專利名稱：一種射頻放電裝置及空芯光纖射頻放電系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于氣體放電技術領域，更具體地，涉及一種射頻放電裝置及空芯光纖射頻放電系統(tǒng)。
背景技術：
空芯光纖憑借其獨特的導光機制，在遠距離傳輸和曲徑傳輸等方面有著優(yōu)異的表現。天生的結構優(yōu)勢和損耗表現使空芯光纖成為各項研究的熱點。針對空芯光纖的氣體放電技術研究，在氣相沉積和氣體激光等領域有著極大的應用前景。氣體放電主要原理是將電場施加于氣體，使氣體中的電子在外加電場的作用下獲得較大的速度，并在運動過程中與其他中性粒子或帶電粒子發(fā)生碰撞，從而進行能量傳遞和分化。從施加電場的方式，可將氣體放電分為直流放電或者交流放電。直流放電采用高壓直流電源驅動。二次電子激發(fā)是直流擊穿和維持放電的重要機制，其中最為主要的是正離子激發(fā)電子的過程，即電子碰撞產生的正離子，在電場力驅使下轟擊陰極，致使冷陰極發(fā)射電子的過程。不同于高效的熱激發(fā)，二次電子激發(fā)產生的電子僅能維持較小的電流密度，因此直流放電的擊穿和維持電壓均較高，且陰極的濺射效果較明顯，對電極有一定程度的損害。交流放電，尤其是高頻放電，采用高頻交變電源驅動。電子在交變的電場作用下來回振蕩，其與氣體粒子碰撞的次數和電離能力較直流放電時有明顯增強。碰撞過程產生的新電子完全足以維持放電，與電極直接相關的二次電子激發(fā)過程不再起關鍵作用，所以在高頻放電中，電極可以移至放點區(qū)域之外，甚至是無電極，結構形式多樣。氣體擊穿和維持放電所需要的電壓幅度也因電子的高頻振蕩而相較直流放電時小。上述的優(yōu)勢使高頻放電激勵成為氣體放電的重要激勵技術之一。當前，在氣相沉積領域，對空芯光纖的內層覆膜技術已經成功拓展到了 50微米的尺度。其中，放電方式為高頻放電，微電極等間距地纏繞于空芯光纖外部以產生交變的縱向電場。電源輸出的頻率為5千赫茲，電壓為5千伏?？梢?放電維持的電壓仍有進一步降低的空間，且因空芯光纖與電極的設置方式，實際覆膜的距離與裝置的尺寸直接相關，難以兼顧覆膜距離和裝置小型化。在空芯光纖的氣體激光領域，對空芯光纖中氣體的光激勵技術，在中紅外波段已獲得實質性進展因乙炔對1. 5微米波段的吸收效應，通過脈寬為5納秒，波長為1. 5微米的光脈沖對充入空芯光纖中的氣壓為數托的乙炔氣體進行泵浦，研究人員成功獲得了 3. 12微米和3. 16微米的激光。吸收譜與乙炔相似的氰化氫也可以通過該泵浦方式獲得中紅外激光。而對于短波長的電激勵，如氦氖氣體，因放電在微小尺度下難以形成和維持，以及損耗的限制，放電管的管徑仍較大。且傳統(tǒng)的氣體激光射頻激勵裝置中，其電極的典型形狀為板條狀，為了使放電距離較長，電極的實際尺寸也需要相應增加，不利于小型化。因此，充當放電腔體的空芯光纖的芯徑仍有進一步收縮的空間，放電特征距離也有待進一步增加。

發(fā)明內容
針對現有技術的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種空芯光纖射頻放電系統(tǒng)，旨在解決現有技術中放電裝置緊湊性不足、激勵效率偏低的問題。本發(fā)明提供了一種射頻放電裝置，包括射頻電源，用于輸出射頻功率；匹配網絡，輸入端與所述射頻電源連接，用于實現射頻功率的無相移傳輸；電極，包括內電極和外電極，所述內電極與所述外電極均為空芯圓柱體金屬電極，所述內電極的外徑小于所述外電極的內徑；所述內電極位于所述外電極的內部，所述內電極與所述匹配網絡的輸出端正極連接，所述外電極與所述匹配網絡的輸出端地極連接后接地；以及空芯光纖，纏繞于所述內電極的外表面，所述空芯光纖的兩端分別與所述氣配裝置連接；工作時，射頻電源在內電極和外電極之間產生交變電場，交變電場驅動空芯光纖中的氣體所含的電子往復運動，電子在運動過程中與其它粒子碰撞產生放電等離子體。更進一步地，所述射頻放電裝置還包括與所述匹配網絡的輸出端地極連接的金屬屏蔽罩，罩住匹配網絡、內電極、外電極以及空芯光纖，用于屏蔽射頻輻射。更進一步地，根據空芯光纖的外徑調整所述內電極與所述外電極的直徑。更進一步地，所述電極還包括位于所述內電極兩端的出水口和入水口。更進一步地，匹配網絡與射頻電源之間通過同軸線纜連接；匹配網絡與電極之間通過銅帶連接。更進一步地，所述匹配網絡包括電感、第一可調電容和第二可調電容；電感的一端與所述射頻電源連接，另一端與內電極連接；第一可調電容的一端與所述電感的一端連接，第一可調電容的另一端接地；第二可調電容的一端與所述電感的另一端連接，第二可調電容的另一端接地。本發(fā)明還提供了一種空芯光纖射頻放電系統(tǒng)，包括射頻放電裝置和氣配裝置；所述射頻放電裝置為上述的射頻放電裝置。更進一步地，所述氣配裝置包括第一氣室、第二氣室、第一氣壓計、第二氣壓計、第一真空閥門、第三氣壓計、氣配室、第二真空閥門、供氣源、第三真空閥門、第四真空閥門、第五真空閥門、渦輪分子泵和機械泵；機械泵作為所述氣配裝置的前級泵，渦輪分子泵作為所述氣配裝置的后級泵，空芯光纖的兩端分別與第一氣室和第二氣室相連，第一氣室由與之相連的第一氣壓計監(jiān)測，第一氣室還依次通過第一真空閥門和第四真空閥門與氣配室相連；第二氣室的氣壓由與之相連的第二氣壓計監(jiān)測，氣配室與通過第二真空閥門與多個供氣源相連，第二氣室還依次通過第三真空閥門和第四真空閥門與氣配室相連；氣配室的氣壓由與之相連的第三氣壓計監(jiān)測，氣配室還依次通過第四真空閥門和第五真空閥門與渦輪分子泵相連。本發(fā)明克服了微小尺度下電子因放電空間狹小而無法擊穿和維持的困難。使用射頻電源進行放電，放電穩(wěn)定，可靠性高，放電電壓低。有別于傳統(tǒng)垂直激勵的方式能夠更有效的激發(fā)工作物質中的粒子。而更高的射頻頻率在氣壓較大的情況下也將帶來更高的激發(fā)效率。此外，還能消除受激粒子和粒子團的徑向遷移以及放電等離子體的震蕩。以新穎的光纖纏繞方式及電極設置方式，增加了放電的距離和激勵的效率。


圖1是本發(fā)明實施例提供的空芯光纖射頻放電系統(tǒng)中射頻放電裝置的結構示意圖；圖2是本發(fā)明實施例提供的空芯光纖射頻放電系統(tǒng)中空芯光纖纏繞電極的軸測圖；圖3是本發(fā)明實施例提供的空芯光纖射頻放電系統(tǒng)中空芯光纖纏繞電極的剖視圖；圖4是本發(fā)明實施例提供的空芯光纖射頻放電系統(tǒng)中匹配網絡的具體電路圖；圖5是是本發(fā)明實施例提供的空芯光纖射頻放電系統(tǒng)中氣配裝置的結構示意圖。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。本發(fā)明提供的空芯光纖射頻放電系統(tǒng)由射頻電源產生射頻輸出，再通過匹配網絡與電極耦合到空芯光纖中。電極間的距離，即內外電極的直徑差，可根據空芯光纖的外徑進行設計調整。空芯光纖中因耦合得到的射頻電場使氣體電離，空芯光纖由不導電狀態(tài)轉變?yōu)閷щ姞顟B(tài)。圖1示出了本發(fā)明實施例提供的空芯光纖射頻放電系統(tǒng)中射頻放電裝置的結構，為了便于說明，僅示出了與本發(fā)明實施例相關的部分，詳述如下空芯光纖射頻放電系統(tǒng)包括射頻放電裝置和氣配裝置；射頻放電裝置包括射頻電源101、匹配網絡103、電極和空芯光纖106，射頻電源101用于輸出射頻信號；匹配網絡103的輸入端與射頻電源101連接，用于實現射頻功率的無相移傳輸；電極包括內電極104和外電極105,內電極104與外電極105均為空芯圓柱體金屬電極，內電極104的外徑小于外電極105的內徑；內電極104位于外電極105的內部，內電極104與匹配網絡103的輸出端正極連接，外電極105與匹配網絡103的輸出端地極連接后接地，空芯光纖106纏繞于內電極104的外表面，空芯光纖106的兩端分別與氣配裝置連接；工作時，射頻電源101在內電極104和外電極105之間產生交變電場,交變電場驅動空芯光纖106中的氣體所含的電子往復運動，電子在運動過程中與其它粒子碰撞產生放電等離子體。本發(fā)明實施例提供的空芯光纖射頻放電系統(tǒng)可以在微米量級的空芯光纖繞成的類螺線管狀的結構中通過射頻放電的方式產生等離子體。具有方法簡單、噪音低、能量損耗小、裝置結構緊湊、效率高等優(yōu)點。在本發(fā)明實施例中，射頻放電裝置還包括與匹配網絡103的輸出端地極連接的金屬屏蔽罩102，用于罩住匹配網絡103、內電極104、外電極105以及空芯光纖106，金屬屏蔽罩102可以屏蔽射頻輻射。在本發(fā)明實施例中，如圖2和圖3所示，內電極104和外電極105均為空芯圓柱體金屬電極，長度相同，兩端均開口。內電極104的外徑小于外電極105空芯內徑。內電極104置于外電極105內部?？招竟饫w106被纏繞在內電極104外表面,外電極105與內電極104間的空隙尺寸為微米量級。內電極104中水槽301用于通入水流進行散熱。內電極104兩端具有與水槽301直接相連的入水口 302和出水口 303，入水口 302和出水口 303通過高密封性水管與外部冷卻水系統(tǒng)相連，外部冷卻水系統(tǒng)可為典型的循環(huán)水散熱系統(tǒng)，以節(jié)約資源。內電極104為驅動電極，外電極105為地電極。外電極105接地以輔助內電極104完成放電，并與金屬屏蔽罩102共同屏蔽射頻輻射。為避免普通導線的趨膚效應，射頻放電系統(tǒng)中各部件應以同軸線纜或銅帶連接。匹配網絡與射頻電源之間通過同軸線纜或銅帶連接；匹配網絡與電極之間通過同軸線纜或銅帶連接。在本發(fā)明實施例中，空芯光纖106充當放電腔體,根據空芯光纖106的外徑可以調整內電極104與外電極105的直徑。射頻電源101產生的頻率為兆赫茲量級，功率可調。為了實現功率源的無相移最大功率傳輸與注入，需要在電極與射頻電源間加入匹配網絡103。匹配網絡103、電極與空芯光纖106安置于金屬屏蔽罩內?？招竟饫w纏繞于內電極外表面。內電極有出入水口以進行水冷。在本發(fā)明實施例中，為去除容性與感性器件或是電路寄生參數造成的功率反射， 應合理設計匹配網絡103以保證射頻放電裝置的阻抗匹配。典型的匹配網絡103多為電容電感以串聯(lián)混合并聯(lián)方式構成。匹配網絡103可以為典型的π型匹配網絡，還可以為L型匹配網絡等。如圖4所示，π型匹配網絡具體包括電感L、第一可調電容Cl和第二可調電容C2 ;電感L的一端與所述射頻電源連接，另一端與內電極連接；第一可調電容Cl的一端與所述電感L的一端連接，第一可調電容Cl的另一端接地；第二可調電容C2的一端與所述電感L的另一端連接，第二可調電容C2的另一端接地。在本發(fā)明實施例中，氣配裝置為空芯光纖放電的氣體混合、填充和抽空模塊，如圖5所不，氣配裝置包括第一氣室501、第二氣室502、第一氣壓計503、第二氣壓計504、第一真空閥門505、第三氣壓計506、氣配室507、第二真空閥門508、供氣源509、第三真空閥門510、第四真空閥門511、第五真空閥門512、渦輪分子泵513和機械泵514 ;機械泵514作為氣配裝置的前級泵，渦輪分子泵513作為所述氣配裝置的后級泵，機械泵514與渦輪分子泵513組合提供氣配系統(tǒng)和放電腔體的高度真空環(huán)境?？招竟饫w106的兩端分別與第一氣室501和第二氣室502相連，便于充氣和抽氣。第一氣室501由與之相連的第一氣壓計503監(jiān)測，第一氣室501還依次通過第一真空閥門505和第四真空閥門511與氣配室507相連；第二氣室502的氣壓由與之相連的第二氣壓計504監(jiān)測，氣配室507與通過第二真空閥門508與多個供氣源509相連，第二氣室502還依次通過第三真空閥門510和第四真空閥門511與氣配室507相連；氣配室507的氣壓由與之相連的第三氣壓計506監(jiān)測，氣配室507還依次通過第四真空閥門511和第五真空閥門512與渦輪分子泵513相連。氣配室與多個供氣源相連，用以不同配比的氣體混合或提供單一的氣體。氣配室配以氣壓計，用于監(jiān)測腔內氣壓。為確保氣配系統(tǒng)的氣密性，各部件間應以高氣密性氣管連接，不同接口間應以密封墊圈和接口緊固裝置對接。機械泵514和渦輪分子泵513負責對整套氣配裝置進行抽空。因空芯光纖106內徑和外徑非常小,所以對空芯光纖106的固定、充氣和抽氣操作需要通過第一氣室501和第二氣室502完成。氣配室507用于按需混合不同比例不同壓強的氣體。所有真空閥門用于配合充氣和抽氣的不同過程進行氣流控制，控制各氣路連接關系，以滿足抽氣和充氣狀態(tài)下的氣路連通性的不同需要，同時有效地減少工作氣體的浪費。本發(fā)明克服了微小尺度下電子因放電空間狹小而無法擊穿和維持的困難。使用射頻電源進行放電，放電穩(wěn)定，可靠性高，放電電壓低。有別于傳統(tǒng)垂直激勵的方式能夠更有效的激發(fā)工作物質中的粒子。而更高的射頻頻率在氣壓較大的情況下也將帶來更高的激發(fā)效率。此外，還能消除受激粒子和粒子團的徑向遷移以及放電等離子體的震蕩。以新穎的光纖纏繞方式及電極設置方式，增加了放電的距離和激勵的效率。為了更進一步的說明本發(fā)明實施例提供的空芯光纖射頻放電系統(tǒng)，現在結合具體實例詳述如下將芯徑為100微米的空芯光纖106連接進放電裝置。關閉供氣源509與氣配室507間的第二真空閥門508，打開其余所有閥門。由機械泵514將系統(tǒng)抽至O. 5帕，再聯(lián)合渦輪分子泵513將系統(tǒng)抽至O. 001帕。關閉氣配室507與渦輪分子泵513間的第四真空閥門511，打開供氣源509與氣配室507間的第二真空閥門508。打開氦氣源509，為氣配室507先充入10托氦氣。再打開氖氣源509，為氣配室507充入2托氖氣，得到氦氖配比為5:1的混合工作氣體。關閉供氣源509與氣配室507間第二真空閥門508，關閉渦輪分子泵前的第五真空閥門512，關閉渦輪分子泵513和機械泵514。打開氣配室507的第四真空閥門511和兩個氣室前的第一真空閥門505、第三真空閥門510，為空芯光纖106充入10托混合氣體后，關閉氣配室507的第四真空閥門511和兩個氣室前的第一真空閥門505、第三真空閥門510。開啟射頻電源101，調節(jié)功率輸出為100瓦，放電等離子體產生。本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種射頻放電裝置，其特征在于，包括 射頻電源，用于輸出射頻功率； 匹配網絡，輸入端與所述射頻電源連接，用于實現射頻功率的無相移傳輸； 電極，包括內電極和外電極，所述內電極與所述外電極均為空芯圓柱體金屬電極，所述內電極的外徑小于所述外電極的內徑；所述內電極位于所述外電極的內部，所述內電極與所述匹配網絡的輸出端正極連接，所述外電極與所述匹配網絡的輸出端地極連接后接地；以及 空芯光纖，纏繞于所述內電極的外表面，所述空芯光纖的兩端分別與所述氣配裝置連接； 工作時，射頻電源在內電極和外電極之間產生交變電場，交變電場驅動空芯光纖中的氣體所含的電子往復運動，電子在運動過程中與其它粒子碰撞產生放電等離子體。
2.如權利要求1所述的射頻放電裝置，其特征在于，所述射頻放電裝置還包括與所述匹配網絡的輸出端地極連接的金屬屏蔽罩，罩住匹配網絡、內電極、外電極以及空芯光纖，用于屏蔽射頻輻射。
3.如權利要求1所述的射頻放電裝置，其特征在于，根據空芯光纖的外徑調整所述內電極與所述外電極的直徑。
4.如權利要求1所述的射頻放電裝置，其特征在于，所述電極還包括位于所述內電極兩端的出水口和入水口。
5.如權利要求1所述的射頻放電裝置，其特征在于，匹配網絡與射頻電源之間通過同軸線纜連接；匹配網絡與電極之間通過銅帶連接。
6.如權利要求1所述的射頻放電裝置，其特征在于，所述匹配網絡包括電感、第一可調電容和第二可調電容； 電感的一端與所述射頻電源連接，另一端與內電極連接； 第一可調電容的一端與所述電感的一端連接，第一可調電容的另一端接地； 第二可調電容的一端與所述電感的另一端連接，第二可調電容的另一端接地。
7.—種空芯光纖射頻放電系統(tǒng)，包括射頻放電裝置和氣配裝置；其特征在于，所述射頻放電裝置為權利要求1-6任一項所述的射頻放電裝置。
8.如權利要求7所述的空芯光纖射頻放電系統(tǒng)，其特征在于，所述氣配裝置包括第一氣室、第二氣室、第一氣壓計、第二氣壓計、第一真空閥門、第三氣壓計、氣配室、第二真空閥門、供氣源、第三真空閥門、第四真空閥門、第五真空閥門、渦輪分子泵和機械泵； 機械泵作為所述氣配裝置的前級泵，渦輪分子泵作為所述氣配裝置的后級泵，空芯光纖的兩端分別與第一氣室和第二氣室相連，第一氣室由與之相連的第一氣壓計監(jiān)測，第一氣室還依次通過第一真空閥門和第四真空閥門與氣配室相連；第二氣室的氣壓由與之相連的第二氣壓計監(jiān)測，氣配室與通過第二真空閥門與多個供氣源相連，第二氣室還依次通過第三真空閥門和第四真空閥門與氣配室相連；氣配室的氣壓由與之相連的第三氣壓計監(jiān)測，氣配室還依次通過第四真空閥門和第五真空閥門與渦輪分子泵相連。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種空芯光纖射頻放電系統(tǒng)，包括射頻放電裝置和氣配裝置；射頻放電裝置包括射頻電源、匹配網絡、電極和空芯光纖，電極包括內電極和外電極，內電極與外電極均為空芯圓柱體金屬電極，內電極的外徑小于外電極的內徑；內電極位于外電極的內部，空芯光纖纏繞于內電極的外表面，空芯光纖的兩端分別與氣配裝置連接；工作時，射頻電源在內電極和外電極之間產生交變電場，交變電場驅動空芯光纖中的氣體所含的電子往復運動，電子在運動過程中與其它粒子碰撞產生放電等離子體。本發(fā)明提供的空芯光纖射頻放電系統(tǒng)可以在微米量級的空芯光纖繞成的類螺線管狀的結構中通過射頻放電的方式產生等離子體；具有方法簡單、噪音低、能量損耗小、裝置結構緊湊、效率高等優(yōu)點。
文檔編號H05H1/46GK103025042SQ20121052402
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月7日 優(yōu)先權日2012年12月7日
發(fā)明者段練, 王新兵, 左都羅, 陸培祥 申請人:華中科技大學