消除微球表面静电的装置及方法与流程

本发明涉及一种消除微球表面静电的装置及方法。

背景技术：

在惯性约束聚变(ICF)科学研究中，具有GDP(CH聚合物)涂层的微球因其具有较高的强度、较好的表面光洁度、较高的红外透过率等诸多优点，而被选作激光ICF物理实验中首选氘氚燃料容器和烧蚀层。在GDP微球制备工艺中，为了获得表面光洁度高、涂层厚度均匀的GDP微球，在CH聚合物涂镀过程中，需要使微球在等离子体辉光中随机滚动，即通过步进电机驱动倾斜的微球托盘旋转，将微球置于托盘中，使其在重力与摩擦力的共同作用下随机滚动。这在公告号为CN201552114U，名称为倾斜式微球滚动装置的专利中已经实现。但是，在CH聚合物涂镀初期，微球表面通常会因表面携带静电而导致微球与托盘、微球与微球之间相互吸引或排斥，从而影响微球的滚动效果。除此之外，静电作用对GDP微球制成成品前后的转运、装载燃料等过程中都会产生负面影响。

传统的GDP微球表面静电消除方法通常是在大气下进行。例如，公布号为CN102484358 A的专利文献公开了一种通过正负离子气流消除充电物体静电的静电消除器。公开号为CN101031178A的专利文献公开了一种介质阻挡放电等离子体的等离子体放点静电消除器，等等。上述文献公开的方案虽然能消除GDP微球表面的静电，但是同时会在GDP微球中引入杂质。并且这些方案都是在常压下实施，因此会导致GDP微球表面氧化。这些因素都会导致激光辐照ICF靶丸时产生极大的流体力学不稳定性，严重影响实验结果。

技术实现要素：

本发明提供一种消除微球表面静电的装置，解决现有消除微球表面静电的装置在大气下进行，会引入杂质以及导致微球表面氧化的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：消除微球表面静电的装置，包括石英谐振腔以及盘绕于所述石英谐振腔外侧的天线，所述天线为盘香型且与射频匹配网络连接；所述石英谐振腔外侧安装真空测量的电阻单元和电离单元，以及真空抽气口和进气口，石英谐振腔上还配置接地位。

进一步的是：所述石英谐振腔包括圆柱状的腔壁以及连接于腔壁两端的上密封盖和下密封盖，电阻单元、电离单元和进气口安装于上密封盖，接地位和真空抽气口设置于下密封盖。

进一步的是：所述真空抽气口上还设置插板阀。

进一步的是：所述天线的中心位于石英谐振腔的轴线上。

进一步的是：所述石英谐振腔内还设置样品支架，样品支架上设置托盘。

本发明还提供一种通过上述任意一种消除微球表面静电的装置实现消除微球表面静电的方法，包括以下步骤：

步骤一、配置微球样品于托盘中，将托盘置于石英谐振腔内；

步骤二、对石英谐振腔进行抽真空，再向石英谐振腔内通入放电气体，所述放电气体不会与待处理的微球样品发生化学反应，且放电气体离解后不产生与待处理的微球样品发生化学反应；

步骤三、开启射频电源，通过射频匹配网络向天线提供射频信号，根据所选放电气体产生的等离子体刻蚀效应确定射频信号施加的时长；石英谐振腔内产生等离子体，微球样品暴露在等离子体环境中，等离子体中的离子、电子分别与待处理的微球表面负电荷、正电荷相中和；

步骤四、重复上述步骤三，直至消除微球表面静电。

具体地：步骤二中，对石英谐振腔进行抽真空，使石英谐振腔的气压低于1×10^-3Pa；再向石英谐振腔内通入放电气体，使石英谐振腔的气压为20-40Pa。

具体地：步骤三中，所述放电气体为氢气或惰性气体。其中惰性气体为氦气、氩气等。

具体地：步骤三中，所述的射频信号通过射频发生源产生，其频率为13.56MHz、27.12MHz或40.68MHz。

具体地：步骤三中，射频信号施加的时长为不超过60秒。射频信号施加时间即是静电消除处理时间，静电消除处理采用60秒或更短的时间周期，可减小静电消除过程中等离子体对微球表面的刻蚀作用。

具体地：步骤二中，使用气体流量控制器向石英谐振腔内通入放电气体，放电气体的流量为10-20ml/min。

本发明的有益效果是：静电中和的速度快，等离子体环境对微球的包覆全面、均匀，静电消除效果彻底，真空环境处理避免样品被氧化，静电消除过程中无杂质成分进入样品表层，消除微球表面静电的装置具有结构简单和运行稳定的特点，消除微球表面静电的方法具有操作方便的特点。

附图说明

图1是本发明消除微球表面静电的装置的结构示意图。

图2是本发明消除微球表面静电的方法的过程示意图。

图中零部件、部位及编号：石英谐振腔1、上密封盖2、电阻单元3、电离单元4、下密封盖5、进气口6、接地位7、样品支架8、托盘9、天线10、射频匹配网络11、真空抽气口12、插板阀13。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明消除微球表面静电的装置，包括石英谐振腔1以及盘绕于石英谐振腔1外侧的天线10，天线10为盘香型且与射频匹配网络11连接。石英谐振腔1的腔壁呈圆柱状，腔壁两端分别为上密封盖2和下密封盖5，上密封盖2外侧安装真空测量的电阻单元3和电离单元4，上密封盖2上还安装进气口6。下密封盖5上安装接地位7和真空抽气口12，真空抽气口12上还设置插板阀13。

石英谐振腔1内还设置样品支架8，样品支架8上设置托盘9。托盘9用于装载需要处理的微球。为了保证装载待处理微球样品的托盘9尽可能处于等离子体源区的中心位置，该中心位置等离子体密度大、分布均匀，以致待处理微球完全浸润在等离子体环境中，盘香型的天线10的位置可沿石英谐振腔1轴线进行调整。

参照图2，通过上述除微球表面静电的装置消除微球表面静电的方法实施例如下。

实施例1

消除微球表面静电的方法，首先，配置适量的待处理的微球样品于托盘9中，将托盘9置于石英谐振腔1内。调整托盘9和天线10的相对位置，使托盘9处于等离子体源区的中心位置。

其次，通过真空抽气口12对石英谐振腔1进行抽真空，使石英谐振腔1内的气压抽至1×10^-3Pa以下，以保证石英谐振腔1内所含的氧原子数目足够少。再将放电气体，具体选用氢气，通过进气口6注入石英谐振腔1，氢气注入流速为10ml/min。通过电阻单元3和电离单元4测量石英谐振腔1内的气压，并使用插板阀13调节石英谐振腔1内的气压至30Pa。

再次，待石英谐振腔1内气压稳定，开启射频电源，通过射频匹配网络11向天线10提供40.68MHz射频信号，并将其输入功率调节为10W，以在放电腔室空间中形成高频的交变电场，游离电子在电场中加速轰击中性粒子使其离解，从而产生动态平衡的等离子体；等离子体中的离子、电子分别与微球表面的异性电荷相中和，达到去除静电的目的。射频信号施加的时长根据所选放电气体产生的等离子体刻蚀效应而定，射频信号施加时间即是静电消除处理时间，由于微球长时间暴露在等离子体中可能会导致微球表面形貌在刻蚀作用下而改变，所以等离子体处理的时间尽可能短，具体以40-60s为一个周期，本实施例以1min为一个周期。

最后，重复上段的操作，直至消除微球表面静电。

实施例2

本实施例与实施例1的操作步骤基本相同，不同之处在于：放电气体采用氦气。使用氦气放电的优点在于，氦气所产生的等离子体具有化学惰性，不会与待处理微球样品发生任何化学反应。

实施例3

消除微球表面静电的方法，首先，配置适量的待处理的微球样品于托盘9中，将托盘9置于石英谐振腔1内。调整托盘9和天线10的相对位置，使托盘9处于等离子体源区的中心位置。

其次，通过真空抽气口12对石英谐振腔1进行抽真空，使石英谐振腔1内的气压抽至1×10^-3Pa以下。再将放电气体，具体选用氩气，将高纯氩气通过进气口6注入石英谐振腔1，注入流速为20ml/min。通过电阻单元3和电离单元4测量石英谐振腔1内的气压，并使用插板阀13调节石英谐振腔1内的气压至40Pa。

再次，待石英谐振腔1内气压稳定，开启射频电源，通过射频匹配网络11向天线10提供40.68MHz射频信号，并将其输入功率调节为80W，以在放电腔室空间中形成高频的交变电场，游离电子在电场中加速轰击中性粒子使其离解，从而产生动态平衡的等离子体。射频信号施加时间即是静电消除处理时间，其中，射频信号单次持续施加的时长为40s。等离子体中的离子、电子分别与微球表面的异性电荷相中和，消除微球表面静电。

最后，重复上段的操作，直至消除微球表面静电，最终达到去除静电的目的。

由于氩气质量较氢气、氦气大得多，氩气产生等离子体后，离子轰击微球样品表面时，所交换的能量远大于氢气和氦气。因此，优选的是使用更高的放电气压，以及更低的射频输入功率，以降低氩气等离子体中的离子能量和鞘层电位降。