一种同轴式双线圈射频驱动气体放电装置

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。

技术实现要素：

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：

本发明的同轴式双线圈射频驱动气体放电装置，可以是只给内螺旋线圈或外螺旋线圈接入射频信号，通过与屏蔽层定位盖环、屏蔽层匹配构成螺旋共振腔，激发产生等离子体放电；也可内螺旋线圈和外螺旋线圈同时接入射频信号，各自与屏蔽层定位盖环、屏蔽层匹配构成螺旋共振腔，激发产生等离子体放电。本发明采用同轴式双线圈结构设计，利用不同频率的射频信号驱动激发产生等离子体放电，不同频率射频信号分别独立控制等离子体中电子能量与电子密度，有利于提高亚稳态原子激发效率，提高亚稳态原子束流强度；可以在螺旋共振腔尺寸结构要求较小的情况下实现稳定放电和高效激发。

本发明的同轴式双线圈射频驱动气体放电装置有内、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。

气体导管采用压环与定位盖环进行定位，可以有效保证气体导管与安装法兰的同轴度与准直度，使得产生的亚稳态原子沿法兰几何轴心垂直飞行，便于原子束流定向；

本发明可以根据需求填充不同种类的气体或其它样品，用于多种气体的低压等离子体放电，实现多种用途。

附图说明

图1为超高真空双面密封法兰结构示意图。

图2为外螺旋线圈结构示意图。

图3为屏蔽层结构示意图。

图4为同轴式双线圈射频驱动气体放电装置总体结构示意图。

图5为同轴式双线圈射频驱动气体放电装置总体结构剖面示意图。

其中：1是超高真空双面密封法兰、2是气体导管压环、3是外螺旋线圈接地端、4是外螺旋线圈射频接入端、5是气体导管、6是内螺旋线圈、7是绝缘定位管、8是外螺旋线圈、9是屏蔽层定位盖环、10是屏蔽层、11是内螺旋线圈射频接入端、12是内螺旋线圈接地端、13-1是内螺旋线圈射频信号输入端、13-2是外螺旋线圈射频信号输入端。

具体实施方式

如图2所示，在外螺旋线圈8的一端设置有外螺旋线圈接地端3，在其紧邻该外螺旋线圈接地端3的第一匝上设置有外螺旋线圈射频接入端4；内螺旋线圈6的结构参照图2，在内螺旋线圈6的一端设置有内螺旋线圈接地端12，在其紧邻该内螺旋线圈接地端12的第一匝上设置有内螺旋线圈射频接入端11；内螺旋线圈6和外螺旋线圈8两者可以匝数相同，也可以内螺旋线圈6比外螺旋线圈8的匝数少。

图5为同轴式双线圈射频驱动气体放电装置总体结构剖面示意图。系统各子系统的结构加工完成后首先进行所有的焊接，经清洗、除气等操作后进行系统装配。安装时，首先将气体导管5安装在超高真空双面密封法兰1上，利用气体导管压环2与o型圈进行紧固与密封；其次将内螺旋线圈6同轴安装在气体导管5外侧，再将绝缘定位管7同轴安装在内螺旋线圈6外侧，再将外螺旋套管8安装在绝缘定位管7外侧，然后安装屏蔽层10，采用同轴方式用螺钉将屏蔽层10固定在超高真空双面密封法兰1上，外螺旋线圈接地端3、外螺旋线圈射频接入端4、内螺旋线圈射频输入端11、内螺旋线圈接地端12分别依次装入对应的孔中，并将外螺旋线圈接地端3、内螺旋线圈接地端12与屏蔽层10采用锡焊的方式固定并接地，外螺旋线圈射频接入端4、内螺旋线圈射频输入端11与屏蔽层10保持电气绝缘，并利用镀银铜导线分别与外螺旋线圈射频信号输入端13-2和内螺旋线圈射频信号输入端13-1连接。最后将屏蔽层定位盖环9与屏蔽层10连接，保证气体导管5与超高真空双面密封法兰1的同轴度与垂直度。组装完成的同轴式双线圈射频气体放电装置通过超高真空双面密封法兰连接到超高真空系统与气源上，通入工作气体，即可在射频信号驱动下产生可自持等离子体放电。

可以选择内螺旋线圈6和外螺旋线圈8的线圈匝数相同，这时，通过外螺旋线圈射频信号输入端13-2和内螺旋线圈射频信号输入端13-1输入的射频信号一个是基频信号、另一个是三倍频信号；如果选择内螺旋线圈6和外螺旋线圈8的线圈匝数不同，则所述的内螺旋线圈6的线圈匝数需要少于外螺旋线圈8的线圈匝数，此时，内螺旋线圈射频信号输入端13-1输入的射频信号是内螺旋线圈6对应的射频共振腔的三倍频信号，而外螺旋线圈射频信号输入端13-2输入的射频信号是外螺旋线圈8对应的基频信号，这样确保两个螺旋线圈分别对应的射频共振腔所使用的驱动信号频率相差很大，以避免双螺旋线圈工作状态时的互相之间串扰。

本发明的原理是：

首先，将气体导管安装在超高真空双面密封法兰上，利用超高真空法兰上的安装孔、气体导管压环与屏蔽层定位盖环保证气体导管与安装法兰的垂直度与同轴度；其次，将两个螺旋线圈以同轴的方式安装在气体导管外侧，两个螺旋线圈之间利用绝缘定位管进行绝缘与定位，最后安装屏蔽层构成两个重叠的螺旋共振腔；采用双线圈、双频率驱动等离子体放电，对放电参数进行更加精细地调节，以提高亚稳态原子激发效率。