專利名稱：等離子體諧振腔的動態(tài)設(shè)計方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種等離子體的光纖預制棒加工設(shè)備，尤其涉及該設(shè)備中等離子體諧振腔的動態(tài)設(shè)計方法和利用這種方法制作的一種參數(shù)可調(diào)的諧振腔機械裝置。
背景技術(shù)：
在PCVD光纖預制棒制造系統(tǒng)中，微波等離子體反應(yīng)系統(tǒng)是產(chǎn)生化學氣相沉積的關(guān)鍵設(shè)備，而等離子體反應(yīng)器又是其中的核心部件。微波能量是通過民用微波波段的中心頻率為2450MHz(波長λ為12.24cm)、功率為數(shù)千瓦的連續(xù)波磁控管獲得。磁控管先在矩形的空心波導管激勵器中激發(fā)電磁波，電磁波以H10模式通過波導系統(tǒng)和能量傳輸裝置輸送至等離子體反應(yīng)器。等離子體反應(yīng)器通常采用諧振腔。
用于制造PCVD光纖預制棒的等離子體諧振腔通常是圓柱形或同軸形等具有角向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)的諧振腔，以保證沉積的玻璃角向均勻。參見圖1，同軸形諧振腔由兩端封閉的同心的外圓柱筒2和內(nèi)圓柱體組成，內(nèi)部長度a+t+b約為半波長(λ/2)。內(nèi)圓柱體中部車空成為中部斷開一個裂縫5的兩個內(nèi)圓柱筒1、4，內(nèi)圓柱筒1、4中可穿過石英管，微波能量由該裂縫5輻射出去，耦合進入石英管8，激發(fā)管內(nèi)氣體電離形成等離子體。同軸形諧振腔一般有7個機械結(jié)構(gòu)參數(shù)，分別為大圓柱筒2的內(nèi)徑D、小圓柱筒的外徑d、小圓柱筒的厚度Δd、腔內(nèi)左小圓柱筒1的長度a、腔內(nèi)右小圓柱筒4的長度b、裂縫5的寬度t和微波能輸入孔6的軸向位置s。常規(guī)的諧振腔設(shè)計方法是第一步理論計算。根據(jù)磁控管的頻率、被加工物體(負載)的特性和工藝要求等，求出結(jié)構(gòu)尺寸；第二步設(shè)計繪制圖紙，加工成試驗諧振腔；第三步小信號測試，測試的微波功率為毫瓦級。圖2是用于諧振腔測試的一種小信號測試系統(tǒng)的系統(tǒng)。在圖2中，21是掃頻儀，22是穩(wěn)幅器，23是被測諧振腔，24是示波器，25是反射計。該系統(tǒng)分別對被測諧振腔23進行空載和有模擬負載兩種狀態(tài)的測試。這種測試稱為冷測或靜態(tài)測試；第四步大功率測試。建立一個可模擬生產(chǎn)狀態(tài)的平臺，如圖3所示的測試系統(tǒng)。如果諧振腔設(shè)計合理，將在石英管8中產(chǎn)生等離子體，然后測量反射功率是否可以調(diào)節(jié)到最小，一般必須使反射功率小于入射功率的4％，即電壓駐波比小于1.5，諧振腔的設(shè)計才算合格。這種測試稱為熱測或動態(tài)測試。
對于常規(guī)諧振腔的設(shè)計，上述的設(shè)計方法和步驟是十分有效的。例如，以同軸型諧振腔為例。從理論上分析，在諧振腔空載時，其長度為半波長的整數(shù)倍。在有負載時，即考慮被加工的物質(zhì)時，只需要將該物質(zhì)的特性、工藝要求等修正諧振腔的尺寸，并增加調(diào)諧裝置即可。但是，對于等離子體諧振腔，上述常規(guī)方法有三個難點和缺點第一、作為諧振腔的負載，即被加工的物質(zhì)通常是液體或固體。它們的介電常數(shù)是正值，而且變化范圍小，理論設(shè)計的數(shù)據(jù)與實際應(yīng)用時相差不多，稍加修正諧振腔的尺寸就可以很快設(shè)計出實用的諧振腔。而PCVD中作為諧振腔的負載是等離子體。等離子體的介電常數(shù)是負值，而且其數(shù)值與氣體電離程度、氣體種類、氣體壓力、流量、流速和微波功率等許多參數(shù)有關(guān)，目前還沒有作為小信號測試使用的理想的模擬假負載，這就給理論計算和小信號測試帶來困難。第二、諧振腔設(shè)計完成后，必須將金屬材料加工成試驗諧振腔，當某一尺寸數(shù)據(jù)修正后，必須再加工出新的諧振腔。一般上述步驟需要反復進行、反復修正和多次加工，這些過程既煩瑣、加工量又很大。第三PCVD等離子體諧振腔是在約1200℃的高溫環(huán)境中工作，在諧振腔內(nèi)安裝調(diào)諧裝置在工作時是無法操作的?？傊贸Ｒ?guī)的設(shè)計方法和步驟，不能很快設(shè)計出合格的等離子體諧振腔。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種等離子體諧振腔的動態(tài)設(shè)計方法，該方法克服諧振腔常規(guī)設(shè)計中進行小信號測試的缺點，無需反復修正諧振腔尺寸數(shù)據(jù)、反復加工制作、反復測試諧振腔。
本發(fā)明另一個目的是提供一種參數(shù)可調(diào)的諧振腔機械裝置。
本發(fā)明的一種等離子體諧振腔的動態(tài)設(shè)計方法，包括以下步驟計算該等離子體諧振腔的結(jié)構(gòu)尺寸；加工成多個參數(shù)可以獨立調(diào)節(jié)的試驗諧振腔的機械裝置；提供測試該試驗諧振腔機械裝置的一個動態(tài)測試平臺，進行大功率動態(tài)模擬測試；其特征在于該動態(tài)模擬測試包括以下步驟調(diào)節(jié)該試驗諧振腔機械裝置的外部和內(nèi)部尺寸，使石英管內(nèi)氣體電離產(chǎn)生等離子體；測量微波入射功率與反射功率；調(diào)節(jié)該試驗諧振腔機械裝置的可調(diào)的外部尺寸，從而改變諧振腔內(nèi)部尺寸獲得小于入射功率的4％的反射功率；當獲得小于入射功率的4％的多組反射功率的機械尺寸時，從中優(yōu)選出一組該諧振腔機械裝置最佳的結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的一種參數(shù)可調(diào)的諧振腔機械裝置，包括一個圓柱形的帶有水冷通道的大圓柱筒，長度約為1.5λ；兩個固定圓形板，用于封閉所述大圓柱筒的兩側(cè)，所述固定圓形板中部具有內(nèi)螺紋的圓形同心通孔，該通孔徑向兩側(cè)各有一個對稱的圓形小通孔；兩個直徑和厚度相同，長度相等或相近的小圓柱筒，每個所述小圓柱筒的長度約為λ；兩個所述小圓柱筒相對的端面之間形成一個裂縫；穿過兩個所述小圓柱筒中的石英管；一個圓形通孔，位于所述大圓柱筒中部并與所述大圓柱筒的軸垂直，該圓形通孔連接波導管，用于輸入微波能量；其特征在于每個所述小圓柱筒的外側(cè)端有一段長度約為λ/4的外螺紋，分別與所述大圓柱筒兩側(cè)的所述固定圓形板的內(nèi)螺紋相連接；兩個相同的短路活塞，分別安裝在所述大圓柱筒內(nèi)兩端內(nèi)側(cè)；每個所述短路活塞的外側(cè)端分別安裝兩根對稱的支撐桿，該支撐桿有外螺紋，穿過所述大圓柱筒端面的所述固定圓形板，通過所述大圓柱筒兩側(cè)的螺絲調(diào)節(jié)裝置與所述大圓柱筒外側(cè)的圓環(huán)連接。
根據(jù)本發(fā)明的參數(shù)可調(diào)的諧振腔動態(tài)設(shè)計方法和參數(shù)可調(diào)的諧振腔機械裝置，通過調(diào)節(jié)諧振腔各部分尺寸，可以比較快地產(chǎn)生等離子體，調(diào)節(jié)反射功率小的多組諧振腔尺寸，從中可以比較快地優(yōu)選獲得滿意的諧振腔尺寸，最后制作出滿足工藝要求的諧振腔，使設(shè)計等離子體諧振腔十分快捷，簡易可行，避免了使用模擬假負載產(chǎn)生的誤差和多次機械設(shè)計與加工，可以很快得到實用的等離子體諧振腔。


圖1為半波長同軸形諧振腔的示意圖；圖2為用于測試諧振腔的一種小信號測試系統(tǒng)；圖3為用于PCVD等離子體諧振腔的動態(tài)測試系統(tǒng)；圖4為本發(fā)明的用于PCVD等離子體諧振腔多變量動態(tài)設(shè)計方法的可調(diào)諧振腔機械裝置的示意圖；圖5為本發(fā)明的用于PCVD等離子體諧振腔多變量動態(tài)設(shè)計方法的可調(diào)諧振腔機械裝置的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細解釋。本發(fā)明以半波長同軸形結(jié)構(gòu)的諧振腔為例加以說明，本發(fā)明也適用于類似的等離子體諧振腔的設(shè)計。
圖4表示本發(fā)明的可調(diào)諧振腔機械裝置的一個實施例。在圖4中，41是左小圓柱筒，42是大圓柱筒，43是右固定圓形板，44是螺絲調(diào)節(jié)裝置，45是右支撐桿，46是右圓環(huán)，47是右小圓柱筒，48是帶有彈性結(jié)構(gòu)的右短路活塞，49是放電裂縫，50是微波能量輸入孔，51是帶有彈性結(jié)構(gòu)的左短路活塞，52是左固定圓形板，53是螺絲調(diào)節(jié)裝置，54是左支撐桿，55是左圓環(huán)?？烧{(diào)諧振腔機械裝置由幾個部分組成大圓柱筒42、左右兩個小圓柱筒41和47、大圓柱筒兩端的固定圓形板43和52、可在大小圓柱筒之間軸向滑動的短路活塞48和51、調(diào)節(jié)機構(gòu)包括左、右支撐桿45和54、圓環(huán)46和55、螺絲調(diào)節(jié)裝置44和53。大圓柱筒42有水冷通道(圖中未畫出，可參見中國專利申請?zhí)?3157394.0)與外界水冷管道連接。
大圓柱筒42的長度約為1.5λ，兩側(cè)用右、左固定圓形板43、52封閉，每個固定圓形板的中部有一個帶有內(nèi)螺紋的同心通孔，通孔徑向兩側(cè)各有一個對稱的圓形小通孔。大圓柱筒42的中部有一個與大圓柱筒軸垂直的圓形通孔，與相應(yīng)的波導管連接，用于輸入微波能量，兩個左、右小圓柱筒41、47的直徑和厚度相同、長度相等或相近。每個小圓柱筒的長度約為λ。在每個小圓柱筒41、47一端外側(cè)的一段約λ/4長度上有外螺紋，分別與大圓柱筒42兩側(cè)的固定圓形板43、52的內(nèi)螺紋連接。旋轉(zhuǎn)小圓柱筒41、47可以調(diào)節(jié)小圓柱筒在大圓柱筒42的軸向位置，兩小圓柱筒41、47相對的端面之間不接觸，形成一個裂縫49。兩個相同的短路活塞48、51分別安裝在大圓柱筒42兩端的內(nèi)側(cè)，每個短路活塞的內(nèi)側(cè)端有彈性結(jié)構(gòu)裝置分別與大圓柱筒42內(nèi)壁和小圓柱筒41、47的外壁緊密接觸。每個短路活塞的外側(cè)端分別安裝兩根對稱的支撐桿45、54，每根支撐桿有外螺紋，分別穿過大圓柱筒42端面的固定圓形板43、52，通過大圓柱筒42兩側(cè)的螺絲調(diào)節(jié)裝置44、53與大圓柱筒42外側(cè)的圓環(huán)46、55連接，旋轉(zhuǎn)螺絲調(diào)節(jié)裝置44、53的調(diào)節(jié)螺母可以分別使短路活塞48、51在大圓柱筒42內(nèi)軸向滑動。適當?shù)倪x擇左支撐桿54的長度，保證左側(cè)短路活塞51的端面至左圓環(huán)55內(nèi)側(cè)的總長度A1與左小圓柱筒41的長度A相等(A1＝A)。也適當?shù)剡x擇右支撐桿45的長度，保證右側(cè)短路活塞端面至右圓環(huán)46內(nèi)側(cè)的總長度B1與右小圓柱筒47的長度B相等(B1＝B)。也可以選擇A1大于A，A1-A＝Δa。同樣，也可以選擇B1大于B，B1-B＝Δb，Δa和Δb的長度應(yīng)小于λ/4，Δa和Δb可相等或相近，但是，不能選擇A1小于A和B1小于B。
圖4所示的可調(diào)參數(shù)諧振腔的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)表示在圖5中。在圖5中，L為大圓柱筒42的長度，D為大圓柱筒42的內(nèi)徑，d為小圓柱筒41、47的外徑，Δd為小圓柱筒41、47的厚度，a為腔內(nèi)的左小圓柱筒41的長度，b為腔內(nèi)的右小圓柱筒47的長度，t為裂縫49的寬度，s為微波能輸入孔50的軸向位置，A為左小圓柱筒41的長度，B為右小圓柱筒47的長度，A1為左短路活塞51的內(nèi)側(cè)與左圓環(huán)55的內(nèi)側(cè)的距離，B1為右短路活塞48內(nèi)側(cè)與右圓環(huán)46內(nèi)側(cè)的距離，A2為大圓柱筒42的左端面與左圓環(huán)55內(nèi)側(cè)的距離，B2為大圓柱筒42的右端面與右圓環(huán)46的內(nèi)側(cè)的距離，ΔA為左小圓柱筒41的外端面與左圓環(huán)55的內(nèi)側(cè)的距離，ΔB為右小圓柱筒47的外端面與右圓環(huán)46的內(nèi)側(cè)的距離，T為左、右兩個小圓柱筒外端面之間的距離。
上述參數(shù)除了D、d、Δd固定不變外，其它4個結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)a，b，t和s，以及內(nèi)腔長度＝a+b+t都可以分別通過諧振腔外部調(diào)節(jié)裝置獨立調(diào)節(jié)。而且當A1＝A時，a＝ΔA，或者當A1大于A時，a＝ΔA-Δa；當B1＝B時，b＝ΔB，或者當B1大于B時，b＝ΔB-Δb，t＝T-(A+B)、s＝L/2+A2-A1。這里A、B、A1、B1、Δa、Δb和L可以在事先作精確測量，ΔA、ΔB、A2、B2和T可以在可調(diào)諧振腔外部作精確測量，從而得到a、b、t和s的精確值。如果選擇A1小于A，則a從0-Δa的部分長度形成“盲區(qū)”，將不能通過外部調(diào)節(jié)得到，所以不能選擇A1小于A。同理，如果選擇B1小于B，則b從0-Δb的部分長度形成“盲區(qū)”，將不能通過外部調(diào)節(jié)得到，所以不能選擇B1小于B。
圖3表示可調(diào)諧振腔機械裝置安裝在平臺上的情況。在圖3中，31是連續(xù)波磁控管，32是波導激勵器，33是環(huán)行器，34是定向耦合器，35是入射功率指示表，36是能量轉(zhuǎn)換裝置，37是氣體供應(yīng)柜，38是石英管，39是可調(diào)諧振腔機械裝置，310是等離子體，311是真空泵，312是反射功率指示表。圖3可用于測試本發(fā)明的PCVD等離子體諧振腔的機械裝置。測試該機械裝置使用的動態(tài)測試系統(tǒng)包括連續(xù)波磁控管(M)31，通常采用工作頻率為2450MHz(工作波長為12.24cm)、最大輸出功率為6Kw的永磁封裝式連續(xù)波磁控管；能量傳輸?shù)牟▽到y(tǒng)，該系統(tǒng)的組成部分為波導激勵器32、環(huán)行器33、能量轉(zhuǎn)換裝置36；功率檢測部分，包括定向耦合器34、入射功率指示表35和反射功率指示表312；氣體流量系統(tǒng)，包括氣體供應(yīng)柜(G)37，插入調(diào)諧振腔機械裝置39中的石英管38，石英管38的輸入端與該氣體供應(yīng)柜(G)37連接，和與石英管38輸出端連接的真空泵(P)311。圖3中的能量傳輸系統(tǒng)通常采用BJ-26型矩形波導管制成，磁控管31在波導激勵器32中激發(fā)H10微波能量向右傳播，環(huán)行器是一個有單方向傳播性能的鐵氧體微波器件，返回的反射功率只能進入第三端被吸收，從而保證磁控管31的正常工作。能量轉(zhuǎn)換裝置將微波功率有效地傳輸?shù)街C振腔中。氣體流量柜(G)37可供應(yīng)氮氣和氧氣。真空泵(P)311應(yīng)有較大的抽氣速率，以保證石英管38內(nèi)維持10KPa以內(nèi)的低氣壓。通過分別調(diào)節(jié)諧振腔內(nèi)的各個尺寸參數(shù)，微波能量由該裂縫35輻射、耦合進入石英管38，激發(fā)管內(nèi)氣體，直至在石英管38中產(chǎn)生等離子體310。
在上述實施完成后，可以將系統(tǒng)開動，設(shè)定一組可變諧振腔的數(shù)據(jù)。按PCVD工藝條件設(shè)置石英管內(nèi)的氣體流量、反應(yīng)壓力等，施加一定的微波功率，記錄入射功率與反射功率，調(diào)節(jié)某一個變量使反射功率減小，直至石英管內(nèi)氣體電離產(chǎn)生等離子體310，一組實驗即告完成。此后再設(shè)定第二組諧振腔的數(shù)據(jù)，重復上述過程。這樣，可以很快獲得多組反射功率小于入射功率4％，即電壓駐波比小于1.5的諧振腔的數(shù)據(jù)。當?shù)玫皆S多組數(shù)據(jù)后，即可分析和總結(jié)出規(guī)律，再優(yōu)選出其中的一組諧振腔的結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)，設(shè)計工作即告完成。
按照工藝要求選擇大圓柱筒內(nèi)徑D和小圓柱筒外徑d。例如，對于沉積速率為1.0克/分的PCVD系統(tǒng)，石英反應(yīng)管外直徑在26mm左右，據(jù)此選取大圓柱筒內(nèi)徑D、小圓柱筒外徑d和小圓柱筒厚度Δd。此外，設(shè)計制造的裝置應(yīng)滿足以下條件大圓柱筒長度應(yīng)在1.5λ左右；小圓柱筒長度應(yīng)為λ左右；小圓柱筒厚度Δd應(yīng)在(1/100-1/20)λ之間；裂縫可調(diào)范圍在0-λ/5之間；微波能輸入孔的軸向位置s在0-λ/2之間，左右短路面可調(diào)節(jié)范圍在λ/10-λ/2之間。
這種方法可以較快獲得反射功率小于入射功率的4％，即電壓駐波比小于1.5的許多組腔體尺寸，然后從中選取合適的一組數(shù)據(jù)加工制成諧振腔。用這種動態(tài)方法，可以迅速獲得諧振腔的各個尺寸，避免了使用模擬假負載產(chǎn)生的誤差和多次的機械設(shè)計與加工，可以很快得到實用的等離子體諧振腔。
用本發(fā)明的方法和裝置設(shè)計和制造的多種PCVD等離子體諧振腔，與微波系統(tǒng)匹配良好，反射功率小于入射功率的4％，即電壓駐波比小于1.5，分別用于沉積速率為0.5克/分、1.0克/分、1.5克/分的PCVD光纖預制棒制造系統(tǒng)中，使用效果良好。
權(quán)利要求
1.一種等離子體諧振腔的動態(tài)設(shè)計方法，包括以下步驟計算該等離子體諧振腔的結(jié)構(gòu)尺寸；加工成多個參數(shù)可以獨立調(diào)節(jié)的試驗諧振腔的機械裝置；提供測試該試驗諧振腔機械裝置的一個動態(tài)測試平臺，進行大功率動態(tài)模擬測試；其特征在于該動態(tài)模擬測試包括以下步驟調(diào)節(jié)該試驗諧振腔機械裝置的外部和內(nèi)部尺寸使石英管內(nèi)氣體電離產(chǎn)生等離子體；測量微波入射功率與反射功率；調(diào)節(jié)該試驗諧振腔機械裝置的可調(diào)的外部尺寸，從而改變諧振腔內(nèi)部尺寸獲得小于入射功率的4％的反射功率；當獲得小于入射功率的4％的多組反射功率的機械尺寸時，從中優(yōu)選出一組該諧振腔機械裝置最佳的結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)。
2.一種參數(shù)可調(diào)的諧振腔機械裝置，包括一個圓柱形的帶有水冷通道的大圓柱筒，長度約為1.5λ；兩個固定圓形板，用于封閉所述大圓柱筒的兩側(cè)，所述固定圓形板中部具有內(nèi)螺紋的圓形同心通孔，該通孔徑向兩側(cè)各有一個對稱的圓形小通孔；兩個直徑和厚度相同，長度相等或相近的小圓柱筒，每個所述小圓柱筒的長度約為λ；兩個所述小圓柱筒相對的端面之間形成一個裂縫；穿過兩個所述小圓柱筒中的石英管；一個圓形通孔，位于所述大圓柱筒中部并與所述大圓柱筒的軸垂直，該圓形通孔連接波導管，用于輸入微波能量；其特征在于每個所述小圓柱筒的外側(cè)端有一段長度約為λ/4的外螺紋，分別與所述大圓柱筒兩側(cè)的所述固定圓形板的內(nèi)螺紋相連接；兩個相同的短路活塞，分別安裝在所述大圓柱筒內(nèi)兩端內(nèi)側(cè)；每個所述短路活塞的外側(cè)端分別安裝兩根對稱的支撐桿，該支撐桿有外螺紋，穿過所述大圓柱筒端面的所述固定圓形板，通過所述大圓柱筒兩側(cè)的螺絲調(diào)節(jié)裝置與所述大圓柱筒外側(cè)的圓環(huán)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的參數(shù)可調(diào)的諧振腔機械裝置，其特征在于所述的短路活塞的內(nèi)側(cè)端具有彈性結(jié)構(gòu)裝置，分別與所述大圓柱筒內(nèi)壁和所述小圓柱筒外壁緊密接觸，并可在軸向滑動。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3的參數(shù)可調(diào)的諧振腔機械裝置，其特征在于所述短路活塞的內(nèi)側(cè)與對應(yīng)的圓環(huán)內(nèi)側(cè)的距離≥所述小圓柱筒的長度，其差值小于λ/4。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3的參數(shù)可調(diào)的諧振腔機械裝置，其特征在于所述小圓柱筒腔內(nèi)的長度在λ/10-λ/2之間；所述裂縫的寬度在0-λ/5之間；所述微波能量輸入的圓形通孔的位置尺寸在0-λ/2之間；所述小圓柱筒的厚度在(1/100-1/20)λ之間。
全文摘要
本發(fā)明提供一種等離子體諧振腔的動態(tài)設(shè)計方法和諧振腔機械裝置，該裝置包括一個圓柱形的大圓柱筒，封閉大圓柱筒的兩個固定圓形板，兩個小圓柱筒，在兩個小圓柱筒相對的端面之間的裂縫，穿過兩個小圓柱筒的石英管，在大圓柱筒中部并與它的軸垂直的圓形通孔，兩個短路活塞，每個短路活塞的外側(cè)端分別安裝兩根對稱的支撐桿，穿過所述大圓柱筒端面的所述固定圓形板，通過所述大圓柱筒兩側(cè)的螺絲調(diào)節(jié)裝置與所述大圓柱筒外側(cè)的圓環(huán)連接。本發(fā)明的方法使設(shè)計等離子體諧振腔簡易可行，避免了多次機械設(shè)計與加工，可以很快得到實用的等離子體諧振腔。
文檔編號H05H7/14GK1589089SQ20041007829
公開日2005年3月2日 申請日期2004年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月23日
發(fā)明者鄧都才, 劉志堅 申請人:烽火通信科技股份有限公司