面密封法兰中间利用○型圈进行密封；气体导管压环的内径与气体导管的外径相等，气体导管穿过气体导管压环。

所述的内螺旋线圈和外螺旋线圈的线圈匝数相同，或者所述的内螺旋线圈的线圈匝数少于外螺旋线圈的线圈匝数。

本发明与现有技术相比所具有的优点如下：