СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ Российский патент 2023 года по МПК H05H1/24 

Изобретение относится к области плазменной техники и может быть использовано, в частности, для технологической обработки поверхности изделий.

Известны источники заряженных частиц, основанные на емкостном и индуктивном высокочастотных разрядах (Е.А. Кралькина. Индуктивный высокочастотный разряд низкого давления и возможности оптимизации источников плазмы на его основе. Успехи физических наук, Т. 178, №5, 2008 г. с. 519-540).

Индуктивный высокочастотный разряд без магнитного поля известен уже более ста лет. Это разряд, возбуждаемый током, текущем по индуктору, расположенному на боковой или торцевой поверхности, как правило, цилиндрического источника заряженных частиц из диэлектрика.

Для получения емкостного высокочастотного разряда переменное напряжение прикладывается к электродам, часто плоскопараллельным. Между ними зажигается разряд. Возникновение разряда обусловлено потенциальным электрическим полем конденсатора. Электроды либо помещают в газоразрядную камеру, наполненную газом, либо располагают снаружи газоразрядной камеры со стенками из материала, обладающего диэлектрическими свойствами. В отличие от постоянного, для переменного тока присутствие диэлектрика в цепи не является препятствием. Система электродов в этом случае представляет собой конденсатор (А.А. Жуков, М.С. Круглов, И.Н. Егоршин. Физические процессы в плазме емкостного высокочастотного разряда низкого давления. Учебное пособие. Хабаровск. Издательство ДВГГУ, 2012 г.).

Общей конструктивной особенностью перечисленных устройств является наличие газоразрядной камеры, на внешней поверхности которой или внутри нее расположен индуктор (антенна). С помощью антенны, подключенной к высокочастотному генератору, в объем газоразрядной камеры вводится высокочастотная мощность и зажигается безэлектродный разряд. Токи, текущие по антенне, индуцируют в плазме вихревое электрическое поле, которое нагревает электроны до энергий, необходимых для эффективной ионизации рабочего тела.

Несмотря на большое число вариантов плазменных устройств, работающих на индуктивном высокочастотном разряде, а также постоянно возрастающие и изменяющиеся потребности плазменных технологий требуют разработки новых способов получения заряженных частиц, усовершенствования моделей существующих устройств и разработки новых перспективных моделей.

Известен аналог - способ получения ионов и источник ионов для его осуществления (патент на изобретение РФ, RU 2095877, опубликован 10.11.1997 г.).

Способ получения ионов включающий подачу рабочего газа в разрядный объем, ограниченный стенками аксиально-симметричной камеры, по меньшей мере одна из которых выполнена частично прозрачной для ионов, генерацию плазмы в разрядном объеме путем возбуждения в нем высокочастотного поля и аксиально-симметричного стационарного неоднородного магнитного поля спадающего к оси симметрии разрядного объема, в котором возбуждают безвихревую электрическую компоненту высокочастотного поля параметры которых достаточны для резонансного возбуждения в разрядном объеме собственных плазменных волн, а также извлечение ионов из плазмы и формирование ионного пучка наложением стационарного электрического поля со стороны частично прозрачной для ионов стенки, при этом осуществляют резонансное возбуждение в плазме собственных электростатических волн путем выбора величины индукции стационарного магнитного поля максимальна в разрядном объеме и частоты высокочастотного поля при заданном значении плотности ионного тока.

Источник ионов, содержащий аксиально симметричную газоразрядную камеру, одна из стенок которой выполнена частично прозрачной для ионов, магнитную систему, создающую в камере стационарное аксиально симметричное неоднородное магнитное поле спадающее к оси симметрии камеры, размещенный вне объема камеры узел ввода высокочастотной мощности, подключенный к высокочастотному генератору возбуждающий в камере продольную безвихревую электрическую компоненту высокочастотного поля образованный системой по меньшей мере из двух проводников тока, и электрическую систему извлечения ионов и формирования ионного пучка, включающую по меньшей мере один ускоряющий электрод, причем часть стенок камеры выполнена из диэлектрического материала, а проводники тока установлены на диэлектрических стенках камеры.

Известен аналог - ионный двигатель, основанный на принципе высокочастотного самосмещения (патент на изобретение КНР, CN 109162882 А, опубликован 09.10.2018 г.).

Разработанный ионный двигатель имеет функциональное применение как двигатель, но может быть применим как технологический источник и его конструкция построена на основе высокочастотного разряда. Ионный двигатель содержит газоразрядную камеру, высокочастотную антенну, ионно-оптическую систему. Газоразрядная камера предназначена для обеспечения замкнутой зоны ионизации рабочего тела и плазмообразования, высокочастотный источник и устройство согласования мощности расположены вне газоразрядной камеры, высокочастотная антенна расположена на верхней поверхности газоразрядной камеры и изолирована от нее кварцевым стеклом, множество входных каналов для подачи рабочего тела равномерно распределены на боковой поверхности газоразрядной камеры, а ионно-оптическая система расположена на торцевой поверхности газоразрядной камеры и состоит из эмиссионного электрода и ускоряющего электрода, расположенных параллельно друг другу.

Один конец высокочастотного источника и устройства согласования мощности соединен с высокочастотной антенной, а другой конец соединен с эмиссионным электродом ионно-оптической системы через изолирующий конденсатор. Поскольку ускорение ионов и извлечение электронов осуществляются с помощью высокочастотного эффекта самосмещения, квазинейтральность потока частиц может быть обеспечена без нейтрализатора.

Дальнейшим развитием по улучшению характеристики источника заряженных частиц является следующий аналог.

Известен аналог - высокочастотный ионный двигатель малой тяги с тангенциальным полем (патент на изобретение КНР, CN 111322214 А, опубликован 23.03.2020 г.).

Функциональное назначение данного источника ионов аналогично указанным в патенте на изобретение CN 109162882 А. Высокочастотный ионный двигатель содержит высокочастотную антенну, узел газораспределения рабочего тела, газоразрядную камеру, постоянные магниты, источник питания постоянного тока, высокочастотный источник питания и ионно-оптическую систему. Газоразрядная камера представляет собой цилиндрическую разрядную полость. Газораспределитель рабочего тела соединен с газоразрядной камерой. Нейтральный газ поступает в газоразрядную камеру через газораспределитель рабочего тела, а высокочастотный источник расположен вне газоразрядной камеры. Высокочастотная антенна расположена в торцевой части ионизационной камеры. Два конца высокочастотной антенны соединены с двумя полюсами высокочастотного источника. Постоянные магниты многоуровневой структуры расположены вокруг газоразрядной камеры, а полярности постоянных магнитов противоположны. Электроды ионно-оптической системы соединены с положительным и отрицательным полюсом источника питания постоянного тока.

Размещение антенны высокочастотного поля внутри камеры с целью снижения потерь при прохождении высокочастотного поля и устранение диэлектрической преграды привело к снижению энергозатрат на плазмообразования в керамической газоразрядной камере, но ее расположение в торцевой части разрядной камеры не позволяет в полной мере раскрыть возможности высокочастотного разряда по длине камеры и, несмотря на применение магнитного поля, требует оптимизации газоразрядной камеры по линейным размерам - длине и выходному сечению.

Недостатком вышеуказанных способов получения ионов и конструкций источников ионного является то, что газоразрядная камера выполнена из материала, обладающего диэлектрическими свойствами, который является ограничением для прохождения высокочастотного поля через стенки газоразрядной камеры, а также требует оптимизации газоразрядной камеры по линейным размерам. Это приводит к повышенным затратам электроэнергии на плазмообразования в газоразрядной камере. Также недостатком способов ионизации, где используют при разработке диэлектрические газоразрядные камеры, является их низкая стойкость к термическим и механическим нагрузкам, и как следствие накладывает ограничение на разработку крупногабаритных (диаметром более 300 мм) источников заряженных частиц и их ресурс. Использование металлических рабочих тел типа цезий, ванадий, ртуть, йод и другие накладывают дополнительные ограничения на их применения, связанные с тем, что при отключении источника заряженных частиц остатки рабочего тела осаждаются на стенки диэлектрических газоразрядный камер, чем снижают их диэлектрические свойства.

Известен прототип - прямоточный электрореактивный двигатель (патент на изобретение РФ, RU 2614906, опубликован 30.03.2017 г.).

Изобретение относится к источникам ионов и имеет функциональное применение как двигатель, но вполне может быть применим как технологический источник и его конструкция построена на основе высокочастотного разряда.

Источник ионов содержащий корпус с осесимметричным прямоточным каналом, по меньшей мере один нейтрализатор пространственного заряда ионного потока, цилиндрическую камеру ионизации и ускорения ионов с устройством ввода электромагнитной энергии в разрядный объем, имеющего форму спирали, где на внешнюю поверхность витков индуктора нанесено проницаемое для электромагнитного поля диэлектрическое покрытие и установленного в полости камеры ионизации и ускорения ионов включает ионно-оптическую систему, содержащую эмиссионный, ускоряющий и замедляющий электроды и установленную в выходном отверстии прямоточного канала, при этом витки индуктора расположены вдоль поверхности вращения, соосной прямоточному каналу, площадь поперечного сечения которой увеличивается в направлении от разрядной камеры к электродам ионно-оптической системы. Данное устройство работает по известному способу, включающему в себя использование электродов для ввода электромагнитной энергии, размещенных в газоразрядной камере (А.А. Жуков, М.С. Круглов, И.Н. Егоршин. Физические процессы в плазме емкостного высокочастотного разряда низкого давления. Учебное пособие. Хабаровск. Издательство ДВГГУ. 2012 г.).

Недостатком изобретения является то, что данный способ организации высокочастотного разряда, несмотря на эффективность размещения ввода электромагнитной энергии в разрядный объем, имеет низкую надежность, которую авторы изобретения компенсировали покрытием спирали, а именно на внешнюю поверхность витков индуктора нанесено проницаемое для электромагнитного поля диэлектрическое покрытие, что аналогично применению спирали на внешней стороне газоразрядной камеры, как это используется в ранее разработанных конструкциях источников ионов.

Следует заметить, что качество покрытия индуктора существенно влияет на надежность источника ионов, что приводит к его неработоспособности, о чем указано в диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Суворова М.О. (Тяговый узел прямоточного электроракетного двигателя», Москва, 2018 г. 109 с.).

В указанной работе предложен вариант, предусматривающий возможность подключения высокочастотного генератора и блоков питания ионно-оптической системы таким образом, чтобы индуктор находился под плавающим потенциалом, или под потенциалом эмиссионного электрода, во избежание возникновения электрического пробоя между индуктором и конструктивными элементами источника ионов.

Несмотря на то, что согласно схеме подключения, рассмотренной в данной работе, газоразрядная камера находится под плавающим потенциалом, проблема пробоев изоляции витков индуктора не была решена и в конечном счете не способствует повышению надежности источника ионов.

Как данный способ, так и конструкция источника ионов, не предполагает использование рабочего тела в виде газообразных металлов типа цезий, ртуть, йод, висмут и т.д. в виду того, что данные материалы при использовании в технологических источниках ионов имеют особенность осаждаться на поверхности газоразрядной камеры или индуктора с диэлектрическим покрытием, а это приводит к пробою электрической цепи и выходу источника ионов из строя.

Целью изобретения является расширение диапазона применяемых рабочих тел и материалов газоразрядной камеры, возможность использования газоразрядных камер более широкого диапазона объемов, а также повышение стабильности работы источника заряженных частиц.

На фиг. 1 представлена схема подключений для реализации способа получения заряженных частиц.

Способ получения заряженных частиц включает подачу рабочего тела в объем разрядной камеры 1, ионизацию рабочего тела путем ввода высокочастотной электромагнитной энергии через индуктор 2, расположенный внутри разрядной камеры 1 и подключенный к высокочастотному генератору 3 через емкости 4, подключение источника напряжения 5 к эмиссионному электроду 6 ионно-оптической системы 7, подключение источника напряжения 8 противоположной полярности к ускоряющему электроду 9 ионно-оптической системы 7, заземление или подключение к контакту с нулевым потенциалом электрода 10 ионно-оптической системы и извлечение заряженных частиц из объема разрядной камеры 1.

На фиг. 2 представлена схема подключений для реализации способа получения заряженных частиц с включением согласующего устройства в цепь между емкостями и высокочастотным генератором.

Технический результат изобретения достигается за счет следующего:

1. Использование газоразрядной камеры из электропроводящего материала позволяет избежать проблем, связанных с термоциклированием, которые приводят к разрушению структуры керамических газоразрядных камер больших размеров (диаметром свыше 300 мм). Также это позволяет использовать электропроводящие рабочие тела (цезий, висмут, йод и т.п.) без опасений пробоя, связанного с осаждением подобного рабочего тела на стенках газоразрядной камеры.

2. Наличие газоразрядной камеры из электропроводящего материала требует внутреннего расположения индуктора, так как его размещение на внешней поверхности газоразрядной камеры приводит к значительным потерям высокочастотной мощности на возбуждение вихревых токов в стенках газоразрядной камеры и, как следствие, меньшей эффективности получения заряженных частиц. В свою очередь, внутреннее расположение индуктора сопряжено с его возможным электрическим контактом с плазмой внутри газоразрядной камеры, находящейся под большим потенциалом, близким к потенциалу эмиссионного электрода ионно-оптической системы. Во избежание в цепи индуктора электрического пробоя, вызванного контактом с плазмой внутри газоразрядной камеры, в цепь индуктора включаются две емкости большой величины (более нескольких нФ), размыкающие цепь индуктора по постоянному току.

3. Для максимизации передачи высокочастотной мощности от высокочастотного генератора к плазме внутри газоразрядной камеры, в электрическую цепь между индуктором с емкостями и высокочастотным генератором включается согласующее устройство.

4. Покрытие индуктора диэлектрическим материалом позволяет устранить электрический контакт плазмы внутри газоразрядной камеры с индуктором и, таким образом, убрать из цепи индуктора высоковольтные емкости. Также подобное покрытие снижает вложение высокочастотной мощности в плазму внутри газоразрядной камеры через емкостной канал, связанный с наличием высокочастотного напряжения между витками индуктора, что, в свою очередь, приводит к увеличению эффективности описываемого метода получения заряженных частиц.

5. Покрытие индуктора более устойчивым к распылению материалом позволяет продлить срок его службы.

6. Выполнение газоразрядной камеры из чередующихся сегментов, обладающих диэлектрическими и электропроводящими свойствами, устраняет индуцированные высокочастотные вихревые азимутальные токи внутри стенок газоразрядной камеры, что уменьшает соответствующие потери высокочастотной мощности и увеличивает эффективность метода получения заряженных частиц. Также это позволяет разместить индуктор на внешней поверхности газоразрядной камеры и устранить его контакт с плазмой внутри газоразрядной камеры. Отсутствие контакта с плазмой внутри газоразрядной камеры устраняет необходимость в емкостях в цепи индуктора, а также повышает эффективность метода получения заряженных частиц за счет уменьшения токов, связанных с межвитковыми емкостями индуктора.

7. Выполнение стенок газоразрядной камеры из диамагнитного или парамагнитного материала дает возможность создания внутри газоразрядной камеры постоянного магнитного поля за счет расположенной вне газоразрядной камеры магнитной системы, которая может состоять из электромагнитов, постоянных магнитов или их комбинации. Создание внутри газоразрядной камеры с помощью подобной магнитной системы продольного постоянного магнитного поля или магнитного поля с преимущественной продольной компонентой позволяет увеличить долю вложенной в плазму высокочастотной мощности и уменьшить потери, связанные с уходом из этой плазмы частиц на стенки газоразрядной камеры, что приведет к росту эффективности описываемого метода получения заряженных частиц.

И3обретение относится к способу получения заряженных частиц и может быть использовано, в частности, для технологической обработки поверхности изделий. Способ включает подачу рабочего тела в выполненную из электропроводящего материала газоразрядную камеру 1, ионизацию рабочего тела путем ввода высокочастотной электромагнитной энергии через индуктор 2 Индуктор расположен внутри газоразрядной камеры 1 и подключен к высокочастотному генератору 3 через емкости 4. В способе предусмотрено подключение источника напряжения 5 к эмиссионному электроду 6 ионно-оптической системы 7, подключение источника напряжения 8 противоположной полярности к ускоряющему электроду 9 ионно-оптической системы 7, заземление или подключение к контакту с нулевым потенциалом электрода 10 ионно-оптической системы и извлечение заряженных частиц из объема газоразрядной камеры 1. Причем используют газоразрядную камеру, стенки которой выполнены из электропроводящего материала, а индуктор для ввода высокочастотной электромагнитной энергии расположен внутри газоразрядной камеры, и в электрическую цепь между индуктором и высокочастотным генератором включены емкости. Техническим результатом является расширение диапазона применяемых рабочих тел и материалов газоразрядной камеры, возможность использования газоразрядных камер более широкого диапазона объемов, а также повышение стабильности работы источника заряженных частиц. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ получения заряженных частиц, включающий подачу рабочего тела в объем газоразрядной камеры, ионизацию рабочего тела путем ввода высокочастотной электромагнитной энергии через индуктор, подключенный к высокочастотному генератору, подключение источника напряжения к эмиссионному электроду ионно-оптической системы, подключение источника напряжения противоположной полярности к ускоряющему электроду ионно-оптической системы, заземление или подключение к контакту с нулевым потенциалом замедляющего электрода ионно-оптической системы и извлечение заряженных частиц из объема газоразрядной камеры, отличающийся тем, что используют газоразрядную камеру, стенки которой выполнены из электропроводящего материала, а также индуктор для ввода высокочастотной электромагнитной энергии, расположенный внутри газоразрядной камеры, и в электрическую цепь между индуктором и высокочастотным генератором включают емкости.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в электрическую цепь между высокочастотным генератором и емкостями включают согласующее устройство.

3. Способ по пп. 1, 2, отличающийся тем, что электропроводящий материал газоразрядной камеры обладает диамагнитными или парамагнитными свойствами.

4. Способ по пп. 1-3, отличающийся тем, что вне газоразрядной камеры располагают магнитную систему, представленную электромагнитами, или постоянными магнитами, или их комбинацией, которая создает внутри газоразрядной камеры продольное магнитное поле или магнитное поле с преимущественной продольной компонентой.