一种双等离子体谐振器的制作方法

本实用新型涉及光纤预制棒加工等技术领域，尤其涉及一种双等离子体谐振器。

背景技术：

等离子化学气相沉积法(pcvd)是光纤预制棒加工的主要工艺之一，该工艺具有沉积过程控制精确、细致的特点，而等离子体谐振器是该加工设备的核心部分。等离子体谐振器系统包括有等离子体谐振腔、波导管两部分组成，波导管将微波发生器产生的微波传输耦合至等离子体谐振腔，通过等离子体谐振腔向石英衬管内发射高频微波能量来完成沉积加工过程。在这过程中谐振腔内等离子体与微波的匹配十分重要，否则，两者之间的不匹配不仅会影响耦合效果，造成能量的损耗，而且还易损坏系统器件，并影响沉积的均匀性与精度。

现有用于光纤预制棒制造的等离子体谐振腔分为为同轴型与圆柱型两种不同的结构类型。其中圆柱型更易于实现大直径预制棒的pcvd加工。圆柱型谐振腔的型腔结构简单，容易加工制造，沉积性能优异。但现有各型谐振器均为单等离子体形式，即微波激发谐振后，在反应衬管内形成一个等离子体球。这样会导致三个问题：1)能量过于集中，在高能量应用(微波能量＞10kw)时，容易损坏谐振腔体；2)在一个等离子体的短区域实现高能量的耦合，会产生沉积不均匀的问题；3)在一个等离子体的短区域实现高能量的耦合，达不到沉积速率的线性比例增加，即在高功率区，沉积速率会低于预期的线性增加值。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种能提高制棒质量与效率的双等离子体谐振器。

本实用新型所采用的技术方案为：双等离子体谐振器，其特征在于：包括外部水冷套、置于外部水冷套内并呈圆柱状薄壁结构的谐振腔、与谐振腔相连通并支撑谐振腔的波导管以及套设在波导管外并支撑外部水冷套的下部水冷套，所述谐振腔和外部水冷套的两端分别设有外径缩小的台阶状圆形开口，所述谐振腔的端部和外部水冷套的端部设有一定的间隙。

按上述技术方案，形成双等离子体的条件为：

谐振腔腔体的直径dr＝110±10mmmm

通过计算与仿真，为保证双等离子体的效果，双等离子体中心点间距lp≥0.4lr；则要求双等离子体谐振腔内腔长lr≥100mm，同时，为保证设备的使用与沉积空间的匹配，lr≤200mm

在以上条件下，等离子体90％能量峰宽度

lpw＝0.15lr

按上述技术方案，所述谐振腔的参数限定如下：

lr＝100mm～200mm，dr＝110±10mm，ds＝30mm～60mm，

ls＝45mm～60mm

其中其中lr为谐振腔腔体的长度，dr为谐振腔腔腔体的直径，ds为谐振腔两端圆形开口的直径，ls为两端圆形开口的长度，lpw为等离子体能量峰宽度。

按上述技术方案，谐振腔的开口直径不得大于75mm，长度不得小于45mm。

按上述技术方案，所述谐振腔外壁紧贴外部水冷套的内壁，其开口的外端与外部水冷套的开口紧贴。

按上述技术方案，所述外部水冷套、谐振器、波导管以及下部水冷套为可拆分式结构。

按上述技术方案，外部水冷套、谐振器、波导管以及下部水冷套为沿中心线方向可分离并呈左右对称布置的可拆分式结构。

按上述技术方案，所述外部水冷套和下部水冷套分别具有独立的冷却水进出接口。

按上述技术方案，所述波导管和下部水冷套为矩形结构，所述波导管可以设置在谐振腔轴向中间位置，也可以设置在偏离谐振腔轴向中间的位置。

本实用新型所取得的有益效果为：

1、本实用新型所述的双等离子体谐振器，采用圆柱形谐振腔体，通过理论计算、设计，则是在谐振腔体中产生两个等离子球，两个等离子体按波导管与谐振腔的相对位置比例分配输入的微波能量，这样可以提高气体原料的反应速度，优化反应物的均匀性，同时避免在高微波能量输入时产生能量过于集中的等离子体，造成谐振腔、石英管的破坏。

2、本实用新型采用圆柱形谐振腔体与矩形波导管，可以从中间拆分，从而在沉积过程结束后，方便、快捷地从沉积机床上拆卸下来。这样就可以把沉积与融缩功能集成在同一个机床上。沉积完成后，衬管依旧安装在机床上，保持内部气氛的稳定与洁净。拆卸谐振器，同时启动融缩喷灯给衬管加热，保持衬管温度，这样完全可以避免上面分析的两个问题，达到高效率、高质量的制棒效果。

附图说明

图1为本实用新型的结构图。

图2为谐振腔的尺寸示意图。

图3为形成等离子的状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，本实施例提供了一种双等离子体谐振器，包括外部水冷套3、置于外部水冷套3内并呈圆柱状薄壁结构的谐振腔1、与谐振腔2相连通并支撑谐振腔的波导管5以及套设在波导管外并支撑外部水冷套的下部水冷套6，所述谐振腔1和外部水冷套3的两端分别设有外径缩小的台阶状圆形开口2，谐振腔1外壁紧贴外部水冷套3的内壁，其开口的外端与外部水冷套的开口紧贴。所述谐振腔1的端部和外部水冷套的端部设有一定的间隙。其中，所述外部水冷套3和下部水冷套6分别具有独立的冷却水进出接口4、7，接口管径为1/2英寸。

以下是形成双等离子体的谐振条件：

圆柱腔直径dr＝110±10mmmm(这点是形成双等离子体必备的条件)

通过计算与仿真，为保证双等离子体的效果：

即双等离子体中心点间距lp＝0.4lr；

则要求双等离子体谐振腔内腔长lr≥100mm，同时，为保证设备的使用与沉积空间的匹配，lr≤200mm

在以上条件下，等离子体90％能量峰宽度

lpw＝0.15lr

也即：所述谐振腔的参数限定如下：

lr＝100mm～200mm，dr＝110±10mm，ds＝30mm～60mm，

ls＝45mm～60mm

其中，lr为谐振腔腔体的长度，dr为谐振腔腔体的直径，ds为谐振腔两端圆形开口的直径，ls为两端圆形开口的长度，lp双等离子体中心点间距。另外，谐振腔1的开口直径不得大于75mm，长度不得小于45mm,以防止微波泄露。

本实用新型的工作过程如下：在频率为2.45ghz的微波激发下，在穿过双等离子体谐振腔的石英衬管8内产生两个相连的等离子体9，如图3所示。两个等离子体按波导管与谐振腔的相对位置比例分配输入的微波能量，这样可以提高气体原料的反应速度，优化反应物的均匀性，同时避免在高微波能量输入时产生能量过于集中的等离子体，造成谐振腔、石英管的破坏。其中，对应最大微波功率30kw，冷却水供水条件：入口压力3bar～4bar，冷却水总流量为15～20l/min，冷却水入口与出口的温差δt＝10～20℃。这样的生产过程，保证了石英衬管8内腔在整个制棒过程中保持高度的洁净、不接触外界空气，避免了水份、灰尘对内腔的污染。

本实施例中，所述波导管5和下部水冷套6均为矩形结构，所述谐振腔1的下方具有一矩形开口，波导管5焊接在矩形开口处。其中，所述波导管5可以设置在谐振腔轴向中间位置，也可以设置在偏离谐振腔轴向中间的位置，不同的位置会产生不同能量级别的双等离子体。

由于整个的制棒过程包括沉积与融缩，一般都是分两个设备来完成：沉积机床和融缩机床。衬管在沉积机床上完成沉积过程，然后从沉积机床上卸下，再安装到融缩机床上。这样就会产生两个问题：1、在很多特种产品的制造中，由于沉积材料掺杂的原因，导致沉积后的衬管内部应力很大，刚沉积结束的衬管温度很高(约1000℃)，在高温下应力不会造成破坏，但在拆卸、重新安装的过程中，时间稍长一点，衬管温度下降，衬管就会破裂。2、衬管从沉积机床上拆卸下来后，衬管内表面不可避免地要接触到外部的空气，会被外部的环境污染，造成水峰加大、衰耗增加以及拉丝强度等问题。

为解决上述问题，本实用新型的谐振器采用可拆分式结构，即所述外部水冷套3、谐振器1、波导管5以及下部水冷套6为可拆分式结构。具体的，其结构如图1、2所示，外部水冷套3、谐振器1、波导管5以及下部水冷套6为沿中心线方向(轴向)可分离并呈左右对称布置的可拆分式结构。即外部水冷套3、谐振器1可以沿其轴向分为左右两个独立的部分，两个独立的部分通过螺栓相连并固定。

本实用新型双等离子体谐振器可沿轴向从中间拆分，极大方便了设备的安装与拆卸，在沉积过程完成后，可立即拆下谐振器，让出空间，然后接着采用火焰方式对衬管进行融缩，避免了谐振器对融缩空间的干涉。