[发明专利]一种动态高等离子体电子密度产生装置

说明书

本发明公开了一种动态高等离子体电子密度产生装置，包括：等离子体放电腔体、放电系统、稳态磁场发生器、真空系统和冷却系统，等离子体放电腔体上壁以及中空结构放电线圈连接冷却系统，下壁通往腔室连接真空系统，稳态磁场发生器放置于等离子体放电腔体外侧周围。本申请提出的一种动态高等离子体电子密度产生装置，动态波形发生器通过射频电源向中空结构放电线圈施加高压调幅信号，流经线圈的电流会在腔体内部产生交变磁场，在稳态磁场发生器的作用下感应产生更加强烈的射频电场，此射频电场会进一步击穿气体，随后激发产生高电子密度等离子体。

技术领域

本发明涉及等离子体技术领域，特别涉及一种动态高等离子体电子密度产生装置。

背景技术

高超音声速飞行器在参与临近空间中的飞行活动时会与外部大气层发生剧烈摩擦并在其外部表层产生一种包覆的特殊物质——“等离子鞘套”，此物质可能会使飞行器信息通信和飞行探测信号产生严重程度的畸变，导致信息系统特性及其物理特性发生一定程度上的改变，甚至可能会直接导致信息通信“黑障”等问题。因此需要在地面再现真实临近空间等离子体实验环境。

目前，常见的可用于产生等离子体的等离子体源主要分为三种：

第一种是射频容性耦合等离子体源(Capacitively Coupled Plasma，CCP)，CCP放电装置类似于平行板电容器，需要在两个电极之间施加很高的射频电压维持放电。通常情况下，射频电源通过匹配网络耦合到放电装置的高压端，装置的低压端则直接接地。但是CCP源不能对等离子体密度和入射到晶片上的离子能量进行独立控制，因此放电产生的等离子体密度较低。

第二种是微波电子回旋共振等离子体源，通过给微波放电系统施加一个合适稳定的磁场，使得放电腔室中的某个区域内电子的回旋频率等于微波源的频率或是微波源频率的整数倍，此时，作回旋运动的电子和电磁波之间发生共振相互作用，称之为电子回旋共振，微波的能量通过无碰撞加热机制被电子吸收从而得到足够高的能量，周围的气体被电离产生等离子体。

第三种是射频感性耦合等离子体源(Inductively Coupled Plasma，ICP)，通常有两种产生装置，一种是将通电线圈置于放电腔室顶部的石英介质窗上方，另一种则是将通电线圈沿放电腔室轴心向外径方向在管壁螺旋缠绕。这两种线圈结构ICP源的主要原理都是将交变的射频电源信号通过匹配网络施加到线圈上经器壁或介质窗口耦合到等离子体放电腔室中，线圈被激发产生交变磁场，射频磁场又通过感应激发产生电场。在电场作用下真空腔室内部的电子运动加剧，从而产生等离子体。相比于其他等离子体源，ICP源有着明显的优点，不仅能够在较低的射频电压下产生更高密度的等离子体，而且装置简单，具有高的电离效率，无需放置内置电极，从而避免污染等离子体，同时降低了工业生产中的成本。

然而，上述技术中等离子体的动态性较弱，无法产生更高电子密度的等离子体。所产生的等离子体电子密度与真实临近空间等离子体鞘层中的等离子体电子密度在量级上有一定差距。

发明内容

本发明实施例提供了一种动态高等离子体电子密度产生装置，将稳态磁场发生器放置于等离子体放电腔体外侧周围，用以解决现有技术中没有比较可靠的针对所产生的等离子体电子密度与真实临近空间等离子体鞘层中的等离子体电子密度在量级上有一定差距的问题。

一方面，本发明实施例提供了一种动态高等离子体电子密度产生装置，包括：

等离子体放电腔体、放电系统、稳态磁场发生器、真空系统和冷却系统，所述等离子体放电腔体上壁以及中空结构放电线圈连接所述冷却系统，下壁通往腔室连接所述真空系统，所述稳态磁场发生器放置于所述等离子体放电腔体外侧周围；

所述等离子体放电腔体采用中空圆柱筒状结构，侧壁上设置有石英管，所述石英管用于隔绝所述等离子体放电腔体与外界环境，所述石英管外侧设置有中空结构放电线圈，所述中空结构放电线圈用于实现射频电源与所述等离子体放电腔体内部的耦合；