專利名稱：一種等離子體源裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及等離子體源領域，更具體地說，涉及一種等離子體源裝置。
背景技術：
眾所周知，等離子體是由部分電子被剝奪后的原子及原子被電離后產(chǎn)生的正負電子組成的離子化氣體狀物質(zhì)，它是除去固、液、氣外，物質(zhì)存在的第四態(tài)，即等離子體是物質(zhì)的第四態(tài)，即電離了的“氣體”，它呈現(xiàn)出高度激發(fā)的不穩(wěn)定態(tài)。其實，人們對等離子體現(xiàn)象并不生疏。在自然界里，熾熱爍爍的火焰、光輝奪目的閃電、以及絢爛壯麗的極光等都是等離子體作用的結(jié)果。對于整個宇宙來講，幾乎99. 9%以上的物質(zhì)都是以等離子體態(tài)存在的，如恒星和行星際空間等都是由等離子體組成的，用人 工方法，如核聚變、核裂變、輝光放電及各種放電都可產(chǎn)生等離子體。 等離子體偏離熱力學平衡的性質(zhì)。大體有兩類方式。一類是等離子體宏觀參量如密度、溫度、壓強及其他熱力學量的不均勻性，由此產(chǎn)生的不穩(wěn)定性使等離子體整體的形狀改變，稱為宏觀不穩(wěn)定性或位形空間不穩(wěn)定性，可用磁流體力學分析，故又稱磁流體力學不穩(wěn)定性。另一類是等離子體的速度空間分布函數(shù)偏離麥克斯韋分布，由此產(chǎn)生的不穩(wěn)定性稱為微觀不穩(wěn)定性或速度空間不穩(wěn)定性，可用等離子體動力論分析，故又稱動力論不穩(wěn)定性。等離子體的不穩(wěn)定性(無論宏觀、微觀)也可按引起它的驅(qū)動能量分類。如磁能引起的電流不穩(wěn)定性；等離子體向弱磁場區(qū)膨脹時膨脹能引起的交換不穩(wěn)定性；密度、溫度梯度產(chǎn)生的等離子體膨脹能引起的漂移不穩(wěn)定性；非麥克斯韋分布或壓強各向異性對應的自由能引起的速度空間不穩(wěn)定性等。等離子體中種類多樣的不穩(wěn)定性會導致帶電粒子的逃逸或輸運系數(shù)的異常增大，破壞等離子體的約束或限制約束時間。因此，保持良好的諧振電磁波產(chǎn)生穩(wěn)定的電場，克服等離子體的各種不穩(wěn)定性，成為人們面臨的一個課題。目前,超材料(metamaterial)作為一種材料設計理念以及研究前沿,越來越引起人們的關注，所謂超材料，是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復合結(jié)構(gòu)或復合材料。通過在材料的關鍵物理尺度上的結(jié)構(gòu)有序設計，可突破某些表觀自然規(guī)律的限制，從而獲得超出自然界固有的普通的超常材料功能。迄今發(fā)展出的“超材料”包括“左手材料”、光子晶體、“超磁性材料”等，超材料性質(zhì)往往不主要決定與構(gòu)成材料的本征性質(zhì),而決定于其中的人工結(jié)構(gòu)。超材料影響電磁波主要關注以下幾個方面的指標I)高性能。對電磁波的影響應具有較高的性能，接近所需要的影響狀態(tài)。2)低損耗。具有較高的能量影響效率，以實現(xiàn)節(jié)能降耗的目標。3)尺寸小。不占用過多空間。此外，對電磁波的影響應易于實現(xiàn)，設計不應太復雜，器件成本不應過高。超材料由介質(zhì)基材和設置上基材上的多個人為結(jié)構(gòu)組成，可以提供各種普通材料具有和不具有的材料特性。單個人為結(jié)構(gòu)大小一般小于1/10個波長，其對外加電場和/或磁場具有電響應和/或磁響應，從而具有表現(xiàn)出等效介電常數(shù)和/或等效磁導率，或者等效折射率和波阻抗。人為的結(jié)構(gòu)的等效介電常數(shù)和等效磁導率(或等效折射率和波阻抗)由單元幾何尺寸參數(shù)決定，可人為設計和控制。并且，人為結(jié)構(gòu)可以具有人為設計的各向異性的電磁參數(shù)，從而產(chǎn)生許多新奇的現(xiàn)象，為實現(xiàn)電磁波的影響提供了可能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題在于，提供一種體積小、簡單、易于實現(xiàn)以及成本低的等離子體源裝置。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是微波發(fā)生器、超材料以及等離子生成器，所述的微波發(fā)生器、超材料以及等離子生成器依次設置，所述的微波發(fā)生器用于產(chǎn)生微波；所述的超材料用于將所述的微波發(fā)生器發(fā)出的微波調(diào)制成能與所述的等離子發(fā)生器發(fā)生諧振的微波后，發(fā)送至所述的等離子生成器，所述的等離子體生成器用于生成等離子體。 在本發(fā)明所述的等離子體源裝置中，所述超材料由基材以及多個人造微結(jié)構(gòu)組成，所述基材分成多個晶格，所述人造微結(jié)構(gòu)置于所述晶格中形成一個單元。在本發(fā)明所述的等離子體源裝置中，所述超材料由多個超材料片狀基板堆疊形成，所有的人造微結(jié)構(gòu)在空間中形成周期陣列。在本發(fā)明所述的等離子體源裝置中，所述所有的人造微結(jié)構(gòu)在空間中呈均勻性的周期陣列。在本發(fā)明所述的等離子體源裝置中，所述的等離子生成器包括諧振腔、電極組以及氣體。在本發(fā)明所述的等離子體源裝置中，在基材選定的情況下，通過改變?nèi)嗽煳⒔Y(jié)構(gòu)的圖案、設計尺寸和/或人造微結(jié)構(gòu)在空間中的排布獲得內(nèi)部的空間調(diào)制結(jié)果。在本發(fā)明所述的等離子體源裝置中，所述基材由陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料制得。在本發(fā)明所述的等離子體源裝置中，所述的人造微結(jié)構(gòu)為具有圖案的附著在基材上的金屬線。在本發(fā)明所述的等離子體源裝置中，所述金屬線通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻的方法附著在基材上。在本發(fā)明所述的等離子體源裝置中，所述金屬線為銅線或銀線。在本發(fā)明所述的等離子體源裝置中，所述金屬線呈二維雪花狀，其具有相互垂直呈“十”字的第一主線及第二主線，所述第一主線的兩端各垂直設置一個第一支線，所述第二主線的兩端各垂直設置一個第二支線。在本發(fā)明所述的等離子體源裝置中，所述第一主線及第二主線相互平分，所述第一支線的中心連接在第一主線上，所述第二支線的中心連接在第二主線上。實施本發(fā)明的等離子體源裝置，具有以下有益效果I.體積小，不占用過多的空間；2.簡單、易于實現(xiàn)、低成本，通過超材料對調(diào)制結(jié)果加以影響，不依賴設備的種類及形狀。


圖I是本發(fā)明實施例一種等離子體源裝置結(jié)構(gòu)方框圖；圖2為本發(fā)明實施例中超材料結(jié)構(gòu)示意圖；圖3a為本發(fā)明實施例中超材料的正視圖；圖3b為本發(fā)明實施例中超材料微結(jié)構(gòu)的示意圖；圖3c為本發(fā)明實施例中超材料立體結(jié)構(gòu)圖；圖4至圖6為圖3b人造微結(jié)構(gòu)的衍生圖；
具體實施例方式為詳細說明本發(fā)明的技術內(nèi)容、構(gòu)造特征、所實現(xiàn)目的及效果，以下結(jié)合實施方式并配合附圖詳予說明?！俺牧?是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復合結(jié)構(gòu)或復合材料。通過在材料的關鍵物理尺度上的結(jié)構(gòu)有序設計，可以突破某些表觀自然規(guī)律的限制，從而獲得超出自然界固有的普通性質(zhì)的超常材料功能?！俺牧?重要的三個重要特征(I) “超材料"通常是具有新奇人工結(jié)構(gòu)的復合材料；(2) “超材料"具有超常的物理性質(zhì)(往往是自然界的材料中所不具備的)；(3) “超材料"性質(zhì)往往不主要決定與構(gòu)成材料的本征性質(zhì)，而決定于其中的人工結(jié)構(gòu)。請參閱圖1，在本發(fā)明實例中，一種等離子體源裝置，包括微波發(fā)生器10、超材料20以及等離子體生成器30，微波發(fā)生器10、超材料20以及等離子生成器30順序設置，微波發(fā)生器10用于產(chǎn)生微波；超材料20用于將微波發(fā)生器10發(fā)出的微波進行調(diào)制成能與等離子發(fā)生器30發(fā)生諧振的微波至等離子生成器30 ;等離子體生成器30用于生成等離子體。在本發(fā)明實施例中，等離子體生成器30包括諧振腔301、電極組302以及氣體303。諧振腔301用于接收超材料發(fā)送的電磁波發(fā)生諧振，電極組302用于生成電離子，氣體303充塞整個等離子體空腔中。由公知常識可知，我們可知，等離子體的產(chǎn)生主要是靠電子去撞擊中性氣體原子，使中性氣體原子解離而產(chǎn)生等離子體，但中性氣體原子的原子核對其外圍的電子有一束縛的能量，我們稱它為束縛能，而外界的電子能量必須大于此束縛能，才會有能力解離此中性氣體原子。但是，此外界的電子往往是能量不足的，沒有解離中性氣體原子的能力，所以，我們必須用外加能量的方法給電子能量，使電子有能力解離此中性氣體原子。要外加能量給電子，最簡單的方法就是用平行電極板加一直流電壓，電子在電極中，會被帶正電之電極所吸引而加速，在加速的過程中，電子就可以累積能量，當電子的能量達到某一程度時，就有能力來解離中性氣體原子。諧振腔301上開有很多小孔，其孔徑遠遠小于傳送來的電磁波的波長，以防微波能泄露，電極組302與諧振腔301電連接為一體并保持相同的電位。當微波生成器10生成的微波經(jīng)過超材料20調(diào)整后進入諧振腔301時，由于諧振便在其中產(chǎn)生大量的正負電荷，其中，單極性電荷在電場力的作用下進入電極組302，電極組302大量吸收單極性電荷后，與氣體303形成密度差而引起流動，氣體303通過小孔不斷進入諧振腔301，不斷發(fā)生電離，在很短的時間內(nèi)氣體303將達到全部電離，全部的氣體變成了等離子體。請參閱圖2，本發(fā)明實施例中的超材料20，超材料20由基材I以及多個人造微結(jié)構(gòu)2組成，基材分成多個晶格，所述人造微結(jié)構(gòu)2置于所述晶格中形成一個單元，為了更好的調(diào)制響應效果，實踐中常用多個片狀超材料20層壓成多個超材料組合體30。圖3為一個片狀超材料20的正視圖?；腎分成若干晶格，“晶格”的概念來自固體物理，這里的“晶格”是指在超材料中每個人造微結(jié)構(gòu)2所占用的尺寸。“晶格”尺寸取決于人造微結(jié)構(gòu)2需要響應的折射率分布，通常人造微結(jié)構(gòu)2的尺寸為所需響應的電磁波波長的十分之一。人造微結(jié)構(gòu)2置于晶格形成一個單元，所述單元的阻抗在基材I選定的情況下，改 變?nèi)嗽煳⒔Y(jié)構(gòu)2的圖案、設計尺寸和/或人造微結(jié)構(gòu)在空間中的排列通過仿真而獲得調(diào)制
結(jié)果數(shù)值。超材料可以對電場或者磁場，或者兩者同時進行相應。對電場的響應取決于超材料的介電常數(shù)e，而對磁場的響應取決于超材料的磁導率U。通過對超材料空間中每一點的介電常數(shù)e與磁導率U的精確控制，我們可以實現(xiàn)通過超材料對電磁波的影響。超材料的電磁參數(shù)在空間中的均勻或者非均勻的分布是超材料20的重要特征之一。電磁參數(shù)在空間中的均勻分布為非均勻分布的一種特殊形式，但其具體特性，仍然是由空間中排列的各個單元結(jié)構(gòu)的特性所決定。因此，通過設計空間中排列的每個結(jié)構(gòu)的特性，就可以設計出整個超材料在空間中每一點的電磁特性，這種電磁材料系統(tǒng)將會具有眾多奇 異特性，對電磁波的傳播可以起到特殊的引導作用。在本發(fā)明的等離子體源裝置中，基材I由陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料制得。優(yōu)選地，選用FR4、F4B、聚四氟乙烯，其中，聚四氟乙烯的電絕緣性非常好，因此不會對電磁波的電場產(chǎn)生干擾，并且具有優(yōu)良的化學穩(wěn)定性、耐腐蝕性，使用壽命長，作為人造微結(jié)構(gòu)2附著的基材I是很好的選擇。在本發(fā)明的等離子體源裝置中，所述的人造微結(jié)構(gòu)2為一具有圖案的附著在基材I上的金屬線。在本發(fā)明的等離子體源裝置中，金屬線通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻的方法附著在基材I上。在本發(fā)明的等離子體源裝置中，所述金屬線為銅線或銀線。如圖3b所示，作為一個具體的實施例，所述金屬線呈二維雪花狀，其具有相互垂直呈“十”字的第一主線21及第二主線22，所述第一主線21的兩端垂直設置有兩個第一支線23，所述第一主線的兩端垂直設置有兩個第二支線24。所述第一主線21及第二主線22相互平分，所述兩個第一支線23的中心連接在第一主線21上，所述兩個第二支線24的中心連接在第二主線22上。圖3c為本發(fā)明實施例超材料的立體圖，即在兩個第一支線和兩個第二支線的兩端均再加兩個支線25和26。當然，這里只是舉了一個簡單的例子，金屬線的圖案還可以為其它的，本發(fā)明并不能對此一一列舉。圖中只是示意，實際上第一主線、第二主線、第一支線及第二支線都是有寬度的。
可影響調(diào)制結(jié)果分布的人造微結(jié)構(gòu)2還有很多，如在許多文獻中都被引用到的開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)。另外人造微結(jié)構(gòu)2還可以有很多變形圖案，S卩超材料上的人造微結(jié)構(gòu)2還可以是三角形、四方形、不規(guī)則的閉合曲線等。若干人造微結(jié)構(gòu)2通過可由人工仿真技術實現(xiàn)，特定的電磁波的結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生吸波效應、渦流效應、等效電容效應等，諸如此類的效應會影響通過其的電磁波的能量，而電磁波能量與頻率的關系為E = hv, h是普朗克常數(shù)，V是頻率，E是指電磁波能量。電磁波為一個矢量，其包括頻率、幅度和相位，電磁波能量的變化實際上影響到了電磁波頻率的變化，因此每個人造微結(jié)構(gòu)2自身特定的結(jié)構(gòu)實際上改變了通過的電磁波的頻率，即對輸入的電磁波進行了調(diào)頻，另外，結(jié)構(gòu)不同則引起的調(diào)頻不相同，因此，可以對電磁波的頻率實現(xiàn)任意調(diào)制。所述超材料20發(fā)出的電磁波最終被諧振腔301接收并發(fā)生響應。在基材選定的情況下，通過改變?nèi)嗽煳⒔Y(jié)構(gòu)的圖案、設計尺寸和/或人造微結(jié)構(gòu)在空間中的排布獲得想要的調(diào)制效果，這是因為，通過改變?nèi)嗽煳⒔Y(jié)構(gòu)的圖案、設計尺寸和 /或人造微結(jié)構(gòu)在空間中的排布，即可改變超材料所在空間中每一單元的電磁參數(shù)e和U，可以設計出空間中每一點的等效電磁參數(shù)，相應地得到其等效電容，進而獲得每個人造微結(jié)構(gòu)自身的響應頻率，從而可以精確控制超材料所在空間中每一點的調(diào)制，進而得到我們想要的調(diào)制(整體調(diào)制)。至于怎么得到人造微結(jié)構(gòu)的圖案、設計尺寸和/或人造微結(jié)構(gòu)在空間中的排布，這個方法是多種的，舉個例子，可以通過逆向的計算機仿真模擬得到，先我們需要的調(diào)制效果，根據(jù)此數(shù)效果去設計超材料空間調(diào)制器整體的電磁參數(shù)分布，再從整體出發(fā)計算出空間中每一點的電磁參數(shù)分布，根據(jù)這每一點的電磁參數(shù)來選擇相應的人造微結(jié)構(gòu)的圖案、設計尺寸和/或人造微結(jié)構(gòu)在空間中的排布(計算機中事先存放有多種人造微結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù))，對每個點的設計可以用窮舉法，例如先選定一個具有特定圖案的人造微結(jié)構(gòu)，計算電磁參數(shù)，將得到的結(jié)果和我們想要的對比，對比再循環(huán)多次，一直到找到我們想要的電磁參數(shù)為止，若找到了，則完成了人造微結(jié)構(gòu)的設計參數(shù)選擇；若沒找到，則換一種圖案的人造微結(jié)構(gòu)，重復上面的循環(huán)，一直到找到我們想要的電磁參數(shù)為止。如果還是未找到，則上述過程也不會停止。也就是說只有找到了我們需要的電磁參數(shù)的人造微結(jié)構(gòu)后，程序才會停止。由于這個過程都是由計算機完成的，因此，看似復雜，其實很快就能完成。實施本發(fā)明的等離子體源裝置，具有以下有益效果I.體積小，不占用過多的空間；2.簡單、易于實現(xiàn)、低成本，通過超材料對電磁波加以影響，不依賴設備的種類及形狀。上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護之內(nèi)。
權利要求
1.一種等離子體源裝置，其特征在于，包括微波發(fā)生器、超材料以及等離子生成器，所述的微波發(fā)生器、超材料以及等離子生成器依次設置，所述的微波發(fā)生器用于產(chǎn)生微波；所述的超材料用于將所述的微波發(fā)生器發(fā)出的微波調(diào)制成能與所述的等離子發(fā)生器發(fā)生諧振的微波后，發(fā)送至所述的等離子生成器；所述的等離子體生成器用于生成等離子體。
2.根據(jù)權利要求I所述的等離子體源裝置，其特征在于，所述超材料由基材以及多個人造微結(jié)構(gòu)組成，所述基材分成多個晶格，一個人造微結(jié)構(gòu)置于一個晶格中形成一個單元，所有的單元在空間中形成周期陣列。
3.根據(jù)權利要求2所述的等離子體源裝置，其特征在于，所述超材料由多個超材料片狀基板堆疊形成，超材料片狀基板由基材以及多個人造微結(jié)構(gòu)組成，所述基材分成多個晶格，一個人造微結(jié)構(gòu)置于一個晶格中形成一個單元，所有的單元在空間中形成周期陣列。
4.根據(jù)權利要求3所述的等離子體源裝置，其特征在于，所述所有的單元在空間中呈均勻性的周期陣列。
5.根據(jù)權利要求I所述的等離子體源裝置，其特征在于，在基材選定的情況下，通過改變?nèi)嗽煳⒔Y(jié)構(gòu)的圖案、設計尺寸和/或人造微結(jié)構(gòu)在空間中的排布獲得內(nèi)部的調(diào)制結(jié)果分布。
6.根據(jù)權利要求2或3所述的等離子體源裝置，其特征在于，所述基材由陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料制得。
7.根據(jù)權利要求2或3所述的等離子體源裝置，其特征在于，所述的人造微結(jié)構(gòu)為具有圖案的附著在基材上的金屬線。
8.根據(jù)權利要求7所述的等離子體源裝置，其特征在于，所述金屬線通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻的方法附著在基材上。
9.根據(jù)權利要求7所述的等離子體源裝置，其特征在于，所述金屬線為銅線或銀線。
10.根據(jù)權利要求7所述的等離子體源裝置，其特征在于，所述金屬線呈二維雪花狀，其具有相互垂直呈“十”字的第一主線及第二主線，所述第一主線的兩端各垂直設置一個第一支線，所述第二主線的兩端各垂直設置一個第二支線。
11.根據(jù)權利要求10所述的等離子體源裝置，其特征在于，所述第一主線及第二主線相互平分，所述第一支線的中心連接在第一主線上，所述第二支線的中心連接在第二主線上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種等離子體源裝置，包括微波發(fā)生器、超材料以及等離子生成器，所述的微波發(fā)生器、超材料以及等離子生成器順序相設置，所述的微波發(fā)生器用于產(chǎn)生微波；所述的超材料用于將所述的微波發(fā)生器發(fā)出的微波進行調(diào)制成能與所述的等離子發(fā)生器發(fā)生諧振的微波至等離子生成器，所述的等離子體生成器用于生成等離子體。本發(fā)明提供的等離子體源裝置體積小、簡單、易于實現(xiàn)、成本低、具有廣泛的應用前景。
文檔編號H05H1/46GK102802337SQ20111014892
公開日2012年11月28日 申請日期2011年6月3日 優(yōu)先權日2011年6月3日
發(fā)明者劉若鵬, 季春霖, 岳玉濤, 尹小明 申請人:深圳光啟高等理工研究院, 深圳光啟創(chuàng)新技術有限公司