ГАЗОРАЗРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1998 года по МПК H01J27/00 H01J27/16 

Настоящее изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано для генерации потоков заряженных частиц, например ионов, в технологических целях и в космических двигательных установках.

Известно газоразрядное устройство (GB, A, 1399603, H 01 J 27/00, 1972 г. ), содержащее аксиально симметричную камеру с двумя торцевыми стенками, одна из которых выполнена частично прозрачной, магнитную систему, создающую внутри камеры стационарное неоднородное магнитное поле, и узел ввода высокочастотной энергии, подключенной к ВЧ-генератору. Узел ввода энергии образован по меньшей мере двумя проводниками тока.

Генерация плазмы в газоразрядной камере осуществляется в известном устройстве путем возбуждения в ней плазменных собственных волн. В этом случае обеспечивается эффективный ввод в плазму ВЧ-энергии и достигаются приемлемые значения коэффициента ионизации плазмы при достаточно низких удельных энергозатратах на ионизацию.

Резонансное поглощение вводимой энергии наблюдается при давлении газа (0,015 - 1,5)Па и величине индукции магнитного поля B < 0,1 Тл. Однако при указанных значениях значительно возрастает плотность плазмы, что вызывает снижение ресурса газоразрядного устройства.

Известно также газоразрядное устройство (RU, заявка 95110327/07, опубликована 10.08.96), которое содержит магнитную систему, создающую в разрядной камере стационарное аксиально симметричное неоднородное магнитное поле, напряженность которого спадает к оси симметрии камеры. Узел ввода ВЧ-энергии в известном устройстве образован несколькими проводниками тока, например в виде n-полюсного конденсатора, и приспособлен для возбуждения в камере продольной безвихревой электрической компоненты высокочастотного поля.

Данная конструкция позволяет осуществить возбуждение в плазме собственных электростатических волн за счет выбора максимальной величины индукции магнитного поля в диапазоне от 0,01 до 0,05 Тл и частоты высокочастотного поля - от 40 до 100 МГц. Резонансное возбуждение в плазме собственных волн при указанных параметрах позволяет повысить энергетическую и газовую экономичность газоразрядного устройства.

Наиболее близким аналогом изобретения является газоразрядное устройство (GB, A 2235086, H 01 J 27/16, 1991 г.), в состав которого входит цилиндрическая камера с одной открытой торцевой стенкой узел ввода ВЧ-энергии в виде нескольких проводников тока, симметрично расположенных на боковой стенке камеры, и магнитную систему, обеспечивающую создание внутри камеры стационарного магнитного поля, напряженность которого уменьшается в радиальном направлении к оси симметрии камеры и в продольном направлении от области размещения узла ввода энергии.

Известное газоразрядное устройство позволяет повысить эффективность ввода энерги и за счет выбора оптимальной конфигурации магнитного поля и конструкции узла ввода энергии.

Однако все вышеперечисленные устройства на обеспечивают наиболее полного использования (для ионизации рабочего газа) вводимой энергии.

В основу настоящего изобретения положена задача обеспечить дальнейшее повышение энергетической и газовой эффективности газоразрядных устройств описанного типа и тем самым снизить затраты на генерацию плазмы с заданными параметрами.

Данный технический результат достигается тем, что в газоразрядном устройстве, содержащем аксиально симметричную камеру по меньшей мере с одной торцевой стенкой, узел ввода в камеру высокочастотной энергии, соосно установленный на внешней стенке камеры, и магнитную систему, обеспечивающую создание внутри камеры стационарного магнитного поля, напряженность которого уменьшается в радиальном направлении к оси симметрии камеры и в продольном направлении от области размещения узла ввода высокочастотной энергии, согласно настоящему изобретению узел ввода энергии выполнен в виде проводника зигзагообразной, периодически повторяющейся, симметричной формы, расположенного на торцевой и боковой стенках камеры, а магнитная система приспособления для создания магнитного поля, напряженность которого в продольном направлении спадает к торцевой части камеры, противоположной области размещения узла ввода энергии.

Для повышения газовой эффективности устройства целесообразно использовать камеру, поперечный размер которой превышает ее продольный размер.

Желательно, чтобы разрядная камера была снабжена газовводом, установленным на ее торцевой стенке со стороны области размещения узла ввода энергии.

Газоразрядное устройство может быть снабжено монтажным фланцем, на котором устанавливается камера. В этом случае в монтажном фланце выполняются гермовводы электрических выводов узла ввода высокочастотной энергии и газоввода камеры, а также элементы разъемного соединения для крепления монтажного фланца к установочному фланцу вакуумной камеры. Целесообразно, чтобы гермовводы были выполнены в виде двух втулок, между которыми размещается уплотняющая шайба, и уплотняющего болта, установленного соосно одной из втулок.

Далее изобретение поясняется описанием конкретного примера его выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых:
фиг. 1 изображает схему патентуемого газоразрядного устройства в составе источника ионов (ионно-оптическая система, магнитная система и фланцы показаны в продольном разрезе);
фиг. 2 изображает часть узла ввода высокочастотной энергии, размещенную на торцевой стенке камеры устройства (вид на торцевую часть разрядной камеры);
фиг. 3 изображает гермоввод электрического вывода узла ввода энергии в монтажном фланцем (продольный разрез гермоввода).

Патентуемое газоразрядное устройство может использоваться в различных вариантах исполнения в составе различных технологических установок, например в составе плазмохимических реакторов и ионно-лучевых установок, а также в составе электрических ракетных двигателей.

Ниже представлено описание примера реализации патентуемого газоразрядного устройства, являющегося частью ионно-лучевой установки. Установка содержит (см. фиг. 1) камеру 1 в виде осесимметричной кварцевой колбы, ВЧ-антенну 2, служащую узлом ввода энергии в камеру 1, ионнооптическую систему, состоящую из эмиссионного электрода 3, ускоряющего электрода 4 и выходного заземленного электрода 5, магнитную систему, состоящую из двух электромагнитных катушек 6, газоввод 7, гермовводы 8 электрических выводов ВЧ-антенны 2 и электродов 3, 4 и 5, гермоввод 9 газоввода 7, фланец 10 установочный и фланец 11 монтажный.

ВЧ-антенна 2, служащая узлом ввода энергии, выполнена в виде проводника зигзагообразной, периодической повторяющейся, симметричной формы, часть которой размещена на боковой стенке камеры 1 (фиг.1), а другая - на торцевой стенке камеры 1 (фиг.2).

Выходная торцевая часть камеры 1 расположена в области спадающего магнитного поля, создаваемого с помощью электромагнитных катушек 6 (фиг.1).

Стенки камеры 1 выполняются из диэлектрического материала, однако следует иметь ввиду, что их диэлектрического материала можно выполнить только часть стенок камеры 1 в области размещения ВЧ-антенны 2.

Размер камеры 1 вдоль продольной оси симметрии равен радиусу внутренней цилиндрической поверхности ее боковой стенки.

Каждый гермоввод 8 или 9 (фиг.3) содержит две втулки 12, выполненные из фторопласта, между которыми размещена уплотняющаяся шайба 13, изготовленная из резины. Гермовводы уплотняются специальными уплотняющими болтами 14, установленными соосно втулкам 12.

Работа установки осуществляется следующим образом.

Рабочий газ-аргон подается в камеру 1 через газоввод 7. В камере 1 с помощью электромагнитных катушек 6 создается аксиально симметричное неоднородное магнитное поле, напряженность которого спадает в радиальном направлении к оси симметрии камеры и в продольном направлении от области размещения узла ввода энергии к противоположной торцевой части камеры 1, со стороны которой установлена ионно-оптическая система.

Заданное распределение магнитного поля в камере 1 можно обеспечить и с помощью других, известных специалистам в данной области техники, средств.

После подачи аргона в камеру 1 включается узел ввода высокочастотной энергии, обеспечивающий возбуждение в разрядном объеме электрической компоненты высокочастотного поля.

Эффективный ввод ВЧ-энергии в камеру 1 осуществляется с помощью ВЧ-антенны 2, выполненной в виде проводника зигзагообразной формы, охватывающего торцевую и боковую стенки камеры, в области действия магнитного поля заданной конфигурации.

Под воздействием электрической компоненты ВЧ-поля в разрядном объеме камеры зажигается высокочастотный разряд и образуется плазма.

Повышение эффективности ввода энергии ВЧ-поля и, следовательно, увеличение концентрации заряженных частиц и температуры плазмы в данном устройстве обеспечивается за счет локализации магнитного поля в области генерации ВЧ-поля, создаваемого антенной 2 специальной конфигурации.

Экспериментально было установлено, что повышение энергетической и газовой эффективности процесса генерации плазмы в камере 1 и источника ионов в целом по сравнению с вышеуказанными аналогами, достигается лишь в случае выполнения узла ввода ВЧ-энергии в виде проводника зигзагообразной, периодически повторяющейся, симметричной формы, охватывающей торцевую часть разрядной камеры 1 в области максимальной напряженности магнитного поля, спадающего к оси симметрии камеры.

В случае использования в качестве рабочего газа аргона в зависимости от требуемой концентрации плазмы и плотности извлекаемого ионного тока частота генерируемого ВЧ-поля выбирается в диапазоне от 10 до 100 МГц, максимальное значение стационарного магнитного поля - от 0,01 до 0,1 Тл, а величина вводимой в камеру 1 ВЧ-мощности составляет 20-200 Вт.

Извлечение и формирование ионного пучка в данном варианте источника ионной осуществляется с помощью ионно-оптической системы, состоящей из трех электродов и реализующей принцип "ускорение-замедление".

Между генерируемой газоразрядной плазмой, чей потенциал задается эмиссионным электродом 3, ускоряющим электродом 4 и заземленным электродом 5 создается электрическое поле, извлекающее ионы и формирующее ионный пучок с заданной плотностью ионного тока (0,2 - 2 мА/см²).

Для обеспечения возможности извлечения из вакуумной камеры газоразрядного устройства независимо от других элементов конструкции источника ионов камера 1 установлена на съемном монтажном фланце 11. Магнитная система и ионно-оптическая система закреплены на установочном фланце 10 вакуумной камеры.

В монтажном фланце 11 выполнены разъемные гермовводы 8 электрических выводов узла ввода энергии и гермоввод 9 газоввода 7.

Демонтаж камеры 1, например при проведении технологических работ, осуществляется путем отсоединения монтажного фланца 11 от установочного фланца 10 вакуумной камеры с помощью разъемного соединения (на чертеже не показано).

Отсоединение камеры 1 от монтажного фланца 11, на котором она установлена, производится после последовательной разборки разъемных гермовводов 8 и 9. Для этого отвинчивается уплотняющийся болт 14, из отверстия во фланце 11 последовательно извлекаются внешняя фторопластовая втулка 14, резиновая шайба 13 и внутренняя фторопластовая втулка 12. После разбора всех гермовводов монтажный фланец 11 освобождается от электрических выводов ВЧ-антенны 2 и газоввода 7.

При установке камеры 1 в вакуумную камеру указанные операции осуществляются в обратном порядке.

Вышеописанное выполнение и расположение ВЧ-антенны 2 (узла ввода ВЧ-энергии в камеру 1) на камере 1, а также использование магнитной системы, приспособленной для создания в области размещения ВЧ-антенны 2 стационарного неоднородного магнитного поля с заданным градиентом, позволяет обеспечить эффективный ввод ВЧ-энергии в генерируемую магнитоактивную плазму, оцениваемый величиной удельных затрат мощности на генерацию пучка ионов с силой тока в один Ампер.

Для рассматриваемого варианта реализации патентуемого изобретения в составе источника ионов достигаемая величина удельных энергозатрат составляет не более 450 Вт/А при плотности извлекаемого ионного тока 0,2-2 мА/см².

Таким образом, патентуемое газоразрядное устройство позволяет повысить эффективность генерации плазмы, которая характеризуется для данного типа устройств энергетической и газовой экономичностью в заданном диапазоне рабочих параметров.

Газоразрядное устройство, согласно изобретению, может быть использовано в технологических ионно-лучевых установках, предназначенных для производства микроэлектронных или оптических приборов, в плазмохимических реакторах, а также в космической технике в составе электрических ракетных двигателей.

Хотя патентуемое изобретение описано в связи с предпочтительным вариантом реализации, для специалистов в данной области техники понятно, что могут иметь место изменения и другие варианты выполнения без отклонения от общей идеи и предмета изобретения. Эти изменения и варианты считаются не выходящими за рамки защищаемого объема прав в соответствии с заявляемой формулой изобретения.

Изобретение относится к плазменной технике и может использоваться для генерации потоков заряженных частиц, например ионов, в технологических целях и в космических двигательных установках. Газоразрядное устройство содержит аксиально симметричную камеру по меньшей мере с одной торцевой стенкой, узел ввода в камеру высокочастотной энергии и магнитную систему, создающую внутри камеры стационарное неоднородное магнитное поле. Напряженность магнитного поля спадает в радиальном направлении к оси симметрии камеры и в продольном направлении к торцевой части камеры, противоположной области размещения узла ввода высокочастотной энергии. Узел ввода энергии выполнен в виде проводника зигзагообразной, периодически повторяющейся, симметричной формы и расположен на боковой и торцевой стенках камеры, охватывая область плазмообразования. Технический результат - повышение энергетической и газовой эффективности. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Газоразрядное устройство, содержащее аксиально симметричную камеру по меньшей мере с одной торцевой стенкой, узел ввода в камеру высокочастотной энергии, соосно установленный на внешней стенке камеры, и магнитную систему, обеспечивающую создание внутри камеры стационарного магнитного поля, напряженность которого уменьшается в радиальном направлении к оси симметрии камеры и в продольном направлении от области размещения узла ввода высокочастотной энергии, отличающееся тем, что узел ввода энергии выполнен в виде проводника зигзагообразной, периодически повторяющейся, симметричной формы, расположенного на торцевой и боковой стенках камеры, а магнитная система приспособлена для создания магнитного поля, напряженность которого в продольном направлении спадает к торцевой части камеры, противоположной области размещения узла ввода энергии. 2. Газоразрядное устройство по п.1, отличающееся тем, что поперечный размер камеры превышает ее продольный размер. 3. Газоразрядное устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что камера снабжена газовводом, установленным на торцевой стенке камеры со стороны области размещения узла ввода энергии. 4. Газоразрядное устройство по любому из пп.1 - 3, отличающееся тем, что оно снабжено монтажным фланцем, на котором закреплена камера, при этом в нем выполнены гермовводы электрических выводов узла ввода энергии и газоввода камеры, а также элементы разъемного соединения для крепления к установочному фланцу. 5. Газоразрядное устройство по п.4, отличающееся тем, что гермовводы состоят из двух втулок, уплотняющей шайбы, установленной между торцами втулок, и уплотняющего болта, установленного соосно одной из втулок.