УСКОРИТЕЛЬ ПЛАЗМЫ Российский патент 1994 года по МПК H05H1/54 

Изобретение относится к получению плазмы и может быть использовано при создании газоразрядных генераторов и ускорителей плазмы независимо от способа ускорения, газоразрядных плазменных катодов и установок на их основе.

Известен ускоритель плазмы, который содержит тракт подачи газа, газоразрядную камеру, магнитную систему, плазменный катод с эмиттером из гексаборида лантана. В качестве рабочего газа, как правило, используются инертные газы. На ресурс газоразрядной камеры и плазменного катода большое влияние оказывают кислород и кислородосодержащих веществ в рабочем газе. В инертных газах, даже самой высокой степени чистоты всегда присутствуют примеси кислорода, углекислого газа, паров воды. Пары воды, углекислый газ при определенных условиях выделяют кислород. При насыщении эмиттера кислородом катод теряет работоспособность.

Известен плазменный ускоритель с анодным слоем, содержащий тракт подачи рабочего тела, анодную полость (газоразрядную камеру), катодные экраны, магнитопровод и катод-компенсатор. В качестве катода-компрессора используется газоразрядный плазменный катод.

Ресурс плазменного ускорителя во многом определяется ресурсом электродов и стенок газоразрядной камеры и ресурсом газоразрядного плазменного катода. При работе плазменного ускорителя наблюдается унос массы электродов и стенок газоразрядных камер плазменного ускорителя и газоразрядного плазменного катода, причем скорость уноса массы существенно увеличивается с увеличением содержания кислорода. В качестве конструкционных материалов электродов применяют материалы с высокой температурой плавления, в том числе и тугоплавкие материалы, которые при взаимодействии с кислородом образуют летучие окислы, например WО. Образование летучих окислов металлов не только ускоряет эрозию, но и создает нерасчетные режимы работы, снижает чистоту плазмы и ионных (электронных) пучков. Именно чистота плазмы является определяющим фактором при применении плазменных ускорителей для технологических целей, например, создание атомно чистых поверхностей при производстве пленочных интегральных схем. Источником кислорода и кислородсодержащих газов кроме рабочего тела являются конструкционные материалы, так как, давление на входе в газоразрядную камеру плазменного ускорителя и составляет 1-40 мм рт.ст. Например, скорость газовыделения оксида углерода, окиси углерода, паров воды для коррозионной стали 12Х18Н10Т при температуре 20^оС составляет 1,0˙10^-7-1,0˙10^-6 М.Па/с и возрастает с увеличением температуры.

Цель изобретения - повышение надежности, ресурса работы и чистоты плазмы.

Поставленная цель достигается за счет того, что в ускорителе плазмы, содержащем тракт подачи рабочего тела в газоразрядную камеру ускорителя и газоразрядную камеру газоразрядного плазменного катода, сообщенный с полостями газоразрядных камер, согласно изобретению тракт подачи рабочего тела сообщен с каждой газоразрядной камерой через камеру откачки кислорода, образованную участком газовой магистрали, размещенным у входа в соответствующую газоразрядную камеру и выполненным из твердого оксидного электролита, на противоположных поверхностях которого со стороны полости тракта подачи рабочего тела и с внешней стороны установлены кислородопроницаемые электроды.

Полость тракта подачи рабочего тела сообщена через участок магистрали, выполненный из твердого оксидного электролита, с полостью дополнительной камеры.

Кроме того, полость дополнительной камеры сообщена через по меньшей мере один канал с окружающей средой.

Ускоритель плазмы дополнительно содержит источник электропитания, положительный полюс которого подключен к электродам, расположенным со стороны полостей дополнительных камер, а отрицательный полюс - к электродам, расположенным со стороны полости тракта подачи рабочего тела.

В данном ускорителе электроды каждой камеры откачки кислорода могут быть электрически соединены между собой.

В полости, по меньшей мере, одной камеры откачки кислорода коаксиально установлена втулка, образующая кольцевой зазор с электродом, расположенным со стороны полости тракта подачи рабочего тела.

Твердые электролиты - это твердые материалы, обладающие электрической проводимостью по ионам каких-либо веществ. Твердые оксидные электролиты - твердые электролиты, полученные на основе смеси оксидов металлов, например, ZrО₂+15% СаО. Он обладают проводимостью по ионам кислорода О₂^-2, но совершенно непроницаемы для молекул других веществ. Механизм проводимости твердых оксидных электролитов и их свойства достаточно известны.

На фиг.1 изображен ускоритель плазмы; на фиг.2 - камера откачки кислорода; на фиг.3 - размещение втулки в камере откачки кислорода.

Ускоритель плазмы (см. фиг.1) содержит тракт подачи 1 рабочего тела в газоразрядную камеру ускорителя 2 и газоразрядную камеру 3 газоразрядного плазменного катода 4. Полость 5 газоразрядной камеры ускорителя 2 и полость 6 газоразрядной камеры 3 газоразрядного плазменного катода 4 сообщены с полостью 10 тракта подачи 1 через камеру откачки кислорода 7. Камера откачки кислорода 7 образована участком газовой магистрали 8 (см.фиг.2), размещенным у входа в соответствующую газоразрядную камеру и выполненным из твердого оксидного электролита 9. На противоположных поверхностях твердого оксидного электролита 9 со стороны полости 10 тракта подачи 1 и с его внешней стороны установлены кислородопроницаемые электроды 11 и 12 соответственно. Полость 10 тракта подачи 1 рабочего тела сообщена через участок магистрали 8, выполненный из твердого оксидного электролита 9, с полостью 13 дополнительной камеры 14. Полость 13 дополнительной камеры 14 сообщена через, по меньшей мере, один канал с окружающей средой. Положительный полюс источника электропитания 15 подключен к электродам, расположенным со стороны полостей дополнительных камер, а отрицательный полюс этого источника питания - к электродам, расположенным со стороны полости 10 тракта подачи 1 рабочего тела. В полости 16, по меньшей мере, одной камеры откачки кислорода 7 коаксиально установлена втулка 17, образующая кольцевой зазор с электродом 11, расположенным со стороны полости 10 тракта подачи рабочего тела.

Ускоритель плазмы работает следующим образом. Рабочее тело, например инертный газ, из полости 10 тракта подачи 1 поступает в полость 5 газоразрядной камеры ускорителя 2 и полость 6 газоразрядной камеры 2 газоразрядного плазменного катода 4. При подводе электрической энергии в газоразрядной камере 2 происходит генерация плазмы и ускорение ионов, а газоразрядный плазменный катод 4 создает поток электронов для компенсации пространственного заряда. В процессе подачи рабочего тела по полости 10 рабочее тело проходит вдоль поверхности электрода 11. При подаче напряжения от источника электропитания 15 на электроды 11 и 12 в случае присутствия в рабочем теле кислорода ионы кислорода О₂^2- под воздействием приложенного электрического поля будут двигаться от электрода 11 к электроду 12 по узлам кристаллической решетки твердого оксидного электролита 9. На электроде 12 будет происходить следующая реакция:
2022

^--4 = 20₂ (1) Таким образом, перед подачей рабочего тела в газоразрядные камеры 2 и 3 кислород будет "отсасываться" из потока рабочего тела сквозь участок газовой магистрали 8, выполненный из твердого оксидного электролита 9 и накапливаться в полости 13 дополнительной камеры 14. Очищенное от примесей кислорода рабочее тело далее поступает в полость 5 газоразрядной камеры 4 и полость 6 газоразрядной камеры 3 газоразрядного плазменного катода 4.

Энергетические затраты на очистку рабочего тела от примесей кислорода определяются электросопротивлением электролита 9, которое уменьшается с увеличением температуры. Наиболее оптимальной является температура 350-1200^оС. Именно в таком диапазоне температур работают элементы газоразрядной камеры 4 плазменного ускорителя и газоразрядной камеры 6 газоразрядного плазменного катода, поэтому целесообразно располагать камеру откачки кислорода 7 непосредственно на входе в газоразрядную камеру ускорителя 2 и газоразрядную камеру 3 газоразрядного плазменного катода.

Размещение камеры откачки кислорода 7 на входе в полость 5 газоразрядной камеры ускорителя 2 и полость 6 газоразрядной камеры 3 газоразрядного плазменного катода 4 позволит не только снизить энергетические затраты на очистку рабочего тела от примесей, но и произвести дополнительную очистку от кислорода, выделяемого конструкционными материалами тракта подачи 1 ускорителя плазмы.

Напряжение, подводимое к электродам 11 и 12 равно
E = × ln , (2), где R - универсальная газовая постоянная;
Т - температура электролита;
F - число Фарадея;
Р_п.к. - парциальное давление кислорода в камере очистки кислорода;
Р_доп.к. - парциальное давление кислорода в дополнительной камере. Дополнительная камера может быть размещена как внутри тракта подачи, так и снаружи. Место размещения дополнительной камеры определяется требованиями к чистоте рабочего тела, энергопотреблению и конструкции ускорителя плазмы. При больших ресурсах работы и сильно загрязненном кислородом рабочем теле в дополнительной камере 14 может возникнуть высокое давление кислорода, которое существенно превышает давление окружающей среды. В этих случаях для уменьшения энергопотребления целесообразно полость 13 дополнительной камеры 14 сообщить каналом с окружающей средой.

При работе в условиях, когда парциальное давление кислорода в полости 10 тракта подачи 1 больше парциального давления кислорода в дополнительной камере 14, нет необходимости применять источник электропитания. Достаточно электрически замкнуть электроды, например, соединить оба электрода с трактом подачи, который, как правило, выполняется из металла (проводника) и ионы О₂^2- будут самопроизвольно перемещаться в сторону уменьшения химического потенциала (парциального давления кислорода).

Взаимодействие молекул кислорода с поверхностью электрода, расположенного в тракте подачи рабочего тела во многом определяется диффузией кислорода к месту реакции и зависит от расстояния до электрода. Для интенсификации процесса взаимодействия молекул кислорода с поверхностью электрода 11 и, следовательно, уменьшения площади электрода 11, массы и габаритов участка газовой магистрали 8, выполненного из твердого электролита 9, в полости 16 камеры откачки кислорода 7 расположена непроницаемая втулка 17, образующая зазор между электродом 11 и наружной поверхностью втулки 17.

Использование предложенного технического решения позволит повысить чистоту плазмы и увеличить в несколько раз ресурс ускорителя плазмы. Наиболее нагруженными и подверженными коррозии являются электроды газоразрядной камеры. Проведенные ранее исследования влияния примеси кислорода в гелии и аргоне на работу вольфрамового катода показывают, что при уменьшении содержания примесей кислорода от 2,0 до 0,001 об.%, эрозия вольфрамового электрода уменьшается в 3-5 раз.

Заявляемое техническое решение рассмотрено на примере использования вставки из твердого оксидного электролита для очистки рабочего тела плазменного ускорителя от кислорода. Путем использования соответствующего электролита возможно очищать рабочее тело от других примесей, например, при применении электролита из фторида лантана можно очищать рабочее тело от примесей фтора.

Использование: в газоразрядных генераторах и ускорителях плазмы, газоразрядных плазменных катодах. Сущность изобретения: ускоритель плазмы содержит тракт подачи рабочего тела в газоразрядную камеру ускорителя и газоразрядную камеру газоразрядного плазменного катода. Полость газоразрядной камеры ускорителя и полость газоразрядной камеры газоразрядного плазменного катода сообщены с полостью тракта подачи через камеру откачки кислорода. Камера откачки кислорода образована участком газовой магистрали, размещенным у входа в соответствующую газоразрядную камеру и выполненным из твердого оксидного электролита. На противоположных поверхностях твердого оксидного электролита со стороны полости тракта подачи и с его внейшней стороны установлены кислородопроницаемые электроды соответственно. Полость тракта подачи рабочего тела сообщена через участок магистрали, выполненный из твердого оксидного электролита, с полостью дополнительной камеры. Полость дополнительной камеры может быть сообщена через по меньшей мере один канал с окружающей средой. Положительный полюс источника электропитания подключен к электродам, расположенным со стороны полостей дополнительных камер, а отрицательный полюс этого источника питания подключен к электродам, расположенным со стороны полости тракта подачи рабочего тела. В полости камеры откачки кислорода может быть коаксиально установлена втулка, образующая кольцевой зазор с электродом, расположенным со стороны полости тракта подачи рабочего тела. Достигаемый технический результат заключается в повышении надежности, увеличении ресурса ускорителя и повышении чистоты плазмы. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. УСКОРИТЕЛЬ ПЛАЗМЫ, содержащий тракт подачи рабочего тела в газоразрядную камеру ускорителя и газоразрядную камеру газоразрядного плазменного катода, сообщенный с полостями газоразрядных камер, отличающийся тем, что тракт подачи рабочего тела сообщен с каждой газоразрядной камерой через камеру откачки кислорода, образованную участком газовой магистрали, размещенным у входа в соответствующую газоразрядную камеру и выполненным из твердого оксидного электролита, на противоположных поверхностях которого со стороны полости тракта подачи рабочего тела и с внешней стороны установлены кислородопроницаемые электроды. 2. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что полость тракта подачи рабочего тела сообщена через участок магистрали, выполненный из твердого оксидного электролита, с полостью дополнительной камеры. 3. Ускоритель по п.2, отличающийся тем, что полость дополнительной камеры сообщена через по меньшей мере один канал с окружающей средой. 4. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит источник электропитания, положительный полюс которого подключен к электродам, расположенным со стороны дополнительных камер, а отрицательный полюс - к электродам, расположенным со стороны полости тракта подачи рабочего тела. 5. Ускоритель по п. 1, отличающийся тем, что электроды каждой камеры откачки кислорода электрически соединены между собой. 6. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что в полости по меньшей мере одной камеры откачки кислорода коаксиально установлена втулка, образующая кольцевой зазор с электродом, расположенным со стороны полости тракта подачи рабочего тела.