低压微波氩气放电在毛细管中的功率耦合及等离子体参数：Surfatron与Striplastron发射器之间的比较

《Vacuum》：Power coupling and plasma parameters of low- pressure microwave argon discharges in capillaries: comparison between surfatron and striplastron launchers

　　

O. Leroy|F. Coquery|T. Minea|G.D. Stancu

法国巴黎萨克雷大学LPGP实验室，CNRS，91405奥赛

摘要

在本文中，我们使用两种不同的发射器（surfatron和striplastron）对由介电毛细管中的表面波产生的连续微波（MW）等离子体进行了宏观特性研究。这些毛细管被定义为内壁直径从几微米到一毫米的薄壁管。我们测定了耦合功率分数、功率密度和等离子体长度等参数，这些参数是注入微波功率（0-50 W）、微波频率（2.4-2.5 GHz）和气体流速（300-700 ml/min）的函数。所有实验均在低压（1-600 mbar）下的氩气微放电中进行。研究结果表明，这两种发射器在生成连续波毛细管等离子体方面存在差异。此外，无论使用哪种发射器，可见等离子体长度和功率密度作为耦合功率的函数都不是线性的或恒定的。这一结果与在较大直径介电管中产生的等离子体不同。在毛细管中，由于等离子体行为与气体动力学之间的强烈耦合以及沿等离子体柱的压力变化，传统的表面波缩放定律不再严格适用。

引言

二十多年来，连续波（CW）和脉冲微等离子体源在等离子体物理学领域引起了越来越多的关注，这一点已有多篇综述文章强调[1], [2], [3], [4], [5], [6]。尽管有这些研究，但很少有文章报道使用微波范围（约2.45 GHz）的表面波在小型介电管（毛细管或甚至空心光子晶体纤维）中高效生成微等离子体的方法[7], [8], [9]。微波源具有多个优点，其中最重要的是没有电极（因此产生的“干净等离子体”，即没有来自电极的金属污染），操作条件范围广泛（压力至少有三个数量级，气体流速有一个数量级，注入的微波功率也有两个数量级...），以及连续波（CW）工作模式[10]。利用直径极小的毛细管（内径可达100 μm），即使注入的微波功率较低或中等，也可以生成功率密度极高的等离子体（高达0.1 MW cm^-3），这主要归功于仅有几毫米立方体的封闭体积[11]。高功率密度的直接后果是产生了大量的带电粒子（离子、电子）、光子和自由基，这使得它们在纳米材料合成、微推进、光子学、等离子体辅助燃烧、化学分析和转化、环境科学、农业和生物医学应用等领域具有广泛的应用潜力。

自20世纪70年代以来，人们就在常规介电管（直径厘米级或更大）中生成了微波等离子体，当时P. Leprince和M. Moisan共同开发了surfatron概念[12], [13]。surfatron是一个由两个同心金属圆筒组成的凹形腔体，内圆筒略短于外圆筒，形成了一个称为“间隙”的强局部电场区域（见图1a）。如果将一个装有减压气体（通常为1至10 mbar）的介电管放置在间隙附近，管内就会发光。

大约十年前，surfatron被优化用于在内径小于1毫米的毛细管中生成微等离子体[11]。最近开发了一种新的微波发射器（即能够激发等离子体的系统）——striplastron[14]。它也利用表面波来点燃介电毛细管中的等离子体，但其结构截然不同。striplastron是一个圆形带状结构，即一个被介电材料包裹的金属环，该介电材料又夹在两个金属接地平面之间，并直接由微同轴电缆激发（见图1b和1c）。与surfatron相比，striplastron更加紧凑，隐藏在发射器内的等离子体长度大大缩短，仅受其厚度限制。此外，其频率响应表现出强烈的共振特性。

这两种设备都可以插入介电毛细管。如果毛细管内充满低压气体且注入的微波功率足够高，表面波（m=0模式）会沿毛细管传播，并在管内产生等离子体。

在从mbar到大气压的广泛压力范围内，可以在多种气体中生成毛细管中的微波微等离子体。为了研究这些微等离子体的工作参数，我们分析了上述两种发射器。为了清晰起见，这里仅报告使用氩气的结果，特别关注低压条件。实际上，这种条件有利于放电的点燃并生成较长的等离子体。需要注意的是，分子气体会在旋转、振动和解离过程中消耗部分可用功率，导致等离子体较短但功率密度较高。

对于这两种发射器，我们测定了耦合功率分数、功率密度和可见等离子体长度等参数，这些参数是注入微波功率（0-50 W）、微波频率（2.4-2.5 GHz）和气体流速（300-700 ml/min）的函数。

章节摘录

实验装置

图2展示了用于在毛细管中产生等离子体的微波装置示意图。该装置包括一个0-200W的SAIREM固态微波发生器，其频率可在2.4-2.5 GHz范围内调节；一个配备有功率计（Mini-Circuits USB Power Sensor型号PWR-SEN-6GHS）的双向耦合器，用于测量入射功率和反射功率（分别称为P_IN和P_REF）；以及一个自制的微波发射器（surfatron或striplastron，见图1）和介电管

发射器的功率耦合研究

第一项研究重点研究了两种发射器（surfatron和striplastron）的微波功率耦合特性，这些特性是注入功率和微波频率的函数。使用Agilent（型号8714ET）射频网络分析仪测得的它们的频谱响应与微波发生器和功率计测得的入射功率和反射功率进行了比较。需要指出的是，我们的系统中没有使用任何阻抗匹配装置。

放电参数特性

如前所述，系统中的微波耦合并不完美，这意味着部分施加在微波发生器上的功率并未注入等离子体。损耗是由于阻抗不匹配造成的，导致部分微波功率被反射回发生器。因此，关注实际用于维持等离子体的注入功率是合理的，即功率计测得的入射功率和反射功率之间的差值

结论

本文首次比较了两种用于在小型介电管（毛细管）中点燃等离子体的微波发射器：surfatron和striplastron。

研究发现，striplastron在更宽的频率范围内能更好地耦合微波功率，并且在大多数实验条件下都能生成更长的等离子体，除了在高氩气流速的情况下surfatron生成的等离子体更长。在所有情况下，等离子体发生器都必须与微波发生器和等离子体相匹配。

CRediT作者贡献声明

Olivier LEROY：撰写——原始草稿。Fabien Coquery：撰写——原始草稿。Tibériu Minea：撰写——原始草稿。Gabi-Daniel Stancu：撰写——原始草稿

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢Labex LaSIPS、巴黎萨克雷大学和ThermoPlas项目的支持。