種子激活改性設(shè)備中射頻電源的應(yīng)用研究

張波

摘 要：放電電源的選用對于種子激活改性設(shè)備的研制至關(guān)重要，敘述了射頻電源在等離子體種子激活改性設(shè)備中的重要性，在列舉了射頻電源應(yīng)用的懸浮電極和屏蔽電場兩項技術(shù)的基礎(chǔ)上，重點分析了射頻電源非工作區(qū)的屏蔽。射頻電源將廣泛應(yīng)用于等離子體激活改性設(shè)備。

關(guān)鍵詞：電極；等離子體；放電；裝置

中圖分類號：S330 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）10（c）-0000-00

利用等離子體高新技術(shù)實現(xiàn)改性處理已越來越為人們所認(rèn)可[1]，研制和開發(fā)等離子體改性的工業(yè)化設(shè)備也越來越受到重視。等離子體改性設(shè)備中的一個最重要的配件就是通過氣體放電產(chǎn)生等離子體的放電電源。

1 射頻電源在等離子體種子激活改性設(shè)備中的重要性

通常所用的電源按頻率分類可分為：直流電源、低頻電源、射頻電源和微波等[2-4]。如果是采用直流電源，則為了防止電弧的形成而需要使用限流電阻器，對不同的氣體和不同的工作條件，都要改變限流電阻阻值，因此難以調(diào)控，而且限流電阻本身也消耗電功率；對于低頻電源：由于激發(fā)頻率低，交變周期長，比等離子體存在的時間大，因而，在每半周期內(nèi)等離子體變暗或熄滅，極不穩(wěn)定；微波電源雖然頻率高，等離子體穩(wěn)定，反應(yīng)活性大，但對于大體積等離子體反應(yīng)室而言，不僅微波電源價格昂貴，而且難以獲得均勻的等離子體。所以在產(chǎn)生等離子體的低氣壓輝光放電中通常采用射頻電源[5]。

等離子體表面改性設(shè)備使用電源的原則是使等離子體中的活性粒子在電場作用下盡可能獲得更多的能量，相互進(jìn)行能量交換，尤其是發(fā)生非彈性碰撞。帶電粒子在電場作用下的運(yùn)動速率（U）和帶電粒子本身的遷移率（K）及電場強(qiáng)度（E）有關(guān)（U=KE），一般來說，離子的質(zhì)量是電子質(zhì)量的幾千倍，離子在電場方向的移動距離非常小，所以常視為靜止，而主要是電子的運(yùn)動。在低氣壓輝光放電的等離子體改性設(shè)備中通常使用的射頻電源的頻率是13.56 Mhz ，由于其頻率十分高，電子在快速的交變電場中往返振蕩，不斷的加速運(yùn)動就會從電場中獲得更多的能量，并將其能量轉(zhuǎn)換給其他粒子，又產(chǎn)生新的粒子和光子等。在這樣高頻電場的作用下，等離子體中活性粒子的熄滅時間比激發(fā)的半周期時間大得多，因此等離子體非常穩(wěn)定，反應(yīng)活性也非常強(qiáng)。另外，引進(jìn)射頻電源的兩片電極，只是產(chǎn)生高速變化的交變強(qiáng)電場，提供電子在電場中獲取能量，而并非有傳導(dǎo)電流通過（甚至在玻璃反應(yīng)室的情況，還可以無極放電），因此，電極本身不會過度加熱。同時，不論等離子體反應(yīng)室體積大小，使用射頻電源都可以獲得均勻的等離子體工作區(qū)。但是等離子體改性設(shè)備使用射頻電源也有不利之處：（1）需要一個阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，調(diào)節(jié)射頻等離子體的入射功率和反射功率，使電源的阻抗與等離子體阻抗相匹配。（2）由于射頻電源的頻率十分高，因而電源開啟時對其他部件的干擾十分強(qiáng)烈，或者在非工作區(qū)放電，以至于影響等離子體的改性效果，射頻的泄漏還會危害人體健康。

2 射頻電源應(yīng)用的兩項技術(shù)

（1）懸浮電極

射頻電源的輸出兩端連接在兩塊電極上，為使阻抗匹配更好，兩根引線盡可能等長，并且反應(yīng)室內(nèi)所有導(dǎo)電部件不與外殼相連（一般情況下，外殼是與地相通的），如果有一電極與外殼相連，則存在兩個弊端：① 不僅是電極之間放電，而且電極還要與外殼放電，形成非工作區(qū)的放電，損耗電源功率。②由于一個電極與外殼相連，則與外殼相連的那個電極的導(dǎo)電表面積將大大地大于另一個電極，等離子體產(chǎn)生之后，在表面積上的等離子體鞘形成的負(fù)電位也將相差懸殊，形成巨大的自偏壓，從而使放電中的直流成分增加，影響等離子體處理效果。

（2）屏蔽電場

放電電極即使不與外殼相連，由于射頻電源感應(yīng)效應(yīng)，電極也可能與外殼局部放電，產(chǎn)生等離子體非工作區(qū)，為此，在電極與外殼之間設(shè)置一懸浮的金屬板，從而阻斷其產(chǎn)生電場的可能，起了屏蔽電場的作用，達(dá)到預(yù)定的效果。

3 射頻電源非工作區(qū)屏蔽

當(dāng)外加頻率足夠高時，振蕩周期將可以與電子或離子（特別是離子）跨越等離子體和電極間的鞘層所需的時間相比擬，在這樣的射頻下（RF），注入功率與等離子體的互作用幾乎完全受位移電流而不是實在電流支配，因而物理過程就完全不同了。射頻電源最重要的優(yōu)點之一是：它與等離子體的互作用是通過位移電流而不是傳導(dǎo)電流，因而無需電極與等離子體相接觸即可實現(xiàn)互作用，特別是產(chǎn)純度的控制是一重要因素時，電極引起的污染是一嚴(yán)重的缺點，沒有攜帶電流的電極與等離子體相接觸，還可改善其可靠性，生產(chǎn)重復(fù)性，等離子體反應(yīng)器本身壽命及產(chǎn)品質(zhì)量。

沉積在等離子體內(nèi)的RF功率轉(zhuǎn)換為位移電流，不是真的電流。這意味著更少的電子和離子轟擊電極；通過真空室壁功率耦合較少；電極加熱較少；沒有或者弱得多的直流電弧電極噴注；較低的損失和壁復(fù)合，這些都是因為從等離子體中丟失電子和離子的減少機(jī)制。

通常，已經(jīng)證實RF產(chǎn)生的等離子體比等效DC或AC等離子體可更穩(wěn)定地運(yùn)行，特別是電極效應(yīng)方面和它可以在沒有某些DC或AC放電中出現(xiàn)的那種放電模式的躍變。RF等離子體可提供比具有相同電子密度的等效DC或 AC等離子體源更高的電子動力學(xué)溫度，這將有利于需要增加自由基的場合，如等離子體化學(xué)反應(yīng)或分解，以及電離反應(yīng)。RF產(chǎn)生的等離子體常常比具有相同體積和密度的等效 DC或AC等離子體有更高的電氣效率，部分原因是它們有更低的電極損失。鑒于以上的這種優(yōu)點，研制的大型冷等離子體改性設(shè)備就采用射頻（RF）電源作為工作電源。但是，對設(shè)備外殼采用金屬時，就必須對殼體進(jìn)行接地屏蔽，防止射頻（RF）泄漏而對人體產(chǎn)生危害。這就勢必帶來工作電極對地（即非工作區(qū)）放電問題。

因為在射頻（RF）輸出端為電感耦合，其原邊的一端為地，因為耦合的原理，可以肯定的說，其副邊的兩端都會對地放電。即使采用后的絕緣層隔離，都很難阻止極板對地的放電現(xiàn)象。這就造成了很大的功耗，使工作區(qū)的工作體無法正常被加工。而且，由于極板的對地放電，造成兩板的不平衡（在瞬間可以視作地加電極對另一電極）則兩極面積不對稱而產(chǎn)生自偏壓。這對等離子體化學(xué)反應(yīng)或分解以及電離是極為不利的。為此，通過反復(fù)試驗，找到了克服這種現(xiàn)象的根本措施——懸浮屏蔽法。所謂懸浮屏蔽法就是在電極和地之間采用金屬板隔離，（該金屬板為懸浮狀態(tài)）阻斷其產(chǎn)生交變電場的可能。這樣，在電極之間產(chǎn)生的正常的輝光放電，自偏壓亦很低（≤80V），各項技術(shù)指標(biāo)均能達(dá)到預(yù)期的要求。

4 總結(jié)

通過與直流電源、低頻電源和微波電源應(yīng)用對比分析，低氣壓輝光放電等離子體采用射頻電源優(yōu)勢明顯。通過射頻電源應(yīng)用是懸浮電極和屏蔽電場二項技術(shù)的應(yīng)用，將擴(kuò)展射頻電源在各類等離子體激活改性設(shè)備中的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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[4]莊洪春，孫鷂鴻，彭燕昌，等. 介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生等離子體技術(shù)研究[J]. 高電壓技術(shù)， 2002， 28（s1）：57-58

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