射頻板條放電的二維電壓分布模型及均壓方法與流程
2023-04-25 03:13:21 1
本發明屬於雷射器技術領域，更具體地，涉及一種射頻板條放電的二維電壓分布模型及提供放電均勻性方法。
背景技術：
大面積射頻板條電極間放電均勻性受到射頻頻率和注入功率大小的影響，當在特定頻率下進行大面積射頻放電時，由於電極作為射頻能量傳輸線，隨著傳輸距離的增加，電壓沿電極長度方向或寬度方向的不均勻性會直接影響整個電極放電區域射頻放電均勻程度。現有技術研究了射頻板條放電的一維射頻放電模型，即沿雷射器電極長度方向(縱向)上電壓幅度和相位分布，而沒有考慮當縱向射頻饋入為中間饋入、橫向射頻饋入為中間饋入或電極側面饋入時的放電均勻性問題；如果不解決極板射頻電壓均壓問題，會導致射頻放電只在電極某一個或多個區域局部放電，很難實現整個放電區域的均勻放電。
技術實現要素：
針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種射頻板條放電的二維電壓分布模型及均壓方法，其目的在於解決大功率射頻板條CO2雷射器放電不均勻性問題。
為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種射頻板條放電的二維電壓分布模型如下：
其中，Uxy是指極板上任意一點的電壓；UL是指極板上x＝0、y＝0處的電壓，Ux是指極板上距離橫向端點距離x處的電壓，ULx是指極板橫向端點電壓，Uy是指極板縱向端點電壓，ULy是指極板上距離縱向端點距離y處的電壓，k是電磁波延傳輸線的傳播常數，x是指極板的橫向尺寸變量，Zcx是指縱向傳輸過程的特徵阻抗，ZLx是指極板縱向端點阻抗，Zcy是指橫向傳輸過程的特徵阻抗，ZLy是指極板的橫向端點阻抗，y是指極板的縱向尺寸，j是指虛數。
為實現本發明目的，按照本發明的另一方面，提供了一種射頻板條放電的均壓方法，在射頻板條的縱向並聯諧振電感、橫向終端並聯電抗元件以提高放電電壓二維分布的均勻性。
優選地，上述射頻板條放電的均壓方法，當縱向射頻饋入為中間饋入、橫向射頻饋入為電極側面饋入時，在電極側面設置對稱並聯電感或不對稱並聯電感，以獲得放電電壓的均勻分布。
優選地，上述射頻板條放電的均壓方法，通過調整並聯電感的設置位置和並聯電感的大小，使得最小，以獲得放電電壓的均勻分布。
優選地，上述射頻板條放電的均壓方法，對於尺寸為200mm×1000mm的射頻板條極板，在極板電極側面、距離極板四個端點20mm處各並聯1個30nH電感，共4個30nH電感；
並在極板電極縱向上、距離一側端點150mm的位置並聯一個9nH的電感，在距離該側另一端點150mm處對稱地並聯9nH的電感；
並在距離該側一端點305mm的位置並聯一個10.4nH的電感，在距離該側另一端點305mm處對稱地並聯10.4nH的電感；
並在距離該側一端點460mm的位置並聯一個8.2nH的電感，在距離該側另一端點460mm處對稱地並聯8.2nH的電感；
使得二維電壓波動小於3％，射頻板條電極間均勻放電。
總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有益效果：
(1)本發明提供的射頻板條放電的二維電壓分布模型，當縱向射頻饋入為中間饋入、橫向射頻饋入為電極側面饋入時，分別在電極側面設置對稱和/或不對稱並聯電感，實現了射頻板條放電電壓的均勻分布；
(2)本發明提供的提高射頻板條放電均勻性的方法，基於上述二維電壓分布模型，通過在極板側面的特定位置設置電感，實現了射頻板條放電的均勻分布，解決了大功率射頻板條CO2雷射器放電不均勻性問題。
附圖說明
圖1是實施例中電極側面饋入方式下並聯電感後的結構示意圖；
圖2是實施例中並聯電感後的二維均壓電感分布示意圖；
圖3是實施例中二維均壓電感分布示意圖；
圖4實施例中並聯電感後的電極結構示意圖。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。
射頻板條放電電極的縱向和橫向的尺寸相差較大，縱向尺寸數倍於橫向尺寸，因此放電電壓的分布不均勻性主要表現在縱向；本發明中，在縱向採用分布並聯諧振的方式並聯電感，同時在多個特定位置設置特定大小的電感以獲得縱向的電壓均勻分布；而橫向的電壓分布係數相對較小，考慮實際的電感安裝，在橫向放電終端採用並聯電抗性負載均壓的方式並聯電感；最終通過在電極兩個側面的不同橫向對稱位置並聯不同大小的電感，達到實現放電電壓的二維均勻分布的目的。電感的設置位置以及所設置的電感的大小，則依據射頻板條放電的二維電壓分布模型來確定。
實施例中，在電極側面饋入方式下，由於在橫向電壓分布不再具有中心對稱模式，因此電極側面電感大小也不可能呈對稱分布；此時饋入側面的並聯電感不參入橫向的均壓模型，只有橫向終端的並聯電感起到橫向均壓的作用。電極側面饋入方式下並聯電感後可能的電極結構如圖1所示；其電感分布如圖2所示，其中部分位置的電感大小可能為無窮大，在這些位置則不並聯電感；
實施例在此時的二維電壓分布函數為：
其中，Uy是指極板上距離縱向端點距離y處的電壓，ULy是指極板縱向端點電壓，k是指電磁波延傳輸線的傳播常數，Zcy是指橫向傳輸過程的特徵阻抗，ZLy是指極板的橫向端點阻抗，y是指極板的縱向尺寸變量，j是指虛數；
其中，橫向終端阻抗其分布如圖3所示；
其中，L0是指L0處電感大小，L1是指圖3中L1處電感大小，L2是指圖3中L2處電感的大小，ω是指角頻率，j是指虛數；
由此雖然可以保證縱向電壓分布的最佳，卻不能將橫向電壓波動控制到最小；因此在該電感位置和電感大小設置的基礎上，通過以下步驟再次調整電感的位置和大小，使得二維電壓分布函數取最小值。
對二維電壓分布函數以縱向電感位置為分界點分段進行計算，從極板縱向的端點到l1處的電壓分布函數為：
其中，l1是指圖3中L1所對應的電感在極板上距離極板左側端點的距離；Uxy是指極板上任意一點電壓；UL是指極板上x＝0、y＝0處的電壓，Ux是指極板上距離橫向端點距離x處的電壓，ULx是指極板橫向端點電壓，Uy是指極板縱向端點電壓，ULy是指極板上距離縱向端點距離y處的電壓，k是指電磁波延傳輸線的傳播常數，x是指極板的橫向尺寸變量，Zcx是指縱向傳輸過程的特徵阻抗，是指極板縱向端點L0處阻抗，Zcy是指橫向傳輸過程的特徵阻抗，ZLy是指極板的橫向端點阻抗，y是指極板的縱向尺寸變量，j是指虛數；
從l1到l2的電壓分布函數為：
其中，是指極板縱向上L1處的阻抗；採樣上述同樣的方法，得到l2到l3、以及所有每兩個並聯電感之間的二維電壓分布函數；其中，l2是指L2電感距離極板左側端點的距離，l3是指L3電感距離極板左側端點的距離；
通過調整所有電感的位置和大小，使得最小，此時的電感位置和大小即為根據二維電壓分布模型獲得的最佳電感設置位置以及電感大小。
實施例中，對於尺寸為200mm×1000mm的射頻板條極板，在極板電極側面、距離極板四個端點20mm處各並聯1個30nH電感，,共4個30nH電感；
並在極板電極縱向上、距離一側端點150mm的位置並聯一個9nH的電感，在距離該側另一端點150mm處對稱地並聯9nH的電感；
並在距離該側一端點305mm的位置並聯一個10.4nH的電感，在距離該側另一端點305mm處對稱地並聯10.4nH的電感；
並在距離該側一端點460mm的位置並聯一個8.2nH的電感，在距離該側另一端點460mm處對稱地並聯8.2nH的電感；使得二維電壓波動小於3％，此時的電感位置和大小與一維縱向均壓時的電感位置和大小一致。
在本發明的二維均壓的過程中，通過首先選取某一一維縱向電壓分布的最佳位置和電感大小，保持該最佳電感位置，然後調整電極兩個側面的電感大小的方法，可快捷的獲得二維均壓模型的最佳電感分布，以解決二維模型直接調整過程過於複雜的問題。
以下實施例中，採用並聯均壓電感的方式，實現極板上電壓的均勻分布；對各種電感設置位置和電感大小進行放電實驗，得到電壓分布均勻性較好的大面積均勻放電；在饋入方式上，採用的是縱向中間饋入，電極側面饋入的方式。
對於200mm×1000mm電極，極間距1.5mm，當設置的電感位置和電感大小如下表1所示時，在不同注入功率和氣壓下的放電現象如表2所示；其中，電感位置是指該電感距離縱向某一端點的位置；譬如表1中電感位置110mm指的是如圖4中所示的L2距離左側端點110mm；
表1電感設置位置和電感大小參數列表1
表2不同放電條件下的放電現象列表1
從表2可分析出，上述表1電感的設置對電壓分布的不均性調整過度，需再次調整電感位置和大小以使得電壓分布均勻；當採用的電感位置和電感大小如表3所示時，不同注入功率和氣壓下的放電現象如表4所示。
表3電感設置位置和電感大小參數列表1
表4不同放電條件下的放電現象列表2
從表4可以看出，在上述表3的電感設置下，在較低的注入功率和較高的氣壓下使得放電布滿整個極板，在較高的注入功率和氣壓下獲得較為均勻的亮度放電亮度分布，判定在該設置下放電電壓分布均勻。
當採用表3所列的電感位置和電感大小時，在30kW注入功率，18000Pa氣壓下，獲得了均勻的放電亮度分布；該電感位置和大小理論計算模型一致，表明該實例驗證了本發明實施例提出的二維均壓模型的正確性。
通過本發明提供的這種均壓方法，可以使得在較高氣壓和注入功率密度下沿極板二維方向均勻放電發光分布。
本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。