УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ Российский патент 2001 года по МПК H01J9/20 

Изобретение относится к вакуумной технологии и может быть использовано в производстве твердотельных, вакуумных и газоразрядных приборов, а также для накачки газоразрядных лазеров.

Известно устройство для плазмохимической обработки электронных приборов (авт.св. СССР N 411553, H 05 В 9/00, публ. 24.04.72), содержащее источник ВЧ энергии и неоднородный нагрузочный волновой тракт (анодную линию), состоящий из последовательно расположенных камерных реакторов, состоящих из цельного металлического цилиндра, разделенного диафрагмами, и нагрузочно-транспортный канал из диэлектрической трубы с малыми потерями для перемещения обрабатываемого материала.

Однако указанное устройство обладает следующими недостатками: существуют дальняя и ближняя перекрестные электродинамические связи между модулями-реакторами, т.е. неизбежны их взаимные влияния; для обеспечения непрерывности и технологической адекватности обрабатываемого продукта требуется обеспечить временную стабильность подачи и транспортировки количества обрабатываемого продукта, что значительно усложняет ведение процесса.

Кроме того, известно устройство для плазмохимической обработки электронных приборов (авт.св. N 1776817), являющееся прототипом предлагаемого изобретения, содержащее источник ВЧ энергии, состоящий из управляемых источников тока, а также неоднородный нагрузочный волновой тракт (анодную линию), состоящий из последовательно соединенных фильтров нижних частот и дискретно размещенных технологических объемов, включающих в себя диэлектрические оболочки и токопроводящие электроды, представляющие собой емкости, один из зажимов которых соединен с выходом соответствующего фильтра нижних частот (ФНЧ), а второй с общим проводом, причем технологические объемы вынесены за пределы анодной линии.

Однако указанное устройство обладает следующими недостатками: относительно низкий КПД, высокие стоимость установки и потребление электроэнергии, обусловленные наличием задающего генератора.

Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства для плазмохимической обработки электронных приборов, в котором повышается КПД, а также уменьшается стоимость и потребление электроэнергии.

Это достигается тем, что в известном устройстве, содержащем источник ВЧ энергии, представляющий собой усилитель с распределенным усилением (УРУ), содержащий управляемые источники тока и неоднородный нагрузочный волновой тракт (анодную линию), представляющую собой ряд последовательно соединенных фильтров нижних частот и дискретно размещенных технологических объемов, включающих в себя диэлектрические оболочки и токопроводящие электроды, представляющие собой обкладки конденсаторов, один из зажимов которых соединен с выходом соответствующего фильтра нижних частот анодной линии, а второй с общим проводом, выходные зажимы анодной линии соединены с входными зажимами четырехполюсника обратной связи (ЧОС), состоящего из ряда последовательно соединенных фильтров нижних частот (ФНЧ), а выход ЧОС соединен со входными зажимами сеточной линии УРУ, причем элементы указанных ФНЧ анодной линии УРУ и четырехполюсника обратной связи выбраны таким образом, чтобы обеспечивать амплитудно-фазовые условия возбуждения полигармонических автоколебаний.

На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 - график, характеризующий его работу.

Предлагаемое устройство (фиг. 1) содержит УРУ 1, состоящий из управляемых источников тока (ИТ) 2, управляющие входы которых соединены с выходами сеточной линии (СЛ) 3, состоящей из ряда последовательно соединенных ФНЧ 4, представляющих собой Т-образные реактивные четырехполюсники; выход последнего звена ФНЧ нагружен на балластную нагрузку (БН) 5. Выходные зажимы управляемых источников тока (ИТ) 2, представляющих собой, например, мощные генераторные тетроды, соединены с соответствующими входами ФНЧ 6, последовательное включение которых образует анодную линию (АЛ) 7. Вход первого ФНЧ 6 анодной линии (АЛ) 7 соединен с балластной нагрузкой (БН) 8. Выход последнего звена ФНЧ 6 анодной линии (АЛ) 7 соединен со входом четырехполюсника обратной связи (ЧОС) 9, состоящего из последовательно соединенных фильтров нижних частот (ФНЧ) 10, представляющих собой Т-образные реактивные четырехполюстники, выход последнего звена (ФНЧ) 10 соединен со входом сеточной линии (СЛ) 3. Выходы каждого из звеньев фильтров нижних частот (ФНЧ) 6 анодной линии (АЛ) 7 соединены с одним из соответствующих металлических электродов 11, представляющих собой обкладки конденсатора. Вторая обкладка каждой пары 11 соединена с общим проводом. Электроды 11 помещены внутрь герметичных технологических объемов (ТО 12).

Устройство (фиг. 1) работает следующим образом: в исходном состоянии в анодной линии (АЛ) 7 УРУ 1 возбуждаются колебания, имеющие шумовой спектральный состав и обусловленные тепловыми шумами, электромагнитными наводками, различными шумами активных элементов (управляемых источников тока) (ИТ) 2. Так как в данном устройстве замкнута общая обратная связь (ОС) по напряжению, то для возникновения устойчивых автоколебаний на данной частоте необходимо и достаточно одновременное выполнение амплитудных и фазовых условий самовозбуждения

ϕ_o(ω_o) + ϕ_в(ω_o) = 2π • n, (2)
где модуль коэффициента передачи четырехполюсника обратной связи на данной частоте ω_o;
модуль коэффициента передачи разомкнутого устройства на данной частоте ω_o;
ϕ_o(ω_o) - фазовый сдвиг разомкнутого устройства на данной частоте ω_o;
ϕ_b(ω_o) - фазовый сдвиг четырехполюсника обратной связи на данной частоте ω_o;
n - целое положительное число.

В силу широкополосных свойств УРУ 1 и малого затухания сигнала в четырехполюснике ОС (ЧОС) 9 амплитудные условия самовозбуждения (1) выполняются в дискретных точках частотной полосы (полосе пропускания УРУ 1).

Для реализации в анодной линии (АЛ) 7 УРУ 1 полигармонических автоколебаний с ограниченным спектром вида

где I_km - амплитуда гармоник сигнала;
ψ_k- начальная фаза гармоник сигнала;
k - номер гармоники: k = 1, 2, 3, ...М;
М - число гармоник;
необходимо выполнение фазовых условий (2) для каждой из гармоник (спектральных компонент). Каждая из спектральных компонент с частотами ω,2ω,3ω,...,Mω приобретает в звеньях ФНЧ 6 анодной линии (АЛ) 7 и четырехполюсника ОС (ЧОС)9 суммарный фазовый сдвиг Nϕ(kω), где N - сумма числа звеньев ФНЧ 6 анодной линии (АЛ) 7 и четырехполюсника ОС (ЧОС) 9 (полагаем звенья обладающими одинаковыми фазочастотными характеристиками). Следовательно, для того чтобы на данной частоте kω\ выполнялись фазовые условия возбуждения автоколебаний необходимо, чтобы на данной частоте выполнялось условие
Nϕ(kω) = 2πn, (4)
где n - целое положительное число.

На фиг. 2 представлен график зависимости фазового сдвига во всех N звеньях ФНЧ устройства от частоты сигнала.

Схемотехнически условие (4) реализуется как подбором количества звеньев N, так и выбором схемы отдельных звеньев ФНЧ.

Таким образом, при реализации условий самовозбуждения УРУ 1 на М-кратных частотах, происходит выделение из шумовых флуктуаций, присутствующих в анодной линии (АЛ) 7 УРУ 1 изначально сигнала с заданным спектральным составом, остальные же компоненты шумового сигнала в силу нелинейной конкуренции будут подавлены.

Полигармонический сигнал с выходных зажимов (ЧОС) 9 поступает на вход сеточной линии СЛ-3, где претерпевает частотно-зависимый фазовый сдвиг в каждом из звеньев ФНЧ 4 и подается на управляющие электроды источников тока (ИТ 2).

Усиленный источниками тока (ИТ) 2 сигнал подается на входы ФНЧ 6 анодной линии (АЛ) 7. Так как сеточная и анодная линии являются дискретными низкочастотными аналогами линий с распределенными параметрами, то происходящие в них процессы можно рассматривать как квазиволновые. Таким образом, в анодной линии (АЛ) 7 возбуждаются прямые (направленные от входа сеточной линии) волны напряжения и тока. Поскольку анодная линия является неоднородной, обратные волны (направленные в противоположную сторону) будут подавлены. В силу того, что электроды 11 помещены в дискретно размещенные технологические объемы ТО 12, прямые волны создают ВЧ электромагнитное поле в технологических объемах ТО 12, которое ионизирует заполняющий их газ. Напряжение прямых волн с выхода последнего звена ФНЧ 6 анодной линии (АЛ) 7 поступает на вход первого звена ФНЧ 10 четырехполюсника ОС (ЧОС) 9, в котором претерпевает частотно-зависимый фазовый сдвиг, и снова подается на вход сеточной линии (СЛ) 3, замыкая тем самым цепь обратной связи.

Часть энергии волн напряжения и тока, не попадающая в технологические объемы ТО 12 рассеивается в балластной нагрузке (БН 5).

Произведем сравнительную оценку КПД предлагаемого устройства и устройства-прототипа. Очевидно КПД устройства в обоих случаях и в самом общем виде можно представить как
η = η_eη_алη_пр, (5)
где η_e- электронный КПД УРУ;
η_ал- КПД анодной линии УРУ;
η_пр- КПД продуктоэффекта.

Так как анодные линии предлагаемого устройства и устройства-прототипа идентичны и работают в режиме прямой квази-бегущей волны, то очевидно, что

где КПД анодной линии предлагаемого устройства;
- КПД анодной линии устройства-прототипа.

Покажем, что КПД предлагаемого устройства выше, чем КПД устройства-прототипа, выбрав в качестве полигармонического сигнала для предлагаемого устройства первые три спектральных компоненты меандра, и полагая также, что устройство-прототип работает в режиме класса А.

Тогда для максимального электронного КПД устройства-прототипа имеем

где P'' - мощность, отдаваемая усилителем в нагрузку;
P''₀ - мощность, потребляемая усилителем по цепи питания;

где I_a - ток выходной цепи активного элемента (управляемого источника тока) в рабочей точке;
E_a - напряжение источника питания;
P''₀ = E_aI_a,
тогда
Электронный КПД предлагаемого устройства запишем аналогично:

Ток и напряжение в выходной цепи активных элементов запишем в виде первых членов разложения меандра в ряд Фурье:


где ξ - коэффициент использования источника:
U_a ⁽¹⁾ - амплитуда первой гармоники напряжения в выходной цепи активных элементов.

Тогда P'₀=E_aI_amax/2,


Отношение электронных КПД предлагаемого устройства и устройства-прототипа запишем в виде

При типичных значениях ξ, находящихся в пределах 0.6 - 0.8, отношение (6) больше единицы, т.е. электронный КПД предлагаемого устройства превышает электронный КПД устройства-прототипа.

КПД продуктоэффекта в том и другом случае запишем в виде
,
где σ_Σ - совокупная проводимость плазмы, учитывающая в общем случае влияние каждой из гармонических компонент сигнала
,
где σ₁...σ_M - проводимости плазмы, обусловленные воздействием каждой из 1...М гармоник сигнала;
σ_x - "холодная" проводимость анодной линии УРУ.

Покажем, что КПД продуктоэффекта предлагаемого устройства

больше, чем КПД продуктоэффекта устройства-прототипа

Докажем неравенство т.е.

σ_Σσ₁+ σ_Σσ_x > σ_Σσ₁+ σ₁σ_x
Так как σ_Σσ_x > σ₁σ_x,
то неравенство (7) доказано, т. е. КПД продуктоэффекта предлагаемого устройства превышает КПД продуктоэффекта устройства-прототипа.

Так как электронный КПД и КПД продуктоэффекта предлагаемого устройства превышают соответствующие параметры устройства-прототипа и КПД их анодных линий равны, то КПД устройства (формула (5)) для предлагаемого устройства превышает КПД устройства для устройства-прототипа.

Покажем, что стоимость установки и потребление электроэнергии у предлагаемого устройства меньше, чем у устройства-прототипа. Положим, что стоимость задающего генератора равна P_зг, стоимость УРУ - P_уру, стоимость четырехполюсника ОС - P_ос. Тогда суммарная стоимость устройства-прототипа P'' запишем в виде P'' = P_уру + P_зг.

Суммарная стоимость предлагаемого устройства P' = P_уру + P_ос, так как P_ос < P_зг, то очевидно, что P'< P''.

Таким образом, стоимость предлагаемого устройства меньше, чем стоимость устройства-прототипа, на величину, равную разности стоимости задающего генератора и четырехполюсника ОС. Положим, что стоимость электроэнергии, потребляемой УРУ, равна Э_уру, а стоимость электроэнергии, потребляемой задающим генератором, - Э_зг. Тогда суммарная стоимость электроэнергии, потребляемой предлагаемым устройством: Э' = Э_уру.

Суммарная стоимость электроэнергии, потребляемая устройством-прототипом: Э'' = Э_уру + Э_зг.

Очевидно, что Э' < Э'', т.е. предлагаемое устройство потребляет электроэнергии меньше, чем устройство-прототип, на величину потребления электроэнергии задающим генератором.

Таким образом, предлагаемое устройство обладает более высоким КПД по сравнению с устройством-прототипом, меньшей стоимостью и меньшим потреблением электроэнергии.

Изобретение относится к вакуумной технологии и может быть использовано в производстве твердотельных, вакуумных и газоразрядных приборов, а также для накачки газоразрядных лазеров. Техническим результатом является уменьшение стоимости, уменьшение потребления электроэнергии, а также повышение КПД. Устройство для плазмохимической обработки электронных приборов содержит источник ВЧ энергии, представляющий собой усилитель с распределенным усилением (УРУ) и ряд дискретно размещенных технологических объемов (ТО), включающих в себя токопроводящие электроды, представляющие собой обкладки конденсаторов, один из зажимов которых соединен с выходом соответствующего фильтра нижних частот (ФНЧ) анодной линии (АЛ) усилителя с распределенным усилением (УРУ), а второй - с общим проводом. Выходные зажимы анодной линии (АЛ) соединены с входными зажимами четырехполюсника обратной связи (ЧОС), состоящего из ряда последовательно соединенных фильтров нижних частот (ФНЧ), а выход четырехполюсника обратной связи соединен со входными зажимами сеточной линии (СЛ), усилителя с распределенным усилением (УРУ), причем элементы фильтров нижних частот (ФНЧ) анодной линии (АЛ) усилителя с распределенным усилением (УРУ) и четырехполюсника обратной связи (ЧОС) выбраны таким образом, чтобы обеспечивать амплитудно-фазовые условия возбуждения полигармонических автоколебаний. 2 ил.

Устройство для плазмохимической обработки электронных приборов, содержащее источник ВЧ энергии, представляющий собой усилитель с распределенным усилением, содержащий управляемые источники тока и анодную линию, представляющую собой ряд последовательно соединенных фильтров нижних частот и дискретно размещенных технологических объемов, включающих в себя диэлектрические оболочки и токопроводящие электроды, представляющие собой обкладки конденсаторов, один из зажимов которых соединен с выходом соответствующего фильтра нижних частот анодной линии, а второй - с общим проводом, отличающееся тем, что выходные зажимы анодной линии соединены с входными зажимами четырехполюсника обратной связи, состоящего из ряда последовательно соединенных фильтров нижних частот, а выход четырехполюсника обратной связи соединен со входными зажимами сеточной линии усилителя с распределенным усилением, причем элементы указанных фильтров нижних частот анодной линии усилителя с распределенным усилением и четырехполюсника обратной связи выбраны таким образом, чтобы обеспечивать амплитудно-фазовые усилия возбуждения полигармонических автоколебаний.