專利名稱：等離子體諧振腔的動態設計方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種等離子體的光纖預制棒加工設備，尤其涉及該設備中等離子體諧振腔的動態設計方法和利用這種方法制作的一種參數可調的諧振腔機械裝置。
背景技術：
在PCVD光纖預制棒制造系統中，微波等離子體反應系統是產生化學氣相沉積的關鍵設備，而等離子體反應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)、功率為數千瓦的連續波磁控管獲得。磁控管先在矩形的空心波導管激勵器中激發電磁波，電磁波以H10模式通過波導系統和能量傳輸裝置輸送至等離子體反應器。等離子體反應器通常采用諧振腔。
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對稱結構的諧振腔，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和內圓柱體組成，內部長度a+t+b約為半波長(λ/2)。內圓柱體中部車空成為中部斷開一個裂縫5的兩個內圓柱筒1、4，內圓柱筒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，激發管內氣體電離形成等離子體。同軸形諧振腔一般有7個機械結構參數，分別為大圓柱筒2的內徑D、小圓柱筒的外徑d、小圓柱筒的厚度Δd、腔內左小圓柱筒1的長度a、腔內右小圓柱筒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。常規的諧振腔設計方法是第一步理論計算。根據磁控管的頻率、被加工物體(負載)的特性和工藝要求等，求出結構尺寸；第二步設計繪制圖紙，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的系統。在圖2中，21是掃頻儀，22是穩幅器，23是被測諧振腔，24是示波器，25是反射計。該系統分別對被測諧振腔23進行空載和有模擬負載兩種狀態的測試。這種測試稱為冷測或靜態測試；第四步大功率測試。建立一個可模擬生產狀態的平臺，如圖3所示的測試系統。如果諧振腔設計合理，將在石英管8中產生等離子體，然后測量反射功率是否可以調節到最小，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，諧振腔的設計才算合格。這種測試稱為熱測或動態測試。
對于常規諧振腔的設計，上述的設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倍。在有負載時，即考慮被加工的物質時，只需要將該物質的特性、工藝要求等修正諧振腔的尺寸，并增加調諧裝置即可。但是，對于等離子體諧振腔，上述常規方法有三個難點和缺點第一、作為諧振腔的負載，即被加工的物質通常是液體或固體。它們的介電常數是正值，而且變化范圍小，理論設計的數據與實際應用時相差不多，稍加修正諧振腔的尺寸就可以很快設計出實用的諧振腔。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是負值，而且其數值與氣體電離程度、氣體種類、氣體壓力、流量、流速和微波功率等許多參數有關，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，當某一尺寸數據修正后，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℃的高溫環境中工作，在諧振腔內安裝調諧裝置在工作時是無法操作的。總之，用常規的設計方法和步驟，不能很快設計出合格的等離子體諧振腔。
發明內容
本發明目的是提供一種等離子體諧振腔的動態設計方法，該方法克服諧振腔常規設計中進行小信號測試的缺點，無需反復修正諧振腔尺寸數據、反復加工制作、反復測試諧振腔。
本發明另一個目的是提供一種參數可調的諧振腔機械裝置。
本發明的一種等離子體諧振腔的動態設計方法，包括以下步驟計算該等離子體諧振腔的結構尺寸；加工成多個參數可以獨立調節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測試平臺，進行大功率動態模擬測試；其特征在于該動態模擬測試包括以下步驟調節該試驗諧振腔機械裝置的外部和內部尺寸，使石英管內氣體電離產生等離子體；測量微波入射功率與反射功率；調節該試驗諧振腔機械裝置的可調的外部尺寸，從而改變諧振腔內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，從中優選出一組該諧振腔機械裝置最佳的結構尺寸數據。
本發明的一種參數可調的諧振腔機械裝置，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，所述固定圓形板中部具有內螺紋的圓形同心通孔，該通孔徑向兩側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的所述固定圓形板的內螺紋相連接；兩個相同的短路活塞，分別安裝在所述大圓柱筒內兩端內側；每個所述短路活塞的外側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的螺絲調節裝置與所述大圓柱筒外側的圓環連接。
根據本發明的參數可調的諧振腔動態設計方法和參數可調的諧振腔機械裝置，通過調節諧振腔各部分尺寸，可以比較快地產生等離子體，調節反射功率小的多組諧振腔尺寸，從中可以比較快地優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生的誤差和多次機械設計與加工，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；圖3為用于PCVD等離子體諧振腔的動態測試系統；圖4為本發明的用于PCVD等離子體諧振腔多變量動態設計方法的可調諧振腔機械裝置的示意圖；圖5為本發明的用于PCVD等離子體諧振腔多變量動態設計方法的可調諧振腔機械裝置的結構尺寸參數的示意圖。
具體實施例方式
下面結合具體實施例對本發明進行詳細解釋。本發明以半波長同軸形結構的諧振腔為例加以說明，本發明也適用于類似的等離子體諧振腔的設計。
圖4表示本發明的可調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是螺絲調節裝置，45是右支撐桿，46是右圓環，47是右小圓柱筒，48是帶有彈性結構的右短路活塞，49是放電裂縫，50是微波能量輸入孔，51是帶有彈性結構的左短路活塞，52是左固定圓形板，53是螺絲調節裝置，54是左支撐桿，55是左圓環。可調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、調節機構包括左、右支撐桿45和54、圓環46和55、螺絲調節裝置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號03157394.0)與外界水冷管道連接。
大圓柱筒42的長度約為1.5λ，兩側用右、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螺紋的同心通孔，通孔徑向兩側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、47一端外側的一段約λ/4長度上有外螺紋，分別與大圓柱筒42兩側的固定圓形板43、52的內螺紋連接。旋轉小圓柱筒41、47可以調節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42兩端的內側，每個短路活塞的內側端有彈性結構裝置分別與大圓柱筒42內壁和小圓柱筒41、47的外壁緊密接觸。每個短路活塞的外側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42兩側的螺絲調節裝置44、53與大圓柱筒42外側的圓環46、55連接，旋轉螺絲調節裝置44、53的調節螺母可以分別使短路活塞48、51在大圓柱筒42內軸向滑動。適當的選擇左支撐桿54的長度，保證左側短路活塞51的端面至左圓環55內側的總長度A1與左小圓柱筒41的長度A相等(A1＝A)。也適當地選擇右支撐桿45的長度，保證右側短路活塞端面至右圓環46內側的總長度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所示的可調參數諧振腔的結構尺寸參數表示在圖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為腔內的左小圓柱筒41的長度，b為腔內的右小圓柱筒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的內側與左圓環55的內側的距離，B1為右短路活塞48內側與右圓環46內側的距離，A2為大圓柱筒42的左端面與左圓環55內側的距離，B2為大圓柱筒42的右端面與右圓環46的內側的距離，ΔA為左小圓柱筒41的外端面與左圓環55的內側的距離，ΔB為右小圓柱筒47的外端面與右圓環46的內側的距離，T為左、右兩個小圓柱筒外端面之間的距離。
上述參數除了D、d、Δd固定不變外，其它4個結構尺寸參數a，b，t和s，以及內腔長度＝a+b+t都可以分別通過諧振腔外部調節裝置獨立調節。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”，將不能通過外部調節得到，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”，將不能通過外部調節得到，所以不能選擇B1小于B。
圖3表示可調諧振腔機械裝置安裝在平臺上的情況。在圖3中，31是連續波磁控管，32是波導激勵器，33是環行器，34是定向耦合器，35是入射功率指示表，36是能量轉換裝置，37是氣體供應柜，38是石英管，39是可調諧振腔機械裝置，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測試系統包括連續波磁控管(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的永磁封裝式連續波磁控管；能量傳輸的波導系統，該系統的組成部分為波導激勵器32、環行器33、能量轉換裝置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，包括氣體供應柜(G)37，插入調諧振腔機械裝置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H10微波能量向右傳播，環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。能量轉換裝置將微波功率有效地傳輸到諧振腔中。氣體流量柜(G)37可供應氮氣和氧氣。真空泵(P)311應有較大的抽氣速率，以保證石英管38內維持10KPa以內的低氣壓。通過分別調節諧振腔內的各個尺寸參數，微波能量由該裂縫35輻射、耦合進入石英管38，激發管內氣體，直至在石英管38中產生等離子體310。
在上述實施完成后，可以將系統開動，設定一組可變諧振腔的數據。按PCVD工藝條件設置石英管內的氣體流量、反應壓力等，施加一定的微波功率，記錄入射功率與反射功率，調節某一個變量使反射功率減小，直至石英管內氣體電離產生等離子體310，一組實驗即告完成。此后再設定第二組諧振腔的數據，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的諧振腔的數據。當得到許多組數據后，即可分析和總結出規律，再優選出其中的一組諧振腔的結構尺寸數據，設計工作即告完成。
按照工藝要求選擇大圓柱筒內徑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，石英反應管外直徑在26mm左右，據此選取大圓柱筒內徑D、小圓柱筒外徑d和小圓柱筒厚度Δd。此外，設計制造的裝置應滿足以下條件大圓柱筒長度應在1.5λ左右；小圓柱筒長度應為λ左右；小圓柱筒厚度Δd應在(1/100-1/20)λ之間；裂縫可調范圍在0-λ/5之間；微波能輸入孔的軸向位置s在0-λ/2之間，左右短路面可調節范圍在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據加工制成諧振腔。用這種動態方法，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生的誤差和多次的機械設計與加工，可以很快得到實用的等離子體諧振腔。
用本發明的方法和裝置設計和制造的多種PCVD等離子體諧振腔，與微波系統匹配良好，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中，使用效果良好。
權利要求
1.一種等離子體諧振腔的動態設計方法，包括以下步驟計算該等離子體諧振腔的結構尺寸；加工成多個參數可以獨立調節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測試平臺，進行大功率動態模擬測試；其特征在于該動態模擬測試包括以下步驟調節該試驗諧振腔機械裝置的外部和內部尺寸使石英管內氣體電離產生等離子體；測量微波入射功率與反射功率；調節該試驗諧振腔機械裝置的可調的外部尺寸，從而改變諧振腔內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，從中優選出一組該諧振腔機械裝置最佳的結構尺寸數據。
2.一種參數可調的諧振腔機械裝置，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，所述固定圓形板中部具有內螺紋的圓形同心通孔，該通孔徑向兩側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的所述固定圓形板的內螺紋相連接；兩個相同的短路活塞，分別安裝在所述大圓柱筒內兩端內側；每個所述短路活塞的外側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的螺絲調節裝置與所述大圓柱筒外側的圓環連接。
3.根據權利要求2的參數可調的諧振腔機械裝置，其特征在于所述的短路活塞的內側端具有彈性結構裝置，分別與所述大圓柱筒內壁和所述小圓柱筒外壁緊密接觸，并可在軸向滑動。
4.根據權利要求2或3的參數可調的諧振腔機械裝置，其特征在于所述短路活塞的內側與對應的圓環內側的距離≥所述小圓柱筒的長度，其差值小于λ/4。
5.根據權利要求2或3的參數可調的諧振腔機械裝置，其特征在于所述小圓柱筒腔內的長度在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
本發明提供一種等離子體諧振腔的動態設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的螺絲調節裝置與所述大圓柱筒外側的圓環連接。本發明的方法使設計等離子體諧振腔簡易可行，避免了多次機械設計與加工，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 優先權日2004年9月23日
發明者鄧都才, 劉志堅 申請人:烽火通信科技股份有限公司