基于波导耦合反应腔串联的线形微波等离子体源

通过将两个波导耦合反应腔串联,得到了具有线形结构的微波等离子体源。利用光纤光谱仪沿等离子体轴向测量不同位置的等离子体发射光谱,对等离子体中不同基团的发射光谱强度进行了比较分析,研究了反应腔结构对等离子体均匀性的影响。实验结果表明:通过将波导耦合反应腔串联可以在引导天线表面产生圆柱状的线形等离子体,等离子体沿轴向的均匀性与引导天线外径尺寸和两端的模式转换棒的位置有关,当引导天线外径为4 mm,模式匹配棒伸入量为10 mm时,等离子体的不均匀性小于10%。     

微波等离子体化学气相沉积装置的工作原理

微波等离子体化学气相沉积（ＭＰＣＶＤ）是制备金刚石膜的一种重要方法。用简单实验方法给出了ＭＰＣＶＤ装置中微波模式转换、微波与等离子体耦合等工作原理。矩形波导中的ＴＥ１０模式经微波模式转换器转变为同轴线中的ＴＥＭ模式，再由ＴＥＭ模式转变为圆波导的ＴＭ０１模式。ＴＭ０１模式激发低压气体形成等离子体，等离子体严重影响微波模式分布。在国内首次成功运行了５ｋＷ天线耦合石英窗式ＭＰＣＶＤ装置。     

杆状氧化铍表面金刚石薄膜的生长

利用一种新型线形微波等离子体源以甲烷和氢气为反应气体在135 mm×1 mm×0.5 mm杆状氧化铍表面沉积金刚石膜。研究了氧化铍基底预处理对金刚石形核密度和膜的连续性,以及基底温度对金刚石质量的影响。通过扫描电镜、拉曼光谱对沉积的金刚石膜表面形貌以及质量进行表征。实验结果表明:600#砂纸与金刚石粉混合预处理可以大大提高氧化铍表面金刚石的形核密度,得到连续性较好的金刚石薄膜;同时,基底温度不仅影响着金刚石膜的表面形貌,也影响着金刚石膜的质量。基底温度较低时,金刚石膜在沉积过程中二次形核增强,非金刚石相含量较高;提高沉积温度后,等离子体中H原子浓度增加,有利于金刚石质量的提高。     

大面积平面表面波等离子体的研究

低温等离子体技术已被广泛应用于各高科技领域 ,并且应用范围仍然在迅速拓展 ,这对等离子体本身提出了更高的要求 ,平面大面积、高密度均匀等离子体源是目前最迫切的需求之一。作者主要介绍表面波激发等离子体的原理 ,并在自行研制的一套平面大面积表面波等离子体源上 ,利用静电双探针测量了其Ar气放电的角向、径向和轴向的电子密度和温度。发现角向电子密度和温度均匀性与耦合天线及气压密切相关而与入射功率无关 ;径向电子密度和温度均匀性则与入射微波功率及气压密切相关而与耦合天线无关。因此 ,通过优化耦合天线来获得径向参数的均匀性及微波耦合效率 ,并增大微波功率、选择适当的气压 ,可产生大面积平面高密度等离子体     

用于大面积材料表面改性研究的微波等离子体源

介绍了环形狭缝波导天线等离子体源的原理和结构。采用微波单探针测量了无等离子体情况下环形波导狭缝天线内的电场分布，利用Langmuir双探针测量了该源的氩等离子体的特性，结果表明在微波功率为200～600W，运行气压为40～600Pa范围内，电子温度可达0.5～3eV，离子密度最高达6×1010cm-3在气压为100Pa，等离子体的直径为16cm范围内，其不均匀性不超过25％。     

平面天线结构对电场强度分布的影响

建立电感耦合等离子体源（ＩＣＰＳ）平面天线的电磁场模型，并进行模拟计算。计算结果表明，天线环数较多时，电场强度分布较均匀，基片上离子流密度分布较均匀。若由平面形改为螺旋帽形，能改善电场强度分布，从而改善基片上离子流密度分布的均匀性。还讨论了天线结构对电场强度的影响。     

交叉型天线感应耦合等离子体源放电特性及均匀性

本文介绍了一种交叉型天线射频感应耦合等离子体源,射频天线穿过交叉排列的石英管内置于真空腔体中.本文运用朗谬尔探针方法诊断了放电等离子体的参量及其均匀性,运用发射光谱技术进行了Af谱线[4s'(1/2)0-4p'(1/2)]的发光强度的表征,并使用自制的Rogowski线圈测量了天线中的射频电流变化.结果表明,等离子体放电随着射频输入功率的增加存在着E模式向H模式的转变,H模式放电时发光强度及射频电流明显增大.电子温度随气压的增大而降低,几乎不受功率的影响.该等离子体源所产生的等离子体密度较高,等离子体均匀性在中心±60mm区域内优于90%.     

线形微波等离子体CVD金刚石薄膜沉积技术

本文将讨论一种新型的微波等离子体CVD设备———线形微波等离子体CVD设备和其在金刚石薄膜制备技术中的应用。利用Langmuir探针方法对线形微波等离子体CVD设备产生的H2等离子体进行的等离子体参数测量表明,在工频半波激励的条件下,H2等离子体的电子温度和等离子体密度分别约为6 eV和1×1010/cm3。尝试利用线形微波等离子体CVD设备,在直径为0.5 mm的小尺寸硬质合金微型钻头上进行了金刚石涂层的沉积,获得了质量良好的金刚石涂层。由于线形微波等离子体CVD设备产生的等离子体面积具有容易扩大的优点,因而在需要使用较大面积等离子体的场合,它将有着很好的应用前景。     

空间环境模拟用ECR等离子体源标准装置研究

研究了以微波ECR等离子体源作为等离子体发生器的空间环境模拟装置。试验以氩气为放电气体,通过分析气压、微波功率、磁场等放电条件对微波ECR等离子体源的耦合作用,并结合COMSOL软件进行仿真验证,实现了等离子体电子密度、电子温度等特征参数的大范围可控调节。在等离子体源放电腔的出口处设计了扩散杯和栅网两种引出结构,使用不同类型和尺寸的Langmuir探针分别测量了两种引出结构下真空腔室内等离子体参数的径向变化,得到了引出结构对等离子体均匀性和稳定性的影响,分析比对了不同Langmuir探针的测试结果,得到一组最优等离子体诊断方式。这些工作对后续等离子体源标准装置研制和校准技术研究具有参考意义。     

1.3GHz高功率输入耦合器样机设计北大核心CSCD

本文研究的课题是1.3 GHz高功率输入耦合器模拟仿真,是基于2018年启动的上海光源硬X射线自由电子激光器大科学装置项目。该项目采用9-cell超导腔加速粒子,在每个超导腔和功率源之间连接一个输入耦合器,负责将功率源的能量传输到超导腔中加速粒子。本文设计是基于同轴线结构的高功率输入耦合器,其结构大致可分为四个部件:冷端、热端、同轴转换波导和内导体调节驱动。其中冷端和热端各包含一个圆柱形陶瓷窗,分别称为冷窗和热窗。冷端外导体和热端内外导体采用波纹管结构设计,通过内导体调节驱动调节耦合杆可以控制波纹管的伸缩,以改变内导体天线插入腔体的深度,从而实现耦合度可调以匹配不同的束流负载。同轴转换波导通过实现矩形波导到同轴波导的过渡,从而实现TE10模到TEM模的模式变换。本文就高功率耦合器的RF仿真方面阐述耦合器的设计过程。     

1.3GHz高功率输入耦合器样机设计

本文研究的课题是1.3 GHz高功率输入耦合器模拟仿真,是基于2018年启动的上海光源硬X射线自由电子激光器大科学装置项目。该项目采用9-cell超导腔加速粒子,在每个超导腔和功率源之间连接一个输入耦合器,负责将功率源的能量传输到超导腔中加速粒子。本文设计是基于同轴线结构的高功率输入耦合器,其结构大致可分为四个部件:冷端、热端、同轴转换波导和内导体调节驱动。其中冷端和热端各包含一个圆柱形陶瓷窗,分别称为冷窗和热窗。冷端外导体和热端内外导体采用波纹管结构设计,通过内导体调节驱动调节耦合杆可以控制波纹管的伸缩,以改变内导体天线插入腔体的深度,从而实现耦合度可调以匹配不同的束流负载。同轴转换波导通过实现矩形波导到同轴波导的过渡,从而实现TE_(10)模到TEM模的模式变换。本文就高功率耦合器的RF仿真方面阐述耦合器的设计过程。     

微波等离子化学气相沉积金刚石膜新型微波谐振腔设计

提出新型微波谐振腔用于化学气相沉积金刚石薄膜,腔体有效体积可以调节,采用环形介质窗口,置于沉积基台的下方,允许产生较大并且温度较高的等离子体。同轴内导体与沉积台相连接,微波从谐振腔底端传输经同轴导体耦合进入腔体。采用有限元的方法优化谐振腔的尺寸,使其能耦合进更大的微波能量,优化后,最大电场区域位于沉积台上方,并且均匀分布,在腔体内其它区域和介质窗口附近电场强度则很小,满足设计要求。采用时域有限差分法模拟了谐振腔在一定微波输入功率下产生等离子体的特性,并对设计的谐振腔进行试验研究,实验观察到的等离子体位置与模拟结果一致。     

微波表面波对管内壁沉积DLC薄膜的均匀性的研究

本文主要是开展对管状件内壁(如碳钢、聚酯PET瓶、塑料针筒等)采用微波表面波等离子体沉积薄膜的均匀性的研究。论文从沉积薄膜的工艺参数到微波耦合天线的设计对所沉积的纳米DLC薄膜均匀性的影响因素方面进行了探索,通过测量沿天线方向不同位置薄膜的沉积速率得到:影响微波等离子体沉积薄膜均匀性的因素主要是表面波强度的大小,Penning放电只能改善区域性薄膜沉积,不能在整个天线范围增强放电、不能制备均匀的纳米薄膜。     

金刚石膜气相沉淀技术中微波等离子体反应腔的数值模拟

采用有限积分法(FIT算法) ,并利用一种简单的等离子体模型模拟了具有轴对称的微波等离子体反应腔中微波场与等离子体的行为。计算出了给定等离子体的空间分布时电场的分布情况 ,以及给定电场的空间分布时等离子体的分布情况 ,从而得到微波———等离子体反应腔中电磁场稳定分布以及等离子体的放电位置。并依据实验中的一些可变参数 ,寻求影响等离子体放电位置的参数 ,为设计化学气相沉淀(CVD)技术沉积大面积金刚石膜微波反应腔提供依据     

MPCVD中双基片结构对等离子体的影响研究

在传统的波导耦合微波等离子体化学气相沉积装置中引入双基片结构,测量了金刚石沉积过程中的等离子体发射光谱,通过与单基片结构对比,比较研究了双基片对微波等离子体参数的影响。研究表明:在相同金刚石沉积参数下,双基片结构相比于单基片结构下等离子体基团强度更高。其中H_α基团强度远高于单基片台下H_α基团强度;随着甲烷浓度的增加,双基片结构下C_2基团强度上升更加显著,且在相同条件下,双基片结构下C_2与H_α的比值更小,有利于提高金刚石膜的质量。此外,双基片结构下等离子体电子温度较低且随气压的上升而进一步降低。     

金属表面等离子体激发的实时场分布研究

利用时域有限差分法的电磁场仿真软件建立了金属-绝缘体-金属波导结构模型,并通过持续扩展光源激发该波导结构产生表面等离子体波,研究了金属表面等离子体激发的实时场分布.结果表明,表面等离子体波的各电磁场分量可以沿着金属-绝缘体的接触面传播,但传播距离有限,且垂直于接触面向两侧指数衰减.     

基于波导等效阻抗建模用于钛铁矿微波还原的谐振腔体研究

提出了一种利用等效阻抗的思想来设计微波谐振腔。通过计算传输波导的主模等效阻抗与谐振腔近似等效阻抗匹配来确定谐振腔体的尺寸,从而使多模谐振腔与传输波导具有良好的匹配,微波源能够以最小的反射馈入谐振腔内。以钛铁矿作为加热研究的物料,利用HFSS软件分别对单馈口和多馈口多模腔的反射系数进行了优化仿真,并且给出了腔体内场分布的情况,仿真优化的结果与等效阻抗匹配方法计算值接近,验证了根据波导等效阻抗方法来设计腔体结构的可行性,为设计高温微波冶金多模腔体提供了新的参考依据。     

环形波导微波场分布的计算

提出了环形波导场分布的计算模型 ,计算了环形波导内的微波场分布。结果表明即使在环形腔直径大于微波波长时 ,微波能量也能传到真空室中心附近 ,这为实现大面积均匀等离子体提供了理论依据     

磁镜场在直接耦合式微波等离子体CVD金刚石膜装置中的应用

在自行设计出的直接耦合石英管式微波等离子体化学气相沉积fchemical Vapor Deposition,CVD）金刚石膜装置的石英管反应腔加上磁镜场,以更好地约束等离子体,使等离子体球成为“碟盘”状,提高了等离子体球的密度,在基本参数不变的情况下,沉积面积可由ψ30mm增长到50mm,沉积速度由每小时3．3μm增长到3．8μm,反射电流减小,从而减少了在石英管壁和观察窗的沉积,更好地利用微波能量,有效利用电离的活性基团沉积出高质量的（类）金刚石薄膜。     

Waveguide-surfatron型表面波等离子体源的特性研究

报道了所研制的Waveguide-surfatron型表面波等离子体源的特性,理论计算表明,激发表面波模式为m≥l模,在放电室中电磁场均匀性与等离子体的密度有关。实验结果指出,采用Ar气放电,在气压为10～1000Pa,微波功率800～1000W的范围内可形成大面(体)积(直径为160mm)等离子体,其电子温度为1～4eV,等离子体密度为10