一种自组织多层放电等离子体产生装置和方法

1.本发明属于放电等离子体设备技术领域，具体涉及一种自组织多层放电等离子体产生装置和方法。


背景技术：

2.辉光放电等离子体是一种典型的低温等离子体，其中富含活性粒子，如高能电子、离子、激发态原子，在材料处理、热核聚变、半导体工业以及航空航天等各个前沿科学领域中具有广泛的应用。通常，在电场激励下，电极间产生的辉光放电表现为连续均匀的等离子体；在特定的参数下，这种连续均匀的等离子体可自行组织成为明暗相间的多层状等离子体。这种多层放电等离子体，与辉光放电的通道收缩效应类似，在物理上涉及到等离子体的电离不稳定性，这种不稳定性通常被认为是不可取的，因为它会干扰等离子体柱的均匀性。例如，对于发光灯来说，这意味着灯具的失效(levko d,2021physics of plasmas 28 013506)；对于微电子工业中的等离子体刻蚀，它会影响等离子体的均匀性，进而影响电子能量分布函数和粒子通量等关键的工艺参数(liu y x,et.al.,physical review letters,116,1
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6)；特别地，对于军用大功率气体激光器，这种不稳定性会直接影响泵浦过程，从而影响激光的性能(daniel j.emmons ii 2017ph.d.dissertation,department of the air force institute of technology,ohio,p23-24)。目前，这种自组织多层放电等离子体的产生大多通过射频/直流放电在低气压(pa量级)下产生并控制，举例说，中国专利公开号为cn106470522b(黎威志，等)公开了一种射频放电条纹自适应的等离子体装置，该装置就是在电极两端通过施加射频级的电场进行气体放电产生辉光放电的典型装置。另一种典型的辉光放电等离子体是在密闭的直流放电管中产生，举例说，v.a.lisovskiy(eur.j.phys.,2012,33:1537-1545)报道了一种通过直流放电产生多层放电等离子体的方法，放电气压区间为0.1～100torr。这种放电管内产生的多层放电等离子体与电子在约束管壁的扩散密切相关。此外，ouyang ji-ting(chin.phys.lett.,2005,22:2892-2894)报道了在等离子体显示面板中也会出现多层放电等离子体，多层放电等离子体的形成与电场发生畸变有关。
3.但是，现有技术中的放电等离子体均处于低气压条件下产生，而且，其消除不可控。


技术实现要素：

4.本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种自组织多层放电等离子体产生装置与方法，以在较高气压下产生放电等离子体，以及实现放电等离子体的可控消除。
5.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种自组织多层放电等离子体产生装置，包括：真空腔体，所述真空腔体的腔壁上通过高压法兰固定设置有两个电极接头，所述真空腔体内设置有导轨，所述导轨上设置有两个滑动支撑体，每个滑动支撑体上均
设置有一个绝缘杆，每个绝缘杆上均设置有一个电极，两个电极的尖端相对设置形成放电体，所述电极接头通过导线与所述电极和高压电源连接；其中一个滑动支撑体与电极传动杆的一端固定连接，电极传动杆的另一端穿过真空腔体的腔壁与调节器连接，所述调节器固定设置在真空腔体外的腔壁上，用于推动所述电极传动杆，进而带动其中一个绝缘杆沿所述导轨滑动调整两个电极之间的距离；
6.所述真空腔体的腔壁上设置有抽气阀和充气阀，抽气阀与真空泵相连，所述充气阀用于向腔内注入气体。
7.所述的一种自组织多层放电等离子体产生装置，还包括空心圆柱，所述空心圆柱底部与所述绝缘杆固定连接，中心设置有电极孔，所述电极水平设置在所述电极孔内。
8.所述调节器为千分尺。
9.所述绝缘杆的材料为聚四氟乙烯，所述滑动支撑体和导轨为不锈钢制成，所述真空腔体为不锈钢材料制成，其上方设置有上法兰，所述上法兰上左右两端分别置有把手，中心部分置有观察窗，所述电极为铜电极。
10.所述的一种自组织多层放电等离子体产生装置，所述高压电源用于产生频率为5～20khz的电压。
11.所述真空腔体的腔壁上还设置有放气阀和真空测量规，所述放气阀用于向外放气，以控制真空腔体的气压，所述真空测量规用于测量真空腔体内的真空度。
12.此外，本发明还提供了一种自组织多层放电等离子体产生方法，采用权利要求所述的一种自组织多层放电等离子体产生装置实现，包括以下步骤：
13.步骤一：通过调节器调节电极间距到合适位置，开启真空泵，对真空腔体进行抽真空到7kpa以下，并保持气压值稳定；
14.步骤二：向真空腔体内充入惰性气体，直至真空腔体内气压为9～20kpa之间，然后开启高压电压给两个电极之间施加300-500v三角电压；
15.步骤三：通过调节器调节电极间距，或者控制冲入充入惰性气体后的真空腔体气压，或者向真空腔体注入双原子气体，实现电极间放电等离子体的控制，使其产生明暗相间的自组织多层氩气等离子体。
16.所述的一种自组织多层放电等离子体产生方法，还包括以下步骤：
17.步骤四：通过继续充入惰性气体，调节电极间距，或者注入双原子气体实现层状放电的消除。
18.所述步骤二中，注入的惰性气体为氩气；
19.所述步骤四中，注入的双原子气体为摩尔分数为0.5％～5％的氧气或氮气。
20.本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
21.1、本发明提供了一种自组织多层放电等离子体产生装置与方法，利用对电极结构进行优化，通过气体放电技术实现惰性气体放电形成层状等离子体，对此条件下产生的放电分层现象的基本原理是，层状等离子体的形成与放电过程中产生的丰富的亚稳态原子有关，亚稳态原子导致的分步电离过程会引起电离不稳定性，这种不稳定性以电离波的形式传播，使得等离子体参数发生纵向调幅，从而形成明暗相间的层状等离子体。通过加入极少量双原子分子气体可有效消除这种层状结构的放电，使等离子体变成连续的稳定的放电，产生的多层放电等离子体可以可控消除。
22.2、本发明可产生一种肉眼清晰可辨的自组织多层放电等离子体，有别于低气压下(pa量级)约束管内的多层放电等离子体特征，且本发明结构简单，流程简单，过程环保，连续可控，产生并消除这种多层放电等离子体对探索研究气体激光器内的放电过程具有指导意义，利用本发明可以对一些气体激光器，气体灯具中出现的放电多层现象，等离子体不稳定性现象进行分析，从而提高激光器及灯具的光电性能。在激光制备、等离子体控制等领域有重要的应用价值。
23.3、本发明通过加入双原子分子气体，一方面有效淬灭了亚稳态氩原子，减小了分步电离的源头；另一方面改变了电子能量分布函数，使其趋向麦克斯韦分布，从而放电变得稳定。
附图说明
24.图1是本发明实施例一提供的一种自组织多层放电等离子体产生装置结构示意图；
25.图2是本发明实施例一提供的一种自组织多层放电等离子体产生装置垂直剖面示意图；
26.图3是本发明实施例一中上法兰的俯视图；
27.图4是从观察窗观测自组织多层放电等离子体的示意图；
28.图5为本发明实施例二中得到的等离子体的放电图像，图中(a)为气压为20.17kpa下氩气放电图像，(b)为气压为23.37kpa下氩气放电图像；
29.图中，1为真空腔体，2为上法兰，3为把手，4为观察窗，5为高压法兰，6为电极接头，8为高压电源，9为抽气阀，10为充气阀，14为导轨，15为滑动支撑体，16为绝缘杆，17为空心圆柱19为电极传动杆，18为电极，20为调节器。
具体实施方式
30.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.实施例一
32.如图1～3所示，本发明实施例提供了一种自组织多层放电等离子体产生装置，包括：真空腔体1，所述真空腔体1的腔壁上通过高压法兰5固定设置有两个电极接头6，所述真空腔体1内设置有导轨14，所述导轨14上设置有两个滑动支撑体15，每个滑动支撑体15上均设置有一个绝缘杆16，每个绝缘杆16上均设置有一个电极18，两个电极18的尖端相对设置形成放电体，所述电极接头6通过导线与所述电极18和高压电源8连接；其中一个滑动支撑体15与电极传动杆19的一端固定连接，电极传动杆19的另一端穿过真空腔体1的腔壁与调节器20连接，所述调节器20固定设置在真空腔体1外的腔壁上，用于推动所述电极传动杆19，进而带动其中一个绝缘杆16沿所述导轨14滑动调整两个电极18之间的距离；所述真空腔体1的腔壁上设置有抽气阀9和充气阀10，抽气阀9与真空泵相连，所述充气阀10用于向腔内注入气体。
33.具体地，本实施例的一种自组织多层放电等离子体产生装置，还包括空心圆柱17，所述空心圆柱17底部与所述绝缘杆16固定连接，中心设置有电极孔，所述电极18水平设置在所述电极孔内。空心圆柱17底部有个连接柱，连接柱通过中心的连接孔套设在绝缘杆16顶部，并通过螺栓与绝缘杆16固定。
34.具体地，本实施例中，所述调节器20为千分尺，其尺架固定设置在真空腔体1的腔壁上，测杆穿过腔壁与电机传动杆19固定连接，则通过旋转测杆，可以调节两个电极之间的距离，经过校准以后，测杆上的读数可以显示两个电极之间的距离。
35.具体地，本实施例中，所述绝缘杆16的材料为聚四氟乙烯，所述滑动支撑体15和导轨14为不锈钢制成，所述真空腔体1为不锈钢材料制成，其上方设置有上法兰2，通过上法兰2可以打开腔体，调节腔体内的电极间距。所述上法兰2上左右两端分别置有把手3，中心部分置有内径为35mm的观察窗4，所述电极18为铜电极。此外，两个电极接头6与高压法兰5之间设置有聚四氟乙烯用于隔离绝缘。
36.具体地，所述高压电源8用于产生5～20khz的三角波电压。真空腔体1的容积为(长
×
宽
×
高)为462mm
×
210mm
×
210mm。
37.进一步地，本实施例中，所述真空腔体1的腔壁上还设置有放气阀11和真空测量规12，所述真空腔体1通过放气阀11向外放气，以控制真空腔体1的气压，所述真空测量规12用于测量真空腔体1内的真空度。此外，真空泵可以为旋片式真空泵。
38.实施例二
39.本发明实施例二提供了一种自组织多层放电等离子体产生方法，采用实施例一所述的一种自组织多层放电等离子体产生装置实现，包括以下步骤：
40.步骤一：通过调节器20调节电极间距到合适位置，开启真空泵，对真空腔体1进行抽真空到7kpa以下，并保持气压值稳定。
41.首先，需要在真空腔体1内安装导轨和电极，并设置好电极间的距离，例如设置为1～2mm，然后安装好上法兰，保持真空腔体密封良好。
42.步骤二：向真空腔体1内充入惰性气体，直至真空腔体1内气压为9～20kpa之间，然后开启高压电压8给两个电极之间施加300-500v三角电压，使电极间产生放电等离子体。具体地，所述惰性气体为氩气。
43.步骤三：通过调节器20调节电极间距、或者通过控制充入惰性气体后的真空腔体气压，实现电极间放电等离子体的控制，使其产生明暗相间的自组织多层氩气等离子体。
44.本实施例中，自组织多层放电等离子体产生的优选条件是：电极上施加的电压为400v，三角电压的频率优选为10khz，电极间距为5mm，缓慢充入惰性气体后在正负电极间的放电等离子体会形成明暗相间的自组织多层放电等离子体。
45.步骤四：通过继续充入惰性气体，调节电极间距，或者注入双原子气体实现层状放电的消除。
46.本实施例中，电极间距和真空腔体气压的调节可以实现放电层数和间距的调节。
47.实验发现，增加电极间距至合适距离，例如，增加至5-20mm，可以调节放电层数。多层放电等离子体形态自行组织成为每增加2mm放电层数目增加一个，但放电层间隔保持不变。如图4所示，通过顶部的观察窗，可以观测真空气室1内的放电等离子体。
48.实验发现，逐渐充入惰性气体，随着惰性气体逐渐增加至腔室气压至一个标准大
气压，等离子体形态发生自行组织，形成明暗相间的自组织多层放电等离子体后，放电层数目变密且增加，如图5中a和b所示。
49.实验还发现，当产生氩气放电分层(9～20kpa)后，如果缓慢充入氮气使腔室气压增加为24kpa，多层等离子体形态自行组织成为连续柱状等离子体，层状放电消失。
50.因此，本发明中，可以通过注入双原子气体实现层状放电的消除，通入的双原子分子气体为摩尔分数为0.5％～5％，逐渐通入摩尔分数为2％的氮气，氩气多层放电等离子体的层状结构逐渐变为连续结构，多层放电即被有效消除；通入摩尔分数为5％的氮气，等离子体熄灭。
51.因此，本实施例中，还可以注入双原子分子，来控制放电层数目及各个放电层的间距。此外，还可以通过调节气压，调节电极间距，或者注入双原子气体实现层状放电的消除。
52.本实施例中，产生多层放电等离子体后，缓慢控制调节导轨机构使得电极间距由5mm增加到20mm，多层放电等离子体形态自行组织成为每增加2mm放电层数目增加一个，但放电层间隔保持不变。产生多层放电等离子体后，除了调节气压和电极间距外，可通过注入双原子气体可有效淬灭亚稳态氩原子的气体达到控制自组织多层放电等离子体的形态。
53.本发明在较高气压下(kpa级)无约束管(自由空间)的腔室内发现一种自组织氩气多层放电等离子体，并且发现这种这种多层放电等离子体与放电不稳定性的体现，这种不稳定性与带电粒子体积损失率有关，离解复合是带电粒子损失的主要通道；它与惰性气体，例如氦气的he
2+
振动转动布居有关，因为分子态和反键态的势能曲线在第三振动能级区域存在交叉，这会导致复合速率对电子温度和气体温度的强烈非线性关系(从气体温度下的玻尔兹曼分布到电子温度下的玻尔兹曼分布，具体取决于放电条件)。本发明对认识和理解氦气在各种条件下放电分层和收缩性质，揭示出氦气放电不稳定性的主要物理机制，填补人们对这类不稳定性认识上的部分空白。此外，本发明在激光制备，等离子体控制等领域有重要的应用价值。
54.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。