种子激活改性设备中射频电源的应用研究

张波

摘 要：放电电源的选用对于种子激活改性设备的研制至关重要，叙述了射频电源在等离子体种子激活改性设备中的重要性，在列举了射频电源应用的悬浮电极和屏蔽电场两项技术的基础上，重点分析了射频电源非工作区的屏蔽。射频电源将广泛应用于等离子体激活改性设备。

关键词：电极；等离子体；放电；装置

中图分类号：S330 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）10（c）-0000-00

利用等离子体高新技术实现改性处理已越来越为人们所认可[1]，研制和开发等离子体改性的工业化设备也越来越受到重视。等离子体改性设备中的一个最重要的配件就是通过气体放电产生等离子体的放电电源。

1 射频电源在等离子体种子激活改性设备中的重要性

通常所用的电源按频率分类可分为：直流电源、低频电源、射频电源和微波等[2-4]。如果是采用直流电源，则为了防止电弧的形成而需要使用限流电阻器，对不同的气体和不同的工作条件，都要改变限流电阻阻值，因此难以调控，而且限流电阻本身也消耗电功率；对于低频电源：由于激发频率低，交变周期长，比等离子体存在的时间大，因而，在每半周期内等离子体变暗或熄灭，极不稳定；微波电源虽然频率高，等离子体稳定，反应活性大，但对于大体积等离子体反应室而言，不仅微波电源价格昂贵，而且难以获得均匀的等离子体。所以在产生等离子体的低气压辉光放电中通常采用射频电源[5]。

等离子体表面改性设备使用电源的原则是使等离子体中的活性粒子在电场作用下尽可能获得更多的能量，相互进行能量交换，尤其是发生非弹性碰撞。带电粒子在电场作用下的运动速率（U）和带电粒子本身的迁移率（K）及电场强度（E）有关（U=KE），一般来说，离子的质量是电子质量的几千倍，离子在电场方向的移动距离非常小，所以常视为静止，而主要是电子的运动。在低气压辉光放电的等离子体改性设备中通常使用的射频电源的频率是13.56 Mhz ，由于其频率十分高，电子在快速的交变电场中往返振荡，不断的加速运动就会从电场中获得更多的能量，并将其能量转换给其他粒子，又产生新的粒子和光子等。在这样高频电场的作用下，等离子体中活性粒子的熄灭时间比激发的半周期时间大得多，因此等离子体非常稳定，反应活性也非常强。另外，引进射频电源的两片电极，只是产生高速变化的交变强电场，提供电子在电场中获取能量，而并非有传导电流通过（甚至在玻璃反应室的情况，还可以无极放电），因此，电极本身不会过度加热。同时，不论等离子体反应室体积大小，使用射频电源都可以获得均匀的等离子体工作区。但是等离子体改性设备使用射频电源也有不利之处：（1）需要一个阻抗匹配网络，调节射频等离子体的入射功率和反射功率，使电源的阻抗与等离子体阻抗相匹配。（2）由于射频电源的频率十分高，因而电源开启时对其他部件的干扰十分强烈，或者在非工作区放电，以至于影响等离子体的改性效果，射频的泄漏还会危害人体健康。

2 射频电源应用的两项技术

（1）悬浮电极

射频电源的输出两端连接在两块电极上，为使阻抗匹配更好，两根引线尽可能等长，并且反应室内所有导电部件不与外壳相连（一般情况下，外壳是与地相通的），如果有一电极与外壳相连，则存在两个弊端：① 不仅是电极之间放电，而且电极还要与外壳放电，形成非工作区的放电，损耗电源功率。②由于一个电极与外壳相连，则与外壳相连的那个电极的导电表面积将大大地大于另一个电极，等离子体产生之后，在表面积上的等离子体鞘形成的负电位也将相差悬殊，形成巨大的自偏压，从而使放电中的直流成分增加，影响等离子体处理效果。

（2）屏蔽电场

放电电极即使不与外壳相连，由于射频电源感应效应，电极也可能与外壳局部放电，产生等离子体非工作区，为此，在电极与外壳之间设置一悬浮的金属板，从而阻断其产生电场的可能，起了屏蔽電场的作用，达到预定的效果。

3 射频电源非工作区屏蔽

当外加频率足够高时，振荡周期将可以与电子或离子（特别是离子）跨越等离子体和电极间的鞘层所需的时间相比拟，在这样的射频下（RF），注入功率与等离子体的互作用几乎完全受位移电流而不是实在电流支配，因而物理过程就完全不同了。射频电源最重要的优点之一是：它与等离子体的互作用是通过位移电流而不是传导电流，因而无需电极与等离子体相接触即可实现互作用，特别是产纯度的控制是一重要因素时，电极引起的污染是一严重的缺点，没有携带电流的电极与等离子体相接触，还可改善其可靠性，生产重复性，等离子体反应器本身寿命及产品质量。

沉积在等离子体内的RF功率转换为位移电流，不是真的电流。这意味着更少的电子和离子轰击电极；通过真空室壁功率耦合较少；电极加热较少；没有或者弱得多的直流电弧电极喷注；较低的损失和壁复合，这些都是因为从等离子体中丢失电子和离子的减少机制。

通常，已经证实RF产生的等离子体比等效DC或AC等离子体可更稳定地运行，特别是电极效应方面和它可以在没有某些DC或AC放电中出现的那种放电模式的跃变。RF等离子体可提供比具有相同电子密度的等效DC或 AC等离子体源更高的电子动力学温度，这将有利于需要增加自由基的场合，如等离子体化学反应或分解，以及电离反应。RF产生的等离子体常常比具有相同体积和密度的等效 DC或AC等离子体有更高的电气效率，部分原因是它们有更低的电极损失。鉴于以上的这种优点，研制的大型冷等离子体改性设备就采用射频（RF）电源作为工作电源。但是，对设备外壳采用金属时，就必须对壳体进行接地屏蔽，防止射频（RF）泄漏而对人体产生危害。这就势必带来工作电极对地（即非工作区）放电问题。

因为在射频（RF）输出端为电感耦合，其原边的一端为地，因为耦合的原理，可以肯定的说，其副边的两端都会对地放电。即使采用后的绝缘层隔离，都很难阻止极板对地的放电现象。这就造成了很大的功耗，使工作区的工作体无法正常被加工。而且，由于极板的对地放电，造成两板的不平衡（在瞬间可以视作地加电极对另一电极）则两极面积不对称而产生自偏压。这对等离子体化学反应或分解以及电离是极为不利的。为此，通过反复试验，找到了克服这种现象的根本措施——悬浮屏蔽法。所谓悬浮屏蔽法就是在电极和地之间采用金属板隔离，（该金属板为悬浮状态）阻断其产生交变电场的可能。这样，在电极之间产生的正常的辉光放电，自偏压亦很低（≤80V），各项技术指标均能达到预期的要求。

4 总结

通过与直流电源、低频电源和微波电源应用对比分析，低气压辉光放电等离子体采用射频电源优势明显。通过射频电源应用是悬浮电极和屏蔽电场二项技术的应用，将扩展射频电源在各类等离子体激活改性设备中的应用。

参考文献

[1]杨丹凤，袭著革，李官贤. 低温等离子体技术及其应用研究进展[J]. 中国公共卫生， 2002， 18（1）： 107-108

[2]张近. 低温等离子体技术在表面改性中的应用进展[J]. 材料保护， 1999， 32（8）：20-62

[3]林和健，林云琴. 低温等离子体技术在环境工程中的研究进展[J]. 环境技术， 2005， 23（1）：21-24

[4]庄洪春，孙鹞鸿，彭燕昌，等. 介质阻挡放电产生等离子体技术研究[J]. 高电压技术， 2002， 28（s1）：57-58

[5]金心宇，张昱，金卫. 等离子体状态下PYM处理水稻和大麦种子的效果[J]. 浙江农业科学， 2002（4）： 186-188