微波人造钻石生产装置的制作方法

1.本发明涉及一种人造钻石的生产装置，尤指一种利用微波电浆化学气相沉积法(microwave plasma chemical vapor deposition，简称mpcvd)生产人造钻石的装置。


背景技术：

2.现有技术中的mpcvd人造钻石生产装置具有一反应腔及一微波发射模组。反应腔内设置有一钻石载台；微波发射模组朝反应腔发射2.45ghz的微波，且微波会在钻石载台处形成的区域性驻波强电场。于生产人造钻石时，将一钻石晶种置于钻石载台上，并且将高浓度甲烷注入反应腔内，此时微波发射模组发射的微波能量会将钻石晶种周围的甲烷气体加热至极高温并形成电浆球，使甲烷气体中的碳原子受电浆作用而附着于钻石晶种上，进而使钻石晶种逐渐生长成为体积较大的人造钻石。
3.为了强化人造钻石生产装置的生产效率，中国台湾第twi734405b号专利案揭露了一种具有圆极化管及聚焦机构及的人造钻石生产装置，微波由圆极化管转换成圆极化微波后，再以聚焦机构聚焦在钻石晶种处，使钻石晶种周围能够稳定形成电浆球，以提高人造钻石的生产效率。
4.然而，根据中国台湾第twi734405b号专利案所设计出的人造钻石生产装置在实际测试时发现，圆极化微波虽然有助于稳定形成电浆球，但同时也容易因为阻抗不匹配而在反应腔内多次反射，使得微波发射模组与反应腔之间形成复杂的多重反射驻波，进而破坏钻石晶种周围的电浆球稳定性，导致生产效率下降。简单来说，根据中国台湾第twi734405b号专利案所设计出的人造钻石生产装置虽然理论上能够提高人造钻石的生产效率，但实际运作时却会因为反应腔内累积过多无用的微波能量，而导致钻石生产效率无法达到预期水准。
5.因此，现有技术的人造钻石生产装置及其微波发射模组实有待加以改良。


技术实现要素：

6.有鉴于前述的现有技术的缺点及不足，本发明提供一种能避免反应腔内发生微波多次反射而使微波发射模组与反应腔之间形成复杂的多重反射驻波的微波人造钻石生产装置。
7.为达到上述目的，本发明所采用的技术手段为设计一种微波人造钻石生产装置，包含：
8.一反应容器，其为一中空体，该反应容器上具有一微波视窗，该微波视窗用于供外部的微波穿透至该反应容器内，该反应容器具有
9.一钻石载台，其设于该反应容器内，并且界定出一聚焦区域；
10.一微波发射模组，其设于该反应容器外，并且朝该反应容器的该微波视窗发射圆极化微波，该微波发射模组包含依序连接的一模式转换管、一导向管、一第一导波管及一第一线极化微波源，该微波发射模组还具有一第二导波管及一第一匹配负载，其中
11.该模式转换管具有
12.一圆极化开口，其位于该模式转换管的一端，并且朝向该反应容器的该微波视窗；
13.一线极化开口，其位于该模式转换管的另一端；当外部的线极化微波从该线极化开口进入该模式转换管，该线极化微波会被转换成圆极化微波并从该圆极化开口射出；当外部的圆极化微波从该圆极化开口进入该模式转换管，该圆极化微波会被转换成线极化微波并从该线极化开口射出；
14.该导向管具有：
15.一主开口，其位于该导向管的一端，并且连接该模式转换管的该线极化开口；
16.一第一开口；
17.一第二开口，其位于该导向管的管壁；该第二开口的方向与该第一开口的方向非平行；
18.该第一导波管的一端连接该导向管的该第一开口，另一端连接该第一线极化微波源；
19.该第一线极化微波源产生线极化微波，该线极化微波被该模式转换管转换成圆极化微波并且经由该模式转换管的该圆极化开口朝该反应容器的该微波视窗发射；
20.该第二导波管的一端连接该导向管的该第二开口；
21.该第一匹配负载设于该第二导波管；
22.一微波透镜，其设于该微波发射模组的该模式转换管的该圆极化开口及该反应容器的该钻石载台之间；该微波透镜将该微波发射模组所发射的圆极化微波聚集于该钻石载台的该聚焦区域。
23.进一步而言，所述的微波人造钻石生产装置，其中该微波发射模组具有一第二线极化微波源，其设置于该第二导波管的另一端；一第二匹配负载，其设置于该第一导波管。
24.进一步而言，所述的微波人造钻石生产装置，其中该微波发射模组的该导向管为圆管；该微波发射模组的该第一导波管及该第二导波管为方管。
25.进一步而言，所述的微波人造钻石生产装置，其中该导向管的该第一开口位于该导向管相对该主开口的一端；该微波发射模组具有一方转圆连接管，其连接于该第一导波管及该导向管的该第一开口之间；该方转圆连接管的管内壁由方形逐渐转变成圆型。
26.进一步而言，所述的微波人造钻石生产装置，其中该导向管的该第一开口位于该导向管相对该主开口的一端；该微波发射模组具有一连接套管，其套设于该导向管外，该第二导波管连接该连接套管的外壁面；该连接套管上具有一转换孔，其从该连接套管的外壁面贯穿至内壁面，并且为一长孔；该转换孔的相对二开口分别连接该导向管的该第二开口及该第二导波管，并且该转换孔的宽度朝该第二开口渐缩。
27.进一步而言，所述的微波人造钻石生产装置，其中该转换孔的相对二孔壁为阶梯状而使该转换孔的宽度朝该第二开口渐缩。
28.进一步而言，所述的微波人造钻石生产装置，其中该微波发射模组具有一连接套管，其套设于该导向管外，该第二导波管连接该连接套管的外壁面；该连接套管上具有一转换孔，其从该连接套管的外壁面贯穿至内壁面，并且为一长孔；该转换孔的相对二开口分别连接该导向管的该第二开口及该第二导波管，并且该转换孔的宽度朝该第二开口渐缩。
29.进一步而言，所述的微波人造钻石生产装置，其中该转换孔的相对二孔壁为阶梯
状而使该转换孔的宽度朝该第二开口渐缩。
30.进一步而言，所述的微波人造钻石生产装置，其中该导向管的该第一开口位于该导向管的管壁；该微波发射模组具有一连接套管，其套设于该导向管外，该第二导波管连接该连接套管的外壁面；该连接套管上具有二转换孔；各该转换孔从该连接套管的外壁面贯穿至内壁面，并且为一长孔；其中一该转换孔的相对二开口分别连接该导向管的该第一开口及该第一导波管；另一该转换孔的相对二开口分别连接该导向管的该第二开口及该第二导波管；各该转换孔的宽度朝该导向管的外壁面渐缩。
31.进一步而言，所述的微波人造钻石生产装置，其中该导向管的该第一开口的开口方向垂直于该第二开口的开口方向。
32.本发明的优点在于，借由在微波发射模组设置模式转换管、导向管以及第一匹配负载，当反应容器中的圆极化微波因阻抗不匹配等各种原因发生反射时，反射的圆极化微波能够被模式转换管再次转换回线极化微波，然后经由导向管的第二开口射出至第一匹配负载，并且在第一匹配负载处被转换成热能。借此，本发明能疏导反应容器中无用的微波能量，防止反应容器中形成复杂的多重反射驻波，进而具有保持钻石晶种周围的电浆球稳定性并提高钻石生产效率的功效。
33.具体来说，第一线极化微波源所发射的线极化微波会经由导向管进入模式转换管，被转换成圆极化微波后射入反应容器内辅助形成钻石。反应容器内反射的圆极化微波则会被模式转换管再度转换成线极化微波，但此线极化微波(下称反射微波)被模式转换管转换两次后，其电场角度会垂直于原始发射的线极化微波，故反射微波已经无法循原本的第一开口离开导向管，因此传统的中国台湾第twi734405b号专利案的反应腔内会累积过多无用的微波能量。而本发明的导向管上具有与第一开口非平行的第二开口，故反射微波能够从第二开口离开导向管，借此疏导反应容器中无用的微波能量。
附图说明
34.图1是本发明的第一实施例的立体外观图。
35.图2是本发明的第一实施例的立体元件分解图。
36.图3是本发明的第一实施例的部分元件立体剖视示意图。
37.图4是本发明的第一实施例的纵向局部剖视示意图。
38.图5是本发明的第一实施例的横向剖视示意图。
39.图6是本发明的第二实施例的立体外观图。
40.图7是本发明的第二实施例的立体元件分解图。
41.图8是本发明的第二实施例的纵向剖视示意图。
42.图9是本发明的第二实施例沿图8的a-a割面线的横向剖视示意图。
具体实施方式
43.以下配合说明书附图及本发明的较佳实施例，进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段。
44.请参阅图1、图2及图4所示，本发明的微波人造钻石生产装置包含一反应容器10、一微波发射模组及一微波透镜13。
45.反应容器10为一中空体，反应容器10上具有一微波视窗11，微波视窗11用于供外部的微波穿透至反应容器10内，微波视窗11具体来说设置于反应容器10的外壳上。反应容器10具有一钻石载台12，其设于反应容器10内。钻石载台12的顶面上界定出一聚焦区域121。
46.微波发射模组设于反应容器10外，并且朝反应容器10发射圆极化微波。微波发射模组包含一模式转换管21、一导向管22、一第一导波管31、一第一线极化微波源32、一第二导波管41及一第一匹配负载43；以及在本实施例中，进一步包含一方转圆连接管23、一连接套管24、一第二线极化微波源42及一第二匹配负载33。其中模式转换管21、导向管22、第一导波管31及第一线极化微波源32沿一微波路径依序连接。
47.具体来说，本实施例的微波发射模组具有一微波叠加组件20、一第一微波组件30及一第二微波组件40，第一微波组件30及第二微波组件40朝微波叠加组件20发射线极化微波，两微波组件30、40发射的微波于微波叠加组件20重叠后共同进入反应容器10内。
48.请配合参阅图2至图4所示，微波叠加组件20包含前述的模式转换管21、导向管22、方转圆连接管23及连接套管24；第一微波组件30包含前述的第一导波管31、第一线极化微波源32及第二匹配负载33；第二微波组件40包含前述的第二导波管41、第二线极化微波源42及第一匹配负载43。
49.前述的模式转换管21的两端分别具有一圆极化开口211(如图4所示)及一线极化开口212。圆极化开口211位于模式转换管21的下端，并且朝向该反应容器10的微波视窗11。线极化开口212位于模式转换管21的上端。模式转换管21可视微波的行进方向而将线极化微波转换成圆极化微波，或者将圆极化微波转换成线极化微波。
50.具体来说，当外部的线极化微波从线极化开口212进入上端的模式转换管21，线极化微波会被转换成圆极化微波并从下端的圆极化开口211射出。当外部的圆极化微波从下端的圆极化开口211进入模式转换管21，圆极化微波会被转换成线极化微波并从上端的线极化开口212射出。
51.前述的导向管22具有一主开口221、一第一开口222及一第二开口223。在本实施例中，主开口221及第一开口222分别位于导向管22的下端及上端，主开口221连接模式转换管21的线极化开口212。第二开口223位于导向管22的管壁，即第二开口223的方向与第一开口222的方向非平行，且具体来说，第二开口223的方向与第一开口222的方向相互垂直。导向管22较佳地为一圆管，即主开口221及第一开口222均为圆形。
52.前述的方转圆连接管23设于导向管22的上端并且连接第一开口222。方转圆连接管23的管内壁由方形逐渐转变成圆形，而使方转圆连接管23的两端分别形成一方形连接开口231及一圆形连接开口232。圆形连接开口232连接导向管22的第一开口222。
53.请配合参阅图2、图3及图5所示，前述的连接套管24套设于导向管22外，连接套管24上形成有一转换孔241，转换孔241从连接套管24的外壁面贯穿至内壁面，并且为上下延伸的长孔，但转换孔241的延伸方向不以此为限。转换孔241于内壁面的开口连接导向管22的第二开口223，并且转换孔241的宽度朝第二开口223渐缩。在本实施例中，转换孔241的相对二孔壁为阶梯状，而使转换孔241的宽度呈阶梯状渐缩。本实施例中的连接套管24与导向管22为一体成形，但在其他较佳实施例中，连接套管24是独立于导向管22的管体，并通过焊接等方式设置于导向管22。
54.请配合参阅图2至图4所示，前述的第一导波管31较佳地为方管，其一端连接方转圆连接管23的方形连接开口231，也就是说，第一导波管31是通过方转圆连接管23连接导向管22的第一开口222。
55.第一导波管31的另一端连接前述的第一线极化微波源32。第一线极化微波源32产生te10线极化微波81，te10线极化微波81通过方转圆连接管23、导向管22及模式转换管21后，被模式转换管21转换成te11圆极化模式微波83并且经由模式转换管21的圆极化开口211朝反应容器10的微波视窗11发射。
56.第二匹配负载33设置于该第一导波管31，且具体来说，第一导波管31上设置有一循环器34，当第一导波管31内出现逆向朝第一线极化微波源32前进的微波(即后述第二线极化微波源42所产生的微波，被反应容器10反射，经过模式转换管21，会经由导向管22，通过方转圆连接管23，朝第一线极化微波源32前进)，循环器34会将逆向的微波导引至第二匹配负载33，并且使微波于第二匹配负载33处转换为热能，借此保护第一线极化微波源32不受逆向的微波影响，同时可消除装置内无用的微波能量。
57.前述的第二导波管41较佳地为方管，其一端连接连接套管24的转换孔241于外壁面的开口，也就是说，第二导波管41是通过连接套管24连接导向管22的第二开口223。第二导波管41的另一端连接前述的第二线极化微波源42。
58.第二线极化微波源42产生te10线极化微波91，te10线极化微波91通过导向管22及模式转换管21后，被模式转换管21转换成te11圆极化模式微波93并且经由模式转换管21的圆极化开口211朝反应容器10的微波视窗11发射。在其他较佳的实施例中，第二线极化微波源42可视情况省略。
59.前述的第一匹配负载43设置于第二导波管41，且具体来说，第二导波管41上设置有一循环器44，当第二导波管41内出现逆向朝第二线极化微波源42前进的微波(即第一线极化微波源32所产生的微波，被反应容器10反射，经过模式转换管21后，因电场方向而无法通过方转圆连接管23，而会经由导向管22朝第二线极化微波源42前进)，循环器44将第二导波管41内的逆向微波导引至第一匹配负载43以保护第二线极化微波源42并且消除装置内无用的微波能量。
60.前述的微波透镜13设置于微波发射模组的模式转换管21的圆极化开口211及反应容器10的钻石载台12之间，微波透镜13将微波发射模组所发射的圆极化微波聚集于钻石载台12的聚焦区域121。在本实施例中，微波透镜13设于反应容器10外，并且位于微波发射模组的模式转换管21的圆极化开口211及反应容器10的微波视窗11之间。微波透镜13较佳地为一介质凸透镜，但其他凸凹透镜的适当组合亦可达到相同的类似的微波聚集功效。
61.本发明于使用时，将钻石晶种a置于钻石载台12的聚焦区域121。第一线极化微波源32会使第一导波管31内产生te10线极化微波81，te10线极化微波81经由方转圆连接管23进入导向管22后，在导向管22内被转换成te11线极化微波82；同时，第二线极化微波源42会使第二导波管41内产生te10线极化微波91，te10线极化微波91在通过连接套管24的转换孔241后，在导向管22内形成te11线极化微波92。
62.最后，源自第一线极化微波源32的te11线极化微波82与源自第二线极化微波源42的te11线极化微波92共同向下穿过模式转换管21，被模式转换管21分别转换成te11圆极化模式微波83及te11圆极化模式微波93，并且被微波透镜13集中后，穿过微波视窗11，聚焦至
聚焦区域121以生产人造钻石。
63.当te11圆极化模式微波83、93于反应容器10内发生反射时，源自第一线极化微波源32的微波反射后会经由第二开口223进入第二导波管41，最终被第一匹配负载43消耗转换成热量，同时源自第二线极化微波源42的微波反射后会经由第一开口222进入第一导波管31，最终被第二匹配负载33消耗转换成热量，具体过程详述如下：
64.当源自第一线极化微波源32的te11圆极化模式微波83发生反射时，被反射的te11圆极化模式微波83会向上穿过模式转换管21并且在导向管22内形成te11线极化微波82’。然而，te11线极化微波82’被模式转换管21转换两次后，其电场角度会垂直于线极化微波te11线极化微波82，因此te11线极化微波82’无法从第一开口222返回第一导波管31，但会从第二开口223进入第二导波管41，并且被第一匹配负载43消耗转换成热量。
65.而源自第二线极化微波源42的te11圆极化模式微波93发生反射时的状况大致相同，也就是被反射的te11圆极化模式微波93会向上穿过模式转换管21并且在导向管22内形成te11线极化微波92’，te11线极化微波92’虽然无法返回第二导波管41，但可经由第一导波管31被第二匹配负载33消耗转换成热量。
66.本发明的另一优点在于，圆极化微波模式较一般广泛使用线极化微波模式的微波场型分布较均匀，且本发明可以同时设置第一线极化微波源32及第二线极化微波源42，还可以借由将两个微波源产生的圆极化微波功率叠加而增加人造钻石于载台上的成长速度。
67.请配合参阅图6至图9所示，本发明的第二实施例与第一实施例大致相同，差异在于导向管22a的第一开口222a位于导向管22a的管壁；此外，连接套管24a上具有二转换孔241a，其中一转换孔241a的相对二开口分别连接导向管22a的第一开口222a及第一导波管31a，另一转换孔241a的相对二开口分别连接导向管22a的第二开口223a及第二导波管41a。
68.综上所述，本发明借由设置模式转换管21、导向管22以及第一匹配负载43，当源自第一线极化微波源32的te11圆极化模式微波83，从反应容器10中的圆极化微波因阻抗不匹配等各种原因发生反射时，反射的圆极化微波能够被模式转换管21再次转换回线极化微波，然后经由导向管22的第二开口223射出至第一匹配负载43，并且在第一匹配负载43处被转换成热能。借此，本发明能疏导反应容器10中无用的微波能量，防止反应容器10中形成复杂的多重反射驻波，进而具有保持钻石晶种a周围的电浆球稳定性并提高钻石生产效率的功效。
69.以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

技术特征：
1.一种微波人造钻石生产装置，其特征在于，包含：一反应容器，其为一中空体，该反应容器上具有一微波视窗，该微波视窗用于供外部的微波穿透至该反应容器内，该反应容器具有一钻石载台，其设于该反应容器内，并且界定出一聚焦区域；一微波发射模组，其设于该反应容器外，并且朝该反应容器的该微波视窗发射圆极化微波，该微波发射模组包含依序连接的一模式转换管、一导向管、一第一导波管及一第一线极化微波源，该微波发射模组还具有一第二导波管及一第一匹配负载，其中该模式转换管具有一圆极化开口，其位于该模式转换管的一端，并且朝向该反应容器的该微波视窗；一线极化开口，其位于该模式转换管的另一端；当外部的线极化微波从该线极化开口进入该模式转换管，该线极化微波会被转换成圆极化微波并从该圆极化开口射出；当外部的圆极化微波从该圆极化开口进入该模式转换管，该圆极化微波会被转换成线极化微波并从该线极化开口射出；该导向管具有：一主开口，其位于该导向管的一端，并且连接该模式转换管的该线极化开口；一第一开口；一第二开口，其位于该导向管的管壁；该第二开口的方向与该第一开口的方向非平行；该第一导波管的一端连接该导向管的该第一开口，另一端连接该第一线极化微波源；该第一线极化微波源产生线极化微波，该线极化微波被该模式转换管转换成圆极化微波并且经由该模式转换管的该圆极化开口朝该反应容器的该微波视窗发射；该第二导波管的一端连接该导向管的该第二开口；该第一匹配负载设于该第二导波管；一微波透镜，其设于该微波发射模组的该模式转换管的该圆极化开口及该反应容器的该钻石载台之间；该微波透镜将该微波发射模组所发射的圆极化微波聚集于该钻石载台的该聚焦区域。2.如权利要求1所述的微波人造钻石生产装置，其特征在于，该微波发射模组具有一第二线极化微波源，其设置于该第二导波管的另一端；该第二线极化微波源产生线极化微波，该线极化微波被该模式转换管转换成圆极化微波并且经由该模式转换管的该圆极化开口朝该反应容器的该微波视窗发射；一第二匹配负载，其设置于该第一导波管。3.如权利要求1或2所述的微波人造钻石生产装置，其特征在于，该微波发射模组的该导向管为圆管；该微波发射模组的该第一导波管及该第二导波管为方管。4.如权利要求3所述的微波人造钻石生产装置，其特征在于，该导向管的该第一开口位于该导向管相对该主开口的一端；该微波发射模组具有一方转圆连接管，其连接于该第一导波管及该导向管的该第一开口之间；该方转圆连接管的管内壁由方形逐渐转变成圆型。5.如权利要求3所述的微波人造钻石生产装置，其特征在于，该导向管的该第一开口位于该导向管相对该主开口的一端；
该微波发射模组具有一连接套管，其套设于该导向管外，该第二导波管连接该连接套管的外壁面；该连接套管上具有一转换孔，其从该连接套管的外壁面贯穿至内壁面，并且为一长孔；该转换孔的相对二开口分别连接该导向管的该第二开口及该第二导波管，并且该转换孔的宽度朝该第二开口渐缩。6.如权利要求5所述的微波人造钻石生产装置，其特征在于，该转换孔的相对二孔壁为阶梯状而使该转换孔的宽度朝该第二开口渐缩。7.如权利要求4所述的微波人造钻石生产装置，其特征在于，该微波发射模组具有一连接套管，其套设于该导向管外，该第二导波管连接该连接套管的外壁面；该连接套管上具有一转换孔，其从该连接套管的外壁面贯穿至内壁面，并且为一长孔；该转换孔的相对二开口分别连接该导向管的该第二开口及该第二导波管，并且该转换孔的宽度朝该第二开口渐缩。8.如权利要求7所述的微波人造钻石生产装置，其特征在于，该转换孔的相对二孔壁为阶梯状而使该转换孔的宽度朝该第二开口渐缩。9.如权利要求3所述的微波人造钻石生产装置，其特征在于，该导向管的该第一开口位于该导向管的管壁；该微波发射模组具有一连接套管，其套设于该导向管外，该第二导波管连接该连接套管的外壁面；该连接套管上具有二转换孔；各该转换孔从该连接套管的外壁面贯穿至内壁面，并且为一长孔；其中一该转换孔的相对二开口分别连接该导向管的该第一开口及该第一导波管；另一该转换孔的相对二开口分别连接该导向管的该第二开口及该第二导波管；各该转换孔的宽度朝该导向管的外壁面渐缩。10.如权利要求1或2所述的微波人造钻石生产装置，其特征在于，该导向管的该第一开口的开口方向垂直于该第二开口的开口方向。

技术总结
本发明是一种微波人造钻石生产装置，其包含有一反应容器及一微波发射模组。反应容器内用于放置一钻石晶种。微波发射模组包含依序连接的一模式转换管、一导向管、一第一导波管及一第一线极化微波源，以及一第二导波管及一第一匹配负载。模式转换管连接该反应容器并且可将微波从圆极化模式及线极化模式之间来回转换。导向管具有非平行的第一开口及第二开口，其分别连接第一导波管及第二导波管。第一线极化微波源设于第一导波管，第一匹配负载设于第二导波管。借此，反应容器中无用的反射微波能被第一匹配负载吸收，进而提高钻石生产效率。进而提高钻石生产效率。进而提高钻石生产效率。


技术研发人员：陈汉颖 邓亘皓 曹明雄
受保护的技术使用者：宏硕系统股份有限公司
技术研发日：2022.02.24
技术公布日：2023/9/7