RU2035130C1

RU2035130C1 - Высокочастотный генератор плазмы

Info

Publication number: RU2035130C1
Application number: RU92007715A
Authority: RU
Inventors: Александр Савосьянович Тоболкин
Original assignee: Александр Савосьянович Тоболкин
Priority date: 1992-11-24
Filing date: 1992-11-24
Publication date: 1995-05-10

Abstract

Использование: в газоразрядных процессах, в частности высокочастотных генераторах плазмы. Сущность изобретения: генератор плазмы содержит плазмообразующий электрод 19, подключенный к колебательному контуру, генераторную лампу, емкости 3 и 4, дроссель 2 RLC -цепь и высоковольтный источник постоянного тока. Сетка генераторной лампы соединена с заземленным катодом через RLC -цепь. Электрод 19 соединен с индуктивностью 7 центральной жилой 17 триаксиального кабеля 18, у которого внутренний экран 22 соединен с наружным заземленным экраном 20 через емкость 24. Сопротивление 15 в цепи сетки выполнено регулируемым по величине. Точка соединения колебательного контура с сеточной индуктивностью соединена с катодом через емкость. 1 ил.

Description

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано для получения газоpазрядной плазмы при высоком и низком давлении.

При решении широкого круга практических задач требуется получение плазмы на относительно большом расстоянии от ее источника питания. Практическая реализация подобных решений представляется сложной из-за проблемы согласования разряда с источником питания. Особая сложность возникает при необходимости использования маломощных источников питания и получения устойчивого самовозбуждающего высокочастотного разряда, связанного с источником питания посредством передаточных элементов коаксиальных кабелей, или других электрических линий.

Известно устройство для получения высокочастотной плазмы в инертных газах, в котором используют коаксиальный кабель в виде элемента автогенератора, построенного по трехточечной схеме. В схеме этот кабель установлен между активным элементом, например генераторной лампой, который совместно с высоковольтным источником расположен в отдельном корпусе, и параллельным колебательным контуром. Колебательный контур и дополнительный конденсатор, между пластинами которого расположена разрядная камера, установлены в другом отдельном корпусе (полости). В этом случае коаксиальный кабель является элементом автогенератора. Центральная жила коаксиального кабеля с одной стороны подключена к одному из выводов активного элемента, с другой стороны к катушке индуктивности колебательного контура. Благодаря такому схемному решению возбуждается и поддерживается высокочастотный разряд емкостного типа в нейтральных газах (аргон, гелий).

Существование разряда емкостного типа в плазмообразующих газах сложного химического состава становится проблематичной. Ближайшим из известных технических решений является высокочастотный генератор плазмы, построенный по трехточечной схеме с автотрансформаторной обратной связью. Данный тип высокочастотного генератора плазмы содержит плазмообразующий электрод, высоковольтный источник постоянного тока и автогенератор. Автогенератор, в свою очередь, включает колебательный контур, разделительную емкость, дроссель, согласующую индуктивность, RLC-цепь и генераторную лампу. В этом случае катод генеpаторной лампы соединен с корпусом (заземлен), постоянное смещение на управляющую сетку создается посредством постоянного резистора R, а обратная связь с управляющей сеткой по высокочастотному току осуществляется через последовательную СL-цепь, у которой один конец сеточной индуктивности заземлен (соединен с катодом) совместно с одним краем колебательного контура. Связь электрода с другим краем колебательного контура осуществляется посредством согласующей индуктивности. Этот же край колебательного контура связан с анодом генераторной лампы через разделительную емкость. В рабочем режиме возбуждение одноэлектродного разряда осуществляется принудительным образом. В частности, с помощью диэлектрического или металлического стержня, замыкаемого на электрод в момент формирования разряда. Самостоятельный разряд мощностью 10-40 Вт горит в открытой атмосфере при расположении острия электрода возле корпуса автогенератора на расстоянии 5-20 см. На большем расстоянии даже при принудительной предионизации разряд с одного электрода не формируется.

Для получения устойчивого электродного разряда предлагается новый высокочастотный генератор плазмы. Предлагаемый высокочастотный генератор плазмы, как и известный, содержит плазмообразный электрод, высоковольтный источник постоянного тока и автогенератор. Автогенератор включает в себя колебательный контур, разделительную емкость, дроссель, согласующую индуктивность, RLC-цепь и генераторную лампу, анод которой через дроссель соединен с источником постоянного тока, а катод генераторной лампы заземлен. Сетка генераторной лампы соединена с катодом через RLC-цепь, включающую сопротивление и последовательно соединенные сеточную емкость и сеточную индуктивность. При этом электрод соединен с колебательным контуром через согласующую индуктивность.

В отличии от известного в предлагаемом решении электрод соединен с автогенератором посредством триаксиального кабеля, центральная жила которого одним концом подключена к электроду, другим концом к согласующей индуктивности, а наружный экран кабеля заземлен. Внутренний экран кабеля соединен с наружным экраном кабеля через первую дополнительную емкость. Точка соединения колебательного контура с сеточной индуктивностью соединена с катодом генераторной лампы через вторую дополнительную емкость. При этом длина триаксиального кабеля выбрана в диапазоне от 0,5 до 3,0 м, величина согласующей индуктивности выбрана в диапазоне от 0,5 до 6,0 мкГн, первая дополнительная емкость выбрана в диапазоне от 5 до 100 пФ, вторая дополнительная емкость выбрана в диапазоне от 10 до 200 пФ, а сопротивление в цепи сетки генераторной лампы выбрано в диапазоне от 4 до 200 МОм.

В зависимости от значений сопротивлений в цепи сетки наблюдаются по меньшей мере два режима работы автогенератора. Один режим характеризуется типичной работой известных LC-генераторов, обеспечивающих колебания высокой частоты с постоянной амплитудой. Второй режим характеризуется установившимися колебаниями с автомодуляцией. Автомодуляция происходит спонтанно (без внешнего воздействия) и представляет собой наложение на несущую частоту 2-60 МГц импульсов напряжения длительностью 2-1000 мкс и частотой повторения 1-50 кГц. В промежутке между импульсами сохраняется высокочастотное напряжение соответствующее 3-6% от максимальной амплитуды в импульсе. При этих условиях с острия стержневого электрода самовозбуждается одноэлектродный разряд. Разряд удается возбуждать без принудительной предыонизации при длине триаксиального кабеля, равной 0,5-3,0. Важное значение для устойчивой генерации разряда имеют те или иные элементы автогенератора. Например, отсутствие согласующей индуктивности не обеспечивает возбуждение и непрерывную генерацию разряда в одноэлектродном варианте. Наличие согласующей индуктивности, выбранной с величинами в диапазоне 0,5-6 мкГн с учетом триаксиального кабеля, приводит к оптимальным режимам генерации разряда. В случае подключения средней точки напрямую к катоду (как сделано в прототипе), а не через вторую дополнительную емкость, получить разряд даже с предыонизацией не представляется возможным. Наилучшее согласование автогенератора с разрядом происходит при значении второй дополнительной емкости, равной 10-200 пФ. Если в предлагаемой схеме внутренний экран триаксиального кабеля заземлен, то возможно с предыонизацией получить разряд на воздухе в двухэлектродном варианте. В случае соединения внутреннего экрана кабеля с наружным экраном с помощью первой дополнительной емкости, выбранной в диапазоне от 5 до 100 пФ, заметно улучшается коэффициент передачи триаксиального кабеля, повышается стабильность работы генератора в целом. С помощью предлагаемой схемы осуществляется устойчивая генерация разряда на значительном расстоянии от корпуса генератора мощностью 1-40 Вт. Повышенная устойчивость работы генератора плазмы характеризуется сохранением генерации разряда в экстремальных условиях: в плазмообразующих средах сложного химического состава, включая пламена, и в сверхзвуковых потоках. На воздухе при атмосферном давлении разряд обладает сильной неравновесностью с температурой тяжелых частиц, равной 400-1000 К, и электронной температурой 6000-20000 К.

На чертеже представлена эквивалентная схема высокочастотного генератора плазмы.

Анод генераторной лампы 1 подсоединен к фильтру, состоящему из дросселя и емкости 3. Через разделительную емкость анод подключен к одному краю (к точке соединения индуктивности и емкости колебательного контура). Колебательный контур состоит из конденсатора 5 и индуктивности 6. К указанному краю также подключена согласующая индуктивность 7. Второй край колебательного контура С1L1 соединен с сеточной индуктивностью 8 и второй дополнительной емкостью 9. Другой вывод емкости 9 соединен с заземленным катодом 10. Сетка лампы 11 через емкость 12 соединена с сеточной индуктивностью 8. К сетке также подключен один вывод переменного резистора 13. Другой вывод резистора 13 через переключатель 14 соединен с блоком резисторов 15, состоящих из параллельно соединенных постоянных сопротивлений R₂, R₃,R_n-1, R_n 16. Переменный резистор и блок сопротивлений могут быть зашунтированы конденсаторами. Эти конденсаторы на схеме не указаны, так как не вносят принципиального изменения в работу генератора плазмы. Другой конец согласующей индуктивности 7 соединен с центральной жилой 17 триаксиального кабеля 18. В свою очередь, второй конец центральной жилы 17 соединен с электродом 19. Наружный экран 20 кабеля 18 соединен с заземленным корпусом 21, а внутренний экран 22 кабеля 18 соединен с внешним экраном 20 посредством первой дополнительной емкости 23.

Генератор плазмы работает следующим образом.

Включается накал лампы 1 триода. Затем подается от источника постоянного тока постоянное анодное напряжение U_о в диапазоне 2,0-4,0 кВ. В автогенераторе устанавливаются автоколебания, частота которых определяется резонансной частотой колебательного контура. С острия стержневого электрода 19 самовозбуждается одноэлектродный разряд 24. Изменяя сопротивление в цепи сетки с помощью переменного резистора R₁ или переключателя 14 с электрода 19 генерируется разряд в различных формах (диффузной, кистевой, контрагированной и т.д. ). При этом разряд сохраняет устойчивость при резкой смене химического состава газа, при замыкании разряда на металлические или диэлектрические предметы, включая биологические ткани.

Claims

ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ГЕНЕРАТОР ПЛАЗМЫ, содержащий плазмообразующий электрод, высоковольтный источник постоянного тока и автогенератор, который включает колебательный контур, разделительную емкость, дроссель, согласующую индуктивность, RLC цепь и генераторную лампу, анод которой через дроссель соединен с источником постоянного тока, катод генераторной лампы заземлен, а сетка лампы соединена с катодом через RLC цепь, включающую сопротивление и последовательно соединенные сеточную емкость и сеточную индуктивность, при этом электрод соединен с колебательным контуром через согласующую индуктивность, отличающийся тем, что электрод соединен с автогенератором посредством триаксиального кабеля, центральная жила которого одним концом соединена с электродом, а другим с согласующей индуктивностью, а наружный экран кабеля заземлен, при этом внутренний экран кабеля соединен с наружным экраном кабеля через первую дополнительную емкость, точка соединения колебательного контура с сеточной индуктивностью соединена с катодом генераторной лампы через вторую дополнительную емкость, при этом длина триаксиального кабеля выбрана в 0,5 3,6 м, величина согласующей индуктивности 0,5 6 мкГн, первая дополнительная емкость выбрана 5 100 пФ, вторая дополнительная емкость выбрана 10 200 пФ, а сопротивление в цепи сетки генераторной лампы 4 кОм 20МОм.