[发明专利]用于产生等离子体的表面波施加器

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于产生等离子体的表面波施加器，以及用于产生表面波等离子体的设备和方法。

背景技术

表面波等离子体是一种高频等离子体(HF，也就是频率介于1MHz或以下至大于10GHz之间[1])，其中，等离子体由沿着与等离子体接触的介电管传播的电磁波(特别是射频或微波)来维持。

M.Moisan等人的文章[2]提供了该领域中的参考书目的深度回顾。

根据情况的不同，等离子体能够生成于介电管的外部或内部，又或者介电管的内部和外部。

在该技术中，等离子体和介电管构成了沿着传播区域生成等离子体的微波的传播介质。

电磁微波场被称为表面场，因为场的强度在介电管和等离子体之间的界面处最大。

通常情况下，表面波等离子体产生于没有静磁场的情况下，除非是在低压下，此时可施加轴向磁场(即在介电管的方向上)以提高对等离子体的径向限制和/或在电子回旋共振中产生等离子体的激发。

通常情况下，如图1中所示意性地示出的，生成自发射间隙场施加器的表面电磁波在介电管中产生表面波等离子体。

图1示出了包含等离子体4的介电管3的一半的剖视图。

轴线X是管3的回转轴线。

管的周围布置有导电的元件2a、2b，在此配置中，元件2a、2b具有与介电管3分别平行和垂直的主表面。

而且，元件2a和2b远离间隙G，间隙G的宽度大约为几毫米。

表面电磁波W生成于间隙G。

在导电元件2a和2b的表面处，电场仅仅具有径向分量。也就是说，在图1中所示的情况下，电场垂直于导电元件2a的表面以及导电元件2b的厚度。

电磁波W因而沿垂直于间隙的方向并且在间隙G的轴线(垂直于介电管1的轴线X)两侧大体对称地(波W1和W2)传播。

允许在介电管中发射表面电磁波的各种设备或施加器已经被提出。

在这些设备中，介电管穿过箱体(施加器则被称为“同轴型表面波等离子体发生器(surfatron)”)或波导管(施加器则被称为“波导型表面波等离子体发生器(surfaguide)”)，波导管允许将微波电场施加到介电管，微波电场能够沿着该微波电场产生的等离子体传播。

图2A示出了同轴型表面波等离子体发生器的示例；图2B示出了波导型表面波等离子体发生器的示例。这两个图来自[3]。

图2A的同轴型表面波等离子体发生器是由导电壁2b封闭的圆柱形箱体。

垂直于导电壁2b的介电管3在整个长度上都具有轴向导电条2a。

介电管3位于圆柱形箱体内部，在介电管3的末端和导电壁2a之间设置有间隙G。

电磁功率的引入由附图标记P示意性示出。

图2B的波导型表面波等离子体发生器包括波导管GO，介电管3垂直穿过波导管GO，在波导管的壁和介电管之间设置有发射间隙G。

可以发射方位对称的表面波(模m＝0)的这些设备中的大多数或者具有其自身的阻抗匹配装置(如在同轴型表面波等离子体发生器的情况下)，又或者具有独立的装置(如在波导型表面波等离子体发生器的情况下)。

如图1中所示，最常见的情况是，表面波关于间隙对称。

图3示出了等离子体4的电场指向介电管3的外部(介质A例如由空气或电介质组成)的径向和轴向分量随着径向方向上从介电管3的轴线Z开始的距离r的变化。

纵轴示出了以相对单位表示的电磁波的电分量的强度。

从图3中看到，电磁波的电分量的轴向分量(虚线)从等离子体4到外部介质A是连续的，而电场的径向分量(实线)在介电管3处具有相当大的不连续性。

然而，当前设备具有一定的不足。

首先，大多数表面波施加器(也被称为发射器)的设计和制造非常复杂，由此造成相当高的成本。

另一方面，正如在图2A和2B中能够看到的，全部的这些施加器与通常使用的介电管的直径(通常在一厘米左右)相比具有相当大的体积。

该体积是非常不利的，特别是在考虑到多处放电的情况下。

这些设备的阻抗匹配系统也昂贵且体积巨大。

而且，在大多数施加器中，在没有诸如反射器之类的附属设备时。(由上游波和下游波)在发射间隙的两侧产生等离子体。

然而，通常情况下希望在这两个方向中的仅一个方向上产生等离子体，这在许多情况下导致了功率损失(因数达到2)并因而导致非常不利的能量平衡。