ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ГЕНЕРАТОР ПЛАЗМЫ Российский патент 1995 года по МПК H05H1/36 

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.

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.

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.