ГЕНЕРАТОР НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ Российский патент 2008 года по МПК H05H1/24 

Изобретения относятся к технической физике, а именно к генераторам низкотемпературной плазмы.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является генератор низкотемпературной плазмы, содержащий корпус, размещенные в нем разрядные трубки и электроды, подключенные к СВЧ-генератору (SU 574100 А, МПК Н05В 7/18, опубл. 05.06.1978).

Недостатком указанного генератора является недостаточно высокая эффективность процесса ионизации.

Задачей изобретения является повышение эффективности процесса ионизации.

Технический результат, достигаемый при реализации заявленного изобретения, заключается в повышении эффективности процесса ионизации в условиях электронно-циклотронного резонанса (ЭЦР), получения возможности выделения и усиления необходимого компонента низкотемпературной плазмы - свободных радикалов, ионов, электронов, вакуумного ультрафиолетового (ВУФ) излучения, исключение задержки включения - возбуждение разряда в условиях ЭЦР, получение возможности быстрой перестройки на требуемый компонент плазмы.

Поставленная задача решается, а указанный технический результат достигается за счет того, что в генераторе низкотемпературной плазмы, содержащем корпус, размещенные в нем разрядные трубки и электроды, подключенные к СВЧ-генератору, трубки выполнены из стекла или кварца и снабжены постоянными магнитами подковообразной формы, электроды выполнены протяженными, соединены посредством коаксиального разъема и кабеля с СВЧ-генератором и расположены противоположно друг другу, плотно прилегая к наружным поверхностям трубок, при этом оси трубок перпендикулярны, а плоскости электродов параллельны силовым линиям магнитных полей магнитов, кроме того, к оконечности первой трубки, выполненной в виде рога Вуда, подсоединен торцом под прямым углом и вакуум-плотно первый отросток, выполненный в виде рога Вуда, второй отросток подсоединен торцами, под прямым углом и вакуум-плотно к середине первого отростка и к оконечности второй трубки, торец которой служит выходным соплом, а к противоположному торцу второй трубки присоединено вакуум-плотно окно из материала, пропускающего ультрафиолетовое излучение, причем торец первой трубки соединен посредством газопровода с блоком калиброванных натекателей газа, а магниты первой и второй трубок установлены с возможностью продольного перемещения вдоль трубок в пределах длины электродов и с возможностью фиксации положения.

Причем генератор снабжен датчиком наличия при выходе из сопла радикалов, ионов и электронов в виде люминофора Zn₂SiO₄:Mn, а блок калиброванных натекателей выполнен с возможностью калибровки натекателей посредством молекулярного водорода, СВЧ-генератор выполнен с возможностью снижения мощности подаваемой энергии и с возможностью расположения свечения плазмы в пределах длины электродов, а постоянный магнит второй трубки выполнен с возможностью размещения вблизи окна и коаксиального разъема и с возможностью выделения преобладания вакуумного ультрафиолетового излучения.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид генератора низкотемпературной плазмы; на фиг.2 - структурная схема генератора; на фиг.3 - электроды разрядных трубок; на фиг.4 - наложение постоянного магнитного поля в плоскости, перпендикулярной плоскости поляризации электрической составляющей СВЧ-волны.

Генератор содержит первую разрядную трубку 1 и вторую разрядную трубку 10 из стекла или кварца, снабженные соответственно постоянными магнитами 2 и 13 подковообразной формы и двумя протяженными электродами 3, 4 и 14, 15 соответственно каждая, расположенными противоположно друг другу, плотно прилегающими к наружной поверхности своей трубки и соединенными посредством коаксиальных разъемов 5 и 16 с СВЧ-генератором 6. Разъемы 5 и 16 соединены с СВЧ-генератором 6 посредством кабелей. При этом магниты 2 и 13 размещены таким образом, что оси трубок перпендикулярны, а плоскости электродов параллельны силовым линиям магнитного поля.

К оконечности 7 трубки 1, выполненной в виде рога Вуда, подсоединен торцом под прямым углом и вакуум плотно первый отросток 8, также выполненный в виде рога Вуда, к середине которого подсоединен второй отросток 9. Оконечность второй разрядной трубки 10 соединена вакуум плотно и под прямым углом со вторым отростком 9. При этом конец оконечности второй трубки 10 служит выходным соплом 11, а к противоположному торцу трубки 10 присоединено вакуум-плотно окно 12 из материала, пропускающего ВУФ-излучение. При этом торец первой трубки 1, противоположный оконечности 7 - рогу Вуда, снабжен вакуум-плотным вводом 17, соединенным посредством газопровода с блоком 18 калиброванных натекателей газа. Магниты 2 и 13 установлены с возможностью перемещения вдоль электродов 3, 4, и 14, 15 в пределах их длины с фиксацией положения посредством направляющих планок 19 и 20, в каждой из которых выполнены направляющие пазы 21 и 22, сквозь которые проходят стержни фиксаторов 23 и 24 положения постоянных магнитов 2 и 13.

Торец трубки 1 с газовым вводом 17 и торцы второй трубки 10 с выходным соплом 11 и окном 12 соответственно выведены за пределы корпуса 48.

Генератор 25 водорода соединен газопроводом с блоком 18 калиброванных натекателей, включающим электровакуумные затворы 26-28 и натекатели 29-31, соединенные посредством газопровода с вводом 17.

Электронное устройство 32 управления соединено с СВЧ-генератором 6. Измеритель 33 фототока соединен с датчиком 34 фотоэлементом, чувствительным в ВУФ-области спектра.

Внутрь металлического сосуда 35 введено вакуум-плотно сопло 11, кроме этого, сосуд 35 снабжен системой 36 вакуумной откачки, оптическим окном 37, электрическим токовводом 38, датчиком 39 давления с вакуумметром 40, при этом сопло 11 введено в сосуд через фланец 41, а к наружной поверхности сопла 11 перед фланцем 41 подсоединен датчик 42 СВЧ-энергии, соединенный с измерителем 43. Внутри сосуда 35 в центре под углом 45° размещена подложка 44 с нанесенным на ее поверхность слоем люминофора 45. Подложка 44 электрически соединена через токоввод 38 с измерителем 46 потенциала и колебаний потенциала плазмы. Оконечность трубки 1 и первый отросток 8 (рога Вуда), а также оконечность второй трубки 10 до вакуумного ввода в сосуд 35 предварительно окрашивают в черный цвет.

Спектрофотометр 47 регистрирует излучение, проходящее через окно 37 из металлического сосуда 35.

Генератор плазмы работает в следующих режимах: в режиме генерации радикалов; в режиме генерации ионов; в режиме генерации электронов; в режиме ВУФ-излучения.

В режиме генерации радикалов генератор работает следующим образом.

После вакуумной обработки металлического сосуда 35 и самого генератора посредством системы 36 вакуумной откачки молекулярный газ, в частности водород, от источника водорода - генератора 25 посредством открытого электровакуумного затвора 26, управляемого электронным устройством 32, через натекатель 29 и газовый ввод 17 непрерывно прокачивается через первую разрядную трубку 1 и металлический сосуд 35. Посредством электронного устройства 32 управления СВЧ-энергию с частотой 40-42 МГц от СВЧ-генератора 6 через разъем 5 подают к электродам 3 и 4 и возбуждают ЭЦР-разряд в трубке 1. Магнит 2 при этом устанавливают ближе к центру электродов и локализуют ЭЦР-плазму в центре разрядой трубки 1. Возникающие в ЭЦР-плазме радикалы увлекаются потоком газа из разрядного промежутка через отверстие - сопло 11 в металлический сосуд 35. СВЧ-энергию ЭЦР-плазмы при этом контролируют посредством датчика 42 измерителем 43, а давление - посредством датчика 39 вакуумметром 40.

Для создания воспроизводимых условий работы в заданном режиме проводят калибровку - настройку натекателей. В качестве датчика наличия на выходе радикалов, ионов, электронов, ВУФ-излучения применяют люминофор Zn₂SiO₄:Mn, используемый в устройствах отображения информации (Сборник трудов ВНИИ люминофоров «Методы получения и исследования люминофоров и особо чистых веществ». Вып. 33. Ставрополь. 1987, с.98).

Люминофор заранее наносят на подложку 44, и свечение люминофора 45, вызванное возбуждающим воздействием компоненты плазмы - радикалами, наблюдают через окно 37 и регистрируют спектрофотометром 47. Так как оконечность трубки 1 и первый отросток 8 (рога Вуда), а также оконечность второй трубки 10 до вакуумного ввода в сосуд 35 окрашены в черный цвет, фотонная составляющая полностью поглощается при работе генератора в режиме генерации радикалов.

Оптимальное значение давления определяют посредством датчика 39 и вакуумметром 40 определяют калибровкой-настройкой отдельного натекателя 29 с одновременным определением подводимой мощности к электродам 3 и 4 первой разрядной трубки 1 посредством датчика 42, измерителем 43, ориентируясь на максимальную интенсивность радикалорекомбинационной люминесценции (РРЛ).

В дальнейшем при включении генератора в режим генерации радикалов используют только настроенный натекатель 29, при этом давление в пределах 118-119 Па контролируют вакуумметром 40, а заданную при калибровке СВЧ-энергию - измерителем 43 и, при необходимости, поддерживают заданное давление дросселированием посредством системы 36 вакуумной откачки.

В режиме генерации ионов возбуждают разряд в первой трубке 1, магнит 2 устанавливают ближе к концу электродов 3-4 (на фиг.2 место магнита 2 обозначено пунктиром). При этом свечение плазмы не поглощается полностью оконечностью трубки 1 и первым отростком 8 (рогами Вуда). Ионы не успевают рекомбинировать и выносятся потоком газа через сопло 11. Оптимальное значение давления устанавливают настройкой отдельного натекателя 30 с одновременным определением подводимой мощности к первой разрядной трубке 1, ориентируясь на максимальную интенсивность ионолюминесценции. В дальнейшем включают только настроенный натекатель 30 и контролируют определенные при его настройке давления в пределах 19-20 Па вакуумметром 40, а мощность СВЧ-энергии - измерителем 43. При необходимости поддерживают значение давления дросселированием посредством системы 36 вакуумной откачки.

В режиме генерации электронов молекулярный газ подают в разрядную трубку 1 при давлении порядка 3-4 Па через открытый электровакуумный затвор 28 и натекатель 31. СВЧ-энергию от СВЧ-генератора 6 при максимальном значении мощности посредством устройства 32 управления подают через коаксиальный разъем 16 к электродам 14 и 15 второй разрядной трубки 10 и возбуждают ЭЦР-разряд. При этом магнит 13 посредством фиксатора 24 устанавливают в конце электродов 14 и 15 и локализуют плазму разряда в оконечности второй трубки 10. Свечение плазмы распространяется через сопло 11 на весь объем металлического сосуда 35. Это обусловлено тем, что понижение давления приводит к увеличению длины свободного пробега между столкновениями частиц плазмы, тем самым в условиях ЭЦР СВЧ-плазмы резко увеличивается стимулирование процесса полной обдирки электронных оболочек как молекул, так и атомов, что, в свою очередь, увеличивает плотность выходящих электронов.

Экспериментально установлено, что при работе генератора в режиме генерации электронов измеренные колебания максимального потенциала плазмы при выходе из сопла 11 укладывались в пределы 800-1000 эВ, а при работе генератора в режиме генерации ионов измеренный потенциал составлял не более 10-12 эВ. При измерении потенциала подложку 44 использовали в качестве зонда, электрически соединенного через токоввод 38 с измерителем 46. Измерения проводились по известной методике (SU №790994 А1 «Способ измерения потенциала и колебаний потенциала плазмы». МПК G01R 1/06, опубл. 30.03.1984).

При калибровке генератора для работы в режиме генерации электронов свечение люминофора - низковольтную катодолюминесценцию (НВК), вызванную «бомбардировкой» электронами, наблюдают через окно 37 и регистрируют спектрофотометром 47. Оптимальные значения давления и подводимой мощности СВЧ-энергии определяют путем настройки натекателя 31, ориентируясь при этом на максимальную интенсивность НВК - свечение люминофора Zn₂SiO₄:Mn. В дальнейшем при включении генератора в режим генерации электронов включают только настроенный натекатель 31 и контролируют давление в пределах 3,8-4 Па вакуумметром 40, а мощность СВЧ-энергии - измерителем 43 и, при необходимости, поддерживают заданное давление дросселированием системы 36 вакуумной откачки.

Работа генератора в режиме ВУФ-излучения аналогична работе в режиме генерации электронов, за исключением того, что постоянный магнит 13 второй трубки 10 располагают ближе к окну 12 и к коаксиальному разъему 16 и снижают мощность подаваемой СВЧ-энергии с таким расчетом, чтобы свечение плазмы не выходило за пределы длины электродов. При этом поток прокачиваемого газа не захватывает частицы плазмы, так как проходит мимо разрядного промежутка (на фиг.2 направление потока указано стрелками). Поток лишь «подпитывает» процессы ионизации и рекомбинации в ЭЦР-плазме; фотонная составляющая плазмы выходит через окно 12 и сопло 11. ВУФ-излучение генератора регистрируют и контролируют посредством датчика 34 - «солнечно-слепого» фотоэлемента и измерителем 33 фототока через окно 12.

Кроме этого, экспериментально установлено, что при работе генератора в импульсном режиме с подачей СВЧ-энергии к электродам трубок в пределах 2-10 секунд задержка генерации плазмы составляет менее 0,5 секунды с учетом погрешности регистрирующей аппаратуры.

Сущностью технического решения в предлагаемом генераторе низкотемпературной плазмы является создание эффективной, сравнительно низкочастотной (40-43 МГц) ЭЦР СВЧ-плазменной системы из двух соединенных между собой разрядных трубок. За счет того, что электроды разрядных трубок представляют собой резонаторы, в которых электромагнитная СВЧ-волна распространяется с поляризацией, близкой к линейной (фиг.3), а наложение постоянного магнитного поля в плоскости перпендикулярно плоскости поляризации электрической составляющей СВЧ-волны (фиг.4), стимулирует возникновение ЭЦР. Применение постоянных подковообразных магнитов позволяет максимально сконцентрировать и расположить магнитное поле в промежутке между электродами трубок и, тем самым, установить однонаправленный вектор магнитной индукции, повысить градиент магнитной индукции, что, в свою очередь, создает идеальные условия для ЭЦР, дает возможность включать ЭЦР-разряд в трубках без задержки, в любой последовательности и локализовывать плазму на различных участках разрядных трубок путем перемещения и фиксации магнитов. Применение заранее калиброванных натекателей позволяет получать относительно фиксированные значения давления прокачиваемого газа в объеме разрядных трубок, то есть воспроизводимо устанавливать требуемую среднюю длину свободного пробега между столкновениями частиц плазмы, тем самым управлять реакцией ионизации в условиях ЭЦР, а за счет возможности перемещения магнитов выделять и усиливать требуемый компонент плазмы.

Генератор относится к технической физике. Генератор содержит корпус, СВЧ-генератор, разрядные трубки из стекла или кварца с постоянными магнитами и электроды, расположенные вдоль трубок; оси трубок перпендикулярны, а плоскости электродов параллельны силовым линиям магнитов; к оконечности первой трубки в виде рога Вуда подсоединен торцом первый отросток также в виде рога Вуда, второй отросток подсоединен торцами к середине первого отростка и к оконечности второй трубки, торец которой служит выходным соплом, а к противоположному торцу второй трубки присоединено окно, пропускающее ультрафиолетовое излучение; торец первой трубки соединен с блоком натекателей газа, а магниты трубок установлены с возможностью перемещения вдоль трубок в пределах длины электродов и с фиксацией положения. Генератор снабжен датчиком наличия при выходе из сопла радикалов, ионов и электронов в виде люминофора Zn₂SiO₄:Mn, СВЧ-генератор выполнен с возможностью снижения мощности и расположения свечения плазмы в пределах длины электродов, а магнит второй трубки выполнен с возможностью размещения вблизи окна и выделения преобладания ультрафиолетового излучения. Изобретение обеспечивает повышение эффективности и получение возможности быстрой перестройки на требуемый компонент плазмы. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Генератор низкотемпературной плазмы, содержащий корпус, размещенные в нем разрядные трубки и электроды, подключенные к СВЧ-генератору, отличающийся тем, что трубки выполнены из стекла или кварца и снабжены постоянными магнитами подковообразной формы, электроды выполнены протяженными, соединены посредством коаксиального разъема и кабеля с СВЧ-генератором и расположены противоположно друг другу, плотно прилегая к наружным поверхностям трубок, при этом оси трубок перпендикулярны, а плоскости электродов параллельны силовым линиям магнитных полей магнитов, кроме того, к оконечности первой трубки, выполненной в виде рога Вуда, подсоединен торцом под прямым углом и вакуум-плотно первый отросток, выполненный в виде рога Вуда, второй отросток подсоединен торцами, под прямым углом и вакуум-плотно к середине первого отростка и к оконечности второй трубки, торец которой служит выходным соплом, а к противоположному торцу второй трубки присоединено вакуум-плотно окно из материала, пропускающего ультрафиолетовое излучение, причем торец первой трубки соединен посредством газопровода с блоком калиброванных натекателей газа, а магниты первой и второй трубок установлены с возможностью продольного перемещения вдоль трубок в пределах длины электродов и с возможностью фиксации положения.2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что снабжен датчиком наличия при выходе из сопла радикалов, ионов и электронов в виде люминофора Zn₂SiO₄:Mn, а блок калиброванных натекателей выполнен с возможностью калибровки натекателей посредством молекулярного водорода.3. Генератор по п.1, отличающийся тем, что СВЧ-генератор выполнен с возможностью снижения мощности подаваемой энергии и с возможностью расположения свечения плазмы в пределах длины электродов, а постоянный магнит второй трубки выполнен с возможностью размещения вблизи окна и коаксиального разъема и с возможностью выделения преобладания вакуумного ультрафиолетового излучения.