专利名称：一种射频放电装置及空芯光纤射频放电系统的制作方法
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。本发明还提供了一种空芯光纤射频放电系统，包括射频放电装置和气配装置；所述射频放电装置为上述的射频放电装置。更进一步地，所述气配装置包括第一气室、第二气室、第一气压计、第二气压计、第一真空阀门、第三气压计、气配室、第二真空阀门、供气源、第三真空阀门、第四真空阀门、第五真空阀门、涡轮分子泵和机械泵；机械泵作为所述气配装置的前级泵，涡轮分子泵作为所述气配装置的后级泵，空芯光纤的两端分别与第一气室和第二气室相连，第一气室由与之相连的第一气压计监测，第一气室还依次通过第一真空阀门和第四真空阀门与气配室相连；第二气室的气压由与之相连的第二气压计监测，气配室与通过第二真空阀门与多个供气源相连，第二气室还依次通过第三真空阀门和第四真空阀门与气配室相连；气配室的气压由与之相连的第三气压计监测，气配室还依次通过第四真空阀门和第五真空阀门与涡轮分子泵相连。本发明克服了微小尺度下电子因放电空间狭小而无法击穿和维持的困难。使用射频电源进行放电，放电稳定，可靠性高，放电电压低。有别于传统垂直激励的方式能够更有效的激发工作物质中的粒子。而更高的射频频率在气压较大的情况下也将带来更高的激发效率。此外，还能消除受激粒子和粒子团的径向迁移以及放电等离子体的震荡。以新颖的光纤缠绕方式及电极设置方式，增加了放电的距离和激励的效率。
图1是本发明实施例提供的空芯光纤射频放电系统中射频放电装置的结构示意图；图2是本发明实施例提供的空芯光纤射频放电系统中空芯光纤缠绕电极的轴测图；图3是本发明实施例提供的空芯光纤射频放电系统中空芯光纤缠绕电极的剖视图；图4是本发明实施例提供的空芯光纤射频放电系统中匹配网络的具体电路图；图5是是本发明实施例提供的空芯光纤射频放电系统中气配装置的结构示意图。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本发明提供的空芯光纤射频放电系统由射频电源产生射频输出，再通过匹配网络与电极耦合到空芯光纤中。电极间的距离，即内外电极的直径差，可根据空芯光纤的外径进行设计调整。空芯光纤中因耦合得到的射频电场使气体电离，空芯光纤由不导电状态转变为导电状态。图1示出了本发明实施例提供的空芯光纤射频放电系统中射频放电装置的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下空芯光纤射频放电系统包括射频放电装置和气配装置；射频放电装置包括射频电源101、匹配网络103、电极和空芯光纤106，射频电源101用于输出射频信号；匹配网络103的输入端与射频电源101连接，用于实现射频功率的无相移传输；电极包括内电极104和外电极105,内电极104与外电极105均为空芯圆柱体金属电极，内电极104的外径小于外电极105的内径；内电极104位于外电极105的内部，内电极104与匹配网络103的输出端正极连接，外电极105与匹配网络103的输出端地极连接后接地，空芯光纤106缠绕于内电极104的外表面，空芯光纤106的两端分别与气配装置连接；工作时，射频电源101在内电极104和外电极105之间产生交变电场,交变电场驱动空芯光纤106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。本发明实施例提供的空芯光纤射频放电系统可以在微米量级的空芯光纤绕成的类螺线管状的结构中通过射频放电的方式产生等离子体。具有方法简单、噪音低、能量损耗小、装置结构紧凑、效率高等优点。在本发明实施例中，射频放电装置还包括与匹配网络103的输出端地极连接的金属屏蔽罩102，用于罩住匹配网络103、内电极104、外电极105以及空芯光纤106，金属屏蔽罩102可以屏蔽射频辐射。在本发明实施例中，如图2和图3所示，内电极104和外电极105均为空芯圆柱体金属电极，长度相同，两端均开口。内电极104的外径小于外电极105空芯内径。内电极104置于外电极105内部。空芯光纤106被缠绕在内电极104外表面,外电极105与内电极104间的空隙尺寸为微米量级。内电极104中水槽301用于通入水流进行散热。内电极104两端具有与水槽301直接相连的入水口 302和出水口 303，入水口 302和出水口 303通过高密封性水管与外部冷却水系统相连，外部冷却水系统可为典型的循环水散热系统，以节约资源。内电极104为驱动电极，外电极105为地电极。外电极105接地以辅助内电极104完成放电，并与金属屏蔽罩102共同屏蔽射频辐射。为避免普通导线的趋肤效应，射频放电系统中各部件应以同轴线缆或铜带连接。匹配网络与射频电源之间通过同轴线缆或铜带连接；匹配网络与电极之间通过同轴线缆或铜带连接。在本发明实施例中，空芯光纤106充当放电腔体,根据空芯光纤106的外径可以调整内电极104与外电极105的直径。射频电源101产生的频率为兆赫兹量级，功率可调。为了实现功率源的无相移最大功率传输与注入，需要在电极与射频电源间加入匹配网络103。匹配网络103、电极与空芯光纤106安置于金属屏蔽罩内。空芯光纤缠绕于内电极外表面。内电极有出入水口以进行水冷。在本发明实施例中，为去除容性与感性器件或是电路寄生参数造成的功率反射， 应合理设计匹配网络103以保证射频放电装置的阻抗匹配。典型的匹配网络103多为电容电感以串联混合并联方式构成。匹配网络103可以为典型的π型匹配网络，还可以为L型匹配网络等。如图4所示，π型匹配网络具体包括电感L、第一可调电容Cl和第二可调电容C2 ;电感L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Cl的一端与所述电感L的一端连接，第一可调电容Cl的另一端接地；第二可调电容C2的一端与所述电感L的另一端连接，第二可调电容C2的另一端接地。在本发明实施例中，气配装置为空芯光纤放电的气体混合、填充和抽空模块，如图5所不，气配装置包括第一气室501、第二气室502、第一气压计503、第二气压计504、第一真空阀门505、第三气压计506、气配室507、第二真空阀门508、供气源509、第三真空阀门510、第四真空阀门511、第五真空阀门512、涡轮分子泵513和机械泵514 ;机械泵514作为气配装置的前级泵，涡轮分子泵513作为所述气配装置的后级泵，机械泵514与涡轮分子泵513组合提供气配系统和放电腔体的高度真空环境。空芯光纤106的两端分别与第一气室501和第二气室502相连，便于充气和抽气。第一气室501由与之相连的第一气压计503监测，第一气室501还依次通过第一真空阀门505和第四真空阀门511与气配室507相连；第二气室502的气压由与之相连的第二气压计504监测，气配室507与通过第二真空阀门508与多个供气源509相连，第二气室502还依次通过第三真空阀门510和第四真空阀门511与气配室507相连；气配室507的气压由与之相连的第三气压计506监测，气配室507还依次通过第四真空阀门511和第五真空阀门512与涡轮分子泵513相连。气配室与多个供气源相连，用以不同配比的气体混合或提供单一的气体。气配室配以气压计，用于监测腔内气压。为确保气配系统的气密性，各部件间应以高气密性气管连接，不同接口间应以密封垫圈和接口紧固装置对接。机械泵514和涡轮分子泵513负责对整套气配装置进行抽空。因空芯光纤106内径和外径非常小,所以对空芯光纤106的固定、充气和抽气操作需要通过第一气室501和第二气室502完成。气配室507用于按需混合不同比例不同压强的气体。所有真空阀门用于配合充气和抽气的不同过程进行气流控制，控制各气路连接关系，以满足抽气和充气状态下的气路连通性的不同需要，同时有效地减少工作气体的浪费。本发明克服了微小尺度下电子因放电空间狭小而无法击穿和维持的困难。使用射频电源进行放电，放电稳定，可靠性高，放电电压低。有别于传统垂直激励的方式能够更有效的激发工作物质中的粒子。而更高的射频频率在气压较大的情况下也将带来更高的激发效率。此外，还能消除受激粒子和粒子团的径向迁移以及放电等离子体的震荡。以新颖的光纤缠绕方式及电极设置方式，增加了放电的距离和激励的效率。为了更进一步的说明本发明实施例提供的空芯光纤射频放电系统，现在结合具体实例详述如下将芯径为100微米的空芯光纤106连接进放电装置。关闭供气源509与气配室507间的第二真空阀门508，打开其余所有阀门。由机械泵514将系统抽至O. 5帕，再联合涡轮分子泵513将系统抽至O. 001帕。关闭气配室507与涡轮分子泵513间的第四真空阀门511，打开供气源509与气配室507间的第二真空阀门508。打开氦气源509，为气配室507先充入10托氦气。再打开氖气源509，为气配室507充入2托氖气，得到氦氖配比为5:1的混合工作气体。关闭供气源509与气配室507间第二真空阀门508，关闭涡轮分子泵前的第五真空阀门512，关闭涡轮分子泵513和机械泵514。打开气配室507的第四真空阀门511和两个气室前的第一真空阀门505、第三真空阀门510，为空芯光纤106充入10托混合气体后，关闭气配室507的第四真空阀门511和两个气室前的第一真空阀门505、第三真空阀门510。开启射频电源101，调节功率输出为100瓦，放电等离子体产生。本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种射频放电装置，其特征在于，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。
2.如权利要求1所述的射频放电装置，其特征在于，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。
3.如权利要求1所述的射频放电装置，其特征在于，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。
4.如权利要求1所述的射频放电装置，其特征在于，所述电极还包括位于所述内电极两端的出水口和入水口。
5.如权利要求1所述的射频放电装置，其特征在于，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。
6.如权利要求1所述的射频放电装置，其特征在于，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。
7.—种空芯光纤射频放电系统，包括射频放电装置和气配装置；其特征在于，所述射频放电装置为权利要求1-6任一项所述的射频放电装置。
8.如权利要求7所述的空芯光纤射频放电系统，其特征在于，所述气配装置包括第一气室、第二气室、第一气压计、第二气压计、第一真空阀门、第三气压计、气配室、第二真空阀门、供气源、第三真空阀门、第四真空阀门、第五真空阀门、涡轮分子泵和机械泵； 机械泵作为所述气配装置的前级泵，涡轮分子泵作为所述气配装置的后级泵，空芯光纤的两端分别与第一气室和第二气室相连，第一气室由与之相连的第一气压计监测，第一气室还依次通过第一真空阀门和第四真空阀门与气配室相连；第二气室的气压由与之相连的第二气压计监测，气配室与通过第二真空阀门与多个供气源相连，第二气室还依次通过第三真空阀门和第四真空阀门与气配室相连；气配室的气压由与之相连的第三气压计监测，气配室还依次通过第四真空阀门和第五真空阀门与涡轮分子泵相连。
全文摘要
本发明提供了一种空芯光纤射频放电系统，包括射频放电装置和气配装置；射频放电装置包括射频电源、匹配网络、电极和空芯光纤，电极包括内电极和外电极，内电极与外电极均为空芯圆柱体金属电极，内电极的外径小于外电极的内径；内电极位于外电极的内部，空芯光纤缠绕于内电极的外表面，空芯光纤的两端分别与气配装置连接；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。本发明提供的空芯光纤射频放电系统可以在微米量级的空芯光纤绕成的类螺线管状的结构中通过射频放电的方式产生等离子体；具有方法简单、噪音低、能量损耗小、装置结构紧凑、效率高等优点。
文档编号H05H1/46GK103025042SQ20121052402
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月7日 优先权日2012年12月7日
发明者段练, 王新兵, 左都罗, 陆培祥 申请人:华中科技大学