[发明专利]一种射频放电装置及空芯光纤射频放电系统

说明书

技术领域

本发明属于气体放电技术领域，更具体地，涉及一种射频放电装置及空芯光纤射频放电系统。

背景技术

空芯光纤凭借其独特的导光机制，在远距离传输和曲径传输等方面有着优异的表现。天生的结构优势和损耗表现使空芯光纤成为各项研究的热点。针对空芯光纤的气体放电技术研究，在气相沉积和气体激光等领域有着极大的应用前景。

气体放电主要原理是将电场施加于气体，使气体中的电子在外加电场的作用下获得较大的速度，并在运动过程中与其他中性粒子或带电粒子发生碰撞，从而进行能量传递和分化。从施加电场的方式，可将气体放电分为直流放电或者交流放电。

直流放电采用高压直流电源驱动。二次电子激发是直流击穿和维持放电的重要机制，其中最为主要的是正离子激发电子的过程，即电子碰撞产生的正离子，在电场力驱使下轰击阴极，致使冷阴极发射电子的过程。不同于高效的热激发，二次电子激发产生的电子仅能维持较小的电流密度，因此直流放电的击穿和维持电压均较高，且阴极的溅射效果较明显，对电极有一定程度的损害。

交流放电，尤其是高频放电，采用高频交变电源驱动。电子在交变的电场作用下来回振荡，其与气体粒子碰撞的次数和电离能力较直流放电时有明显增强。碰撞过程产生的新电子完全足以维持放电，与电极直接相关的二次电子激发过程不再起关键作用，所以在高频放电中，电极可以移至放点区域之外，甚至是无电极，结构形式多样。气体击穿和维持放电所需要的电压幅度也因电子的高频振荡而相较直流放电时小。上述的优势使高频放电激励成为气体放电的重要激励技术之一。

当前，在气相沉积领域，对空芯光纤的内层覆膜技术已经成功拓展到了50微米的尺度。其中，放电方式为高频放电，微电极等间距地缠绕于空芯光纤外部以产生交变的纵向电场。电源输出的频率为5千赫兹，电压为5千伏。可见，放电维持的电压仍有进一步降低的空间，且因空芯光纤与电极的设置方式，实际覆膜的距离与装置的尺寸直接相关，难以兼顾覆膜距离和装置小型化。

在空芯光纤的气体激光领域，对空芯光纤中气体的光激励技术，在中红外波段已获得实质性进展：因乙炔对1.5微米波段的吸收效应，通过脉宽为5纳秒，波长为1.5微米的光脉冲对充入空芯光纤中的气压为数托的乙炔气体进行泵浦，研究人员成功获得了3.12微米和3.16微米的激光。吸收谱与乙炔相似的氰化氢也可以通过该泵浦方式获得中红外激光。而对于短波长的电激励，如氦氖气体，因放电在微小尺度下难以形成和维持，以及损耗的限制，放电管的管径仍较大。且传统的气体激光射频激励装置中，其电极的典型形状为板条状，为了使放电距离较长，电极的实际尺寸也需要相应增加，不利于小型化。因此，充当放电腔体的空芯光纤的芯径仍有进一步收缩的空间，放电特征距离也有待进一步增加。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种空芯光纤射频放电系统，旨在解决现有技术中放电装置紧凑性不足、激励效率偏低的问题。

本发明提供了一种射频放电装置，包括：射频电源，用于输出射频功率；匹配网络，输入端与所述射频电源连接，用于实现射频功率的无相移传输；电极，包括内电极和外电极，所述内电极与所述外电极均为空芯圆柱体金属电极，所述内电极的外径小于所述外电极的内径；所述内电极位于所述外电极的内部，所述内电极与所述匹配网络的输出端正极连接，所述外电极与所述匹配网络的输出端地极连接后接地；以及空芯光纤，缠绕于所述内电极的外表面，所述空芯光纤的两端分别与所述气配装置连接；工作时，射频电源在内电极和外电极之间产生交变电场，交变电场驱动空芯光纤中的气体所含的电子往复运动，电子在运动过程中与其它粒子碰撞产生放电等离子体。

更进一步地，所述射频放电装置还包括与所述匹配网络的输出端地极连接的金属屏蔽罩，罩住匹配网络、内电极、外电极以及空芯光纤，用于屏蔽射频辐射。

更进一步地，根据空芯光纤的外径调整所述内电极与所述外电极的直径。

更进一步地，所述电极还包括位于所述内电极两端的出水口和入水口。

更进一步地，匹配网络与射频电源之间通过同轴线缆连接；匹配网络与电极之间通过铜带连接。

更进一步地，所述匹配网络包括：电感、第一可调电容和第二可调电容；电感的一端与所述射频电源连接，另一端与内电极连接；第一可调电容的一端与所述电感的一端连接，第一可调电容的另一端接地；第二可调电容的一端与所述电感的另一端连接，第二可调电容的另一端接地。