УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНИЦИАЦИИ СВЧ-РАЗРЯДА И СОЗДАНИЯ ПЛАЗМЫ Российский патент 2011 года по МПК H05H1/06 

Изобретение относится к области генерации СВЧ-плазмы и может быть использовано в системах зажигания и стабилизации горения в автомобильной промышленности, в авиационном и энергетическом двигателестроении, в плазменной аэродинамике, в СВЧ-плазмохимии и в широком спектре других плазменных технологий, использующих плазму газового СВЧ-разряда.

Известны устройства для генерации СВЧ-плазмы различного типа. Например, устройства для генерации СВЧ-плазмы, в которых газовый электрический разряд инициирован лазерным факелом на специальной мишени или инициатором в виде системы металлических острий - проволочной «метелки» (Труды ФИ АН СССР, 1985. Том 160, с.174-203). Известны также устройства для генерации плазмы, в которых использованы инициаторы газового электрического разряда в виде охватывающего разрядную область кольцевого искрового источника ультрафиолетового (УФ) излучения (ЖТФ, 1987. Том 57, вып.4. С.881-686).

Известно устройство для генерации плазмы, в котором в качестве инициатора газового электрического разряда использован лист радиопрозрачного диэлектрика со случайным образом внедренными в него металлическими включениями - опилками (Journal of Physics D: Applied Physics, 2002, vol.35, p.2687-2692).

Все перечисленные устройства для генерации плазмы обладают существенными недостатками. Так, лазерный факел или кольцевой источник УФ-излучения являются технически сложными устройствами, имеющими низкий энергетический КПД. Проволочная «метелка» и диэлектрическая мишень с металлическими вкраплениями локализуют область образования плазмы с большой пространственной неопределенностью; их положение не стабильно и хаотически меняется во времени. Параметры этих устройств необходимо периодически подбирать и настраивать экспериментально, причем отдельно для каждого нового устройства. Наконец, все перечисленные устройства не пригодны для одновременной инициации регулярной системы множественных электрических разрядов с фиксированной пространственной структурой.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство для генерации плазмы, содержащее размещенный в газовой среде инициатор и СВЧ-излучатель, воздействующий на инициатор, а в качестве инициатора использован проводящий электрический вибратор, который освещен ультрафиолетовым излучением. При этом электрический вибратор установлен вдали от элементов, формирующих электромагнитную волну (Патент РФ №2266629, кл. H05H 1/46, 2004 г.).

Недостатком этого устройства является необходимость в сравнительно высоком уровне мощности СВЧ-излучателя для инициации СВЧ-разряда, так как в них проводящий электрический вибратор устанавливается в области интерференционной пучности электромагнитной (ЭМ) волны. Кроме того, существующие СВЧ-генераторы сантиметрового и дециметрового диапазонов длин волн обеспечивают требуемую для надежной инициации СВЧ-разряда напряженность поля Е при давлениях газа P>100 Тор только в импульсном режиме их работы с длительностью импульса излучения, не превышающей нескольких десятков микросекунд. Применение в устройствах узлов УФ-«подсветки» решает указанную проблему лишь частично: динамический диапазон работы таких устройств по мощности в непрерывном режиме генерации очень мал, что сильно ограничивает область их практического применения.

Указанные устройства также не пригодны для одновременной инициации регулярной системы множественных близкорасположенных друг к другу СВЧ-разрядов с заданной пространственной структурой, так как при размещении двух и более инициаторов на близком расстоянии друг от друга в интерференционной пучности волны перед отражателем или без него их сильное взаимное электромагнитное взаимодействие приводит к возбуждению многомодовой структуры электромагнитного поля и инициации СВЧ-разрядов и генерации плазмы с сильно неоднородными характеристиками в пространстве.

Исходя из изложенного была поставлена задача разработать устройство для инициации СВЧ-разрядов и генерации плазмы, а также для одновременной инициации регулярной системы множественных СВЧ-разрядов с заданной пространственной структурой и генерации плазмы с заданными пространственными характеристиками, функционирующих как в импульсном, так и в непрерывном режимах работы СВЧ-излучателя в широком динамическом диапазоне работы СВЧ-излучателя по мощности и в широком диапазоне давлений газа.

Для решения этой задачи в устройстве для инициации СВЧ-разряда и создания плазмы, содержащем размещенные в газовой среде инициатор СВЧ-разряда, СВЧ-излучатель, воздействующий на инициатор СВЧ-разряда, проводящую поверхность, при этом инициатор СВЧ-разряда установлен между СВЧ-излучателем и проводящей поверхностью параллельно проводящей поверхности на расстоянии h, существенно меньшем одной четверти длины волны λ от проводящей поверхности.

Для решения этой задачи в устройстве для генерации плазмы между инициатором СВЧ-разряда и проводящей поверхностью расположен диэлектрик.

Для решения этой задачи устройство для инициации СВЧ-разряда и создания плазмы содержит произвольное количество параллельных друг другу инициаторов СВЧ-разряда, которые расположены на любом заданном расстоянии друг от друга, но без электрического контакта между собой. Технический результат достигается тем, что проводящий линейный электрический вибратор или система вибраторов устанавливаются в поле ЭМ волны дистанционного источника СВЧ-излучения перед проводящей поверхностью (металлическим отражателем) на расстоянии, меньшем (много меньшем) одной четверти длины волны электромагнитной волны от проводящей поверхности.

В отсутствие электрического вибратора (инициатора СВЧ-разряда) перед проводящей поверхностью (металлическим отражателем) со стороны СВЧ-излучателя в пространстве создается интерференционная картина результирующего электрического поля Е - стоячая волна; при этом максимальные значения амплитуда поля Е принимают в местах его интерференционной пучности на расстоянии, кратном нечетному числу четвертей длины ЭМ волны - h=(λ/4)(2n+1), где n=0, 1, 2, …

Однако при размещении линейного проводящего электрического вибратора между СВЧ-излучателем и проводящей поверхностью параллельно вектору поля Е и проводящей поверхности (плоскости отражателя) в непосредственной близости от отражателя, но без электрического контакта с ним, на расстоянии h, меньшем одной четверти длины волны СВЧ-излучения λ/4 (n=0), амплитуда результирующего дифракционного поля и коэффициент усиления поля K_E на концах вибратора существенно превышают амплитуду и коэффициент усиления поля при размещении электромагнитного вибратора в интерференционной пучности поля стоячей волны.

При этом результирующее поле Е несимметрично относительно оси электрического вибратора и сосредоточено между вибратором и проводящей поверхностью. Поэтому рассеянное (переизлученное) поле не взаимодействует и не оказывает отрицательного влияния на соседние вибраторы; тем самым обеспечивается однородность возбуждаемого электромагнитного поля в системе электрических вибраторов и однородность характеристик инициируемых СВЧ-разрядов и генерируемой плазмы. Что подтверждает существенность вышеизложенных признаков.

Фиг.1 - схема работы устройства.

Фиг.2 - устройство для инициации СВЧ-разряда и создания плазмы.

Фиг.3 - схема установки проводящего электрического вибратора на проводящей поверхности с помощью диэлектрика.

Фиг.4 - схема размещения системы параллельных линейных проводящих электрических вибраторов.

Устройство для инициации СВЧ-разряда и создания плазмы (Фиг.2) содержит проводящий электрический вибратор 1, который расположен в зоне источника СВЧ-излучения 2 между СВЧ-излучателем 2 и проводящей поверхностью 3.

Проводящий электрический вибратор 1 может быть или свободно подвешен перед проводящей поверхностью 3 параллельно ей (Фиг.2), или установлен параллельно ей на поверхности радиопрозрачного диэлектрика 4 (Фиг.3). При генерации множественной структуры СВЧ-разрядов (Фиг.4) система электрических вибраторов 5 также устанавливается параллельно проводящей поверхности подобно одиночному вибратору 1 на Фиг.2 и Фиг.3.

Устройство работает следующим образом. СВЧ-излучатель 2 создает электромагнитную волну в некоторой области газовой среды. В данную среду помещается проводящий электрический вибратор 1 для инициации разряда. Непосредственно за ним на расстоянии h<λ/4 размещается проводящая поверхность, являющаяся отражателем электромагнитной волны СВЧ-излучателя. СВЧ-излучатель 2, воздействуя на проводящий электрический вибратор 1, вызывает протекание в нем индуцированного тока. Собственное поле проводящего электрического вибратора 1, вызванное этим током, имеет максимальное значение на его полюсах.

Результирующее дифракционное поле Е в устройстве (Фиг.2) имеет максимальное значение на концах (полюсах) электрического вибратора 1. Амплитуда этого поля в локальной области вблизи полюса значительно превышает исходную амплитуду поля СВЧ-излучателя Е₀ и амплитуду поля в интерференционной пучности стоячей волны 2Е₀ (Фиг.1). Подбирая параметры (длину, проводимость, диаметр, радиус закругления полюсов) электрического вибратора 1 и расстояние h между электрическим вибратором 1 и проводящей поверхностью 3, добиваются, чтобы амплитуда этого поля превышала пробойную величину поля E_пр при заданной мощности СВЧ-излучателя, составе и давлении газа. Электрический вибратор 1, который расположен вблизи проводящей поверхности 3, обладает более высокой добротностью и более высоким коэффициентом усиления поля K_E на полюсах электрического вибратора 1 по сравнению с аналогами. При этом динамический диапазон работы устройства по мощности СВЧ-излучателя существенно повышается.

В зависимости от условий применения устройства для инициации СВЧ-разряда и генерации плазмы проводящий электрический вибратор 1 может быть или свободно подвешен перед проводящей поверхностью 3 параллельно ей (Фиг.2), или расположен параллельно ей на поверхности радиопрозрачного диэлектрика 4 (Фиг.3).

Устройство для инициации системы множественных СВЧ-разрядов с заданной пространственной структурой и генерации плазмы (Фиг.4) может содержать произвольное количество линейных электрических вибраторов 5, которые размещаются в зоне СВЧ-излучателя 2 перед проводящей поверхностью 3 (металлическим отражателем) на расстоянии, меньшем одной четверти длины ЭМ волны от проводящей поверхности 3, параллельно проводящей поверхности 3. При этом из-за существенно более низких потерь на излучение и электромагнитного взаимодействия между собой линейные электрические вибраторы 5 в системе не оказывают негативное влияние друг на друга, то есть инициаторы СВЧ-разряда могут размещаться на любом заданном расстоянии, в том числе на расстоянии, много меньшем длины СВЧ-волны, друг от друга. В результате чего при применении произвольного количества инициаторов реализуется заданное, в том числе однородное, пространственное распределение характеристик СВЧ-разрядов и генерируемой плазмы.

Устройство для инициации СВЧ-разряда и создания плазмы относится к области генерации СВЧ-газоразрядной плазмы и может найти применение в широком спектре плазменных технологий, использующих плазму газового СВЧ-разряда. Устройство инициации СВЧ-разряда и создания плазмы содержит размещенный в газовой среде инициатор, проводящую поверхность-рефлектор и СВЧ-излучатель, воздействующий на инициатор, причем в качестве инициатора использован проводящий электрический вибратор. При этом инициатор СВЧ-разряда расположен параллельно проводящей поверхности на расстоянии h, существенно меньшем одной четверти длины волны λ от проводящей поверхности. Проводящий электрический вибратор может быть установлен над проводящей поверхностью или на поверхности радиопрозрачного диэлектрика, расположенного между проводящей поверхностью и инициатором. Устройство может содержать произвольное количество параллельных друг другу инициаторов СВЧ-разряда, которые расположены на любом заданном расстоянии друг от друга, но без электрического контакта между собой. Технический результат - возможность обеспечить требуемые характеристики генерируемой СВЧ-разрядной плазмы в широком динамическом диапазоне работы источника СВЧ-излучения. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для инициации СВЧ-разряда и создания плазмы, содержащее размещенные в газовой среде инициатор СВЧ-разряда, СВЧ-излучатель, воздействующий на инициатор СВЧ-разряда, и проводящую поверхность, при этом инициатор СВЧ-разряда установлен между СВЧ-излучателем и проводящей поверхностью параллельно проводящей поверхности, отличающееся тем, что инициатор СВЧ-разряда расположен на расстоянии h существенно меньшем одной четверти длины волны λ от проводящей поверхности.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что между инициатором СВЧ-разряда и проводящей поверхностью расположен диэлектрик.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что устройство содержит произвольное количество параллельных друг другу инициаторов СВЧ-разряда, которые расположены на любом заданном расстоянии друг от друга, но без электрического контакта между собой.