Способ передачи ВЧ-мощности в источник плазмы Российский патент 2024 года по МПК H03H7/40 H01J37/32 H05H1/46 

Изобретение относится к области плазменной техники, в частности к мощным ионным источникам c плазменным высокочастотным источником ионов, и может использоваться в инжекторах атомарных пучков.

Известны способы передачи высокочастотной (ВЧ) мощности в плазменный разряд через антенну в виде катушки индуктивности с использованием согласующего устройства, с автоподстройкой генератора по частоте, с помощью подстройки параметров согласующего устройства, а также резонансный способ.

Из уровня техники известен способ WO 2006133132 A2 передачи ВЧ-мощности от ВЧ-генератора на две антенны. ВЧ-мощность передается от источника через согласующее устройство с помощью Г-согласования с возможностью подстройки конденсаторов. В связи с малой передаваемой в антенну мощностью и отсутствием высокой разности потенциалов между плазменной камерой и генератором, в данном способе не используется разделительный трансформатор. Схема хорошо работает для технологических ВЧ-источников, когда не требуется перестраивать в большом диапазоне мощность, передаваемую в плазму. Применительно к мощным ионным источникам для атомарных инжекторов этот способ имеет недостаток, заключающийся в том, что представленная в патенте схема Г-согласования с двумя конденсаторами для подстройки уменьшает устойчивость системы к быстрым изменениям плазменной нагрузки, которые необходимы при работе ионного источника в инжекторах. Возможность изменения ВЧ-мощности в плазменном разряде нужна в режиме работы модуляции ионного пучка, а снижение мощности необходимо после электрического пробоя в ионно-оптической системе, вытягивающей из плазмы ионы и формирующей ионный пучок. Быстрое изменение нагрузки в ВЧ-системе приведет к рассогласованию, большой отраженной мощности, которая по защите выключит ВЧ-генератор.

Известно также решение, описанное в US 2018330909 A1. Индуктивно-связанный плазменный источник ионов с регулируемой ВЧ-мощностью от источника ВЧ-мощности с возможностью подстройки частоты. Согласующее устройство выполнено по Г-схеме согласования с подстроечными конденсаторами, включенными параллельно к основным конденсаторам. Но подстройка выполняется в основном за счет изменения частоты ВЧ-генератора. Основной недостаток способа также заключается в использовании Г-схемы: при неточности настройки предложенной схемы (ошибка в расчетах, неточность в подборе элементов, непредусмотренные и/или паразитные реактивности) возможно перенапряжение на антенне, которое может привести к электрическому пробою. Подачу ВЧ-мощности регулируют с помощью подбора частоты ВЧ-генератора, устанавливающего частоту генерации по сигналу обратной связи таким образом, чтобы передаваемая ВЧ-мощность была максимальной.

В качестве прототипа выбрано решение, описанное в EP 0840349 A2. Представленная схема включает плазменную камеру с впускным отверстием для технологического газа, устройство передачи ВЧ-мощности в плазму (ВЧ-антенна), обращенное к внутренней части камеры, и генератор ВЧ-мощности с подстройкой частоты. Данный способ предлагает подстраивать частоту ВЧ-генератора для максимизации передаваемой мощности в плазму. В качестве параметра подстройки может быть выбрана отраженная или передаваемая мощность. Один конец ВЧ-антенны заземлен, при этом на другой подается полное напряжение. Когда напряжение, которое подают на ВЧ-антенну, составляет порядка нескольких киловольт, это не вызывает проблем. В случае же применения такой схемы в ионных источниках для мощных атомарных инжекторов с ВЧ-мощностью десятки кВт и амплитудным напряжением на антенне ~10кВ и более, возникают проблемы с электрической прочностью на антенне и подводах к ней.

Технический результат предложенного способа передачи ВЧ-мощности в источник плазмы заключается в увеличении передаваемой ВЧ-мощности в нагрузку, а также снижении напряженности электрического поля на концах антенны, и тем самым исключения пробоя на антенне при большой передаваемой мощности.

Поставленная задача решается с помощью симметричного подключения ВЧ-антенны. ВЧ-мощность от ВЧ-генератора передается через разделительный трансформатор с выделенной средней точкой на вторичной обмотке. Это позволяет получить следующее.

1) На каждом из концов ВЧ-антенны амплитудное значение напряжения относительно металлических элементов плазменной камеры источника равно половинному амплитудному значению напряжения между подводами к концам ВЧ-антенны, что позволяет вдвое уменьшить напряжение на каждом из концов ВЧ-антенны относительно средней точки, и, как следствие, избежать пробоя.

2) Симметричное подключение позволяет существенно понизить или вообще исключить излучение во внешнее пространство и электрические помехи на аппаратуру самого ВЧ-генератора и других электронных приборов. Передача ВЧ-мощности на антенну осуществляется по центральным проводникам кабелей, а экраны подключаются к средней точке контура ВЧ-антенны. При симметричной настройке ток по экранам кабелей не протекает.

3) В данной симметричной схеме подключения подача напряжения на ВЧ-антенну осуществляется через разделительный трансформатор, что очень важно для использования в ионных источниках атомарных инжекторов, когда плазменная камера находится под высоким потенциалом (десятки киловольт).

Необходимой частью тракта передачи мощности является изолирующий ВЧ-трансформатор. Его задача изолировать выход ВЧ-генератора от высокого постоянного напряжения на источнике плазмы (десятки киловольт). Также изолирующий ВЧ-трансформатор дает возможность выделить среднюю точку для реализации симметричного включения резонансного контура ВЧ-антенны. Средняя точка вторичной обмотки ВЧ-трансформатора подключается через экраны кабелей к средней точке резонансного контура ВЧ-антенны, как показано на фиг. 1.

Эта же средняя точка вторичной обмотки подключается к экрану вторичной обмотки трансформатора. Трансформатор имеет экран и на первичной обмотке. Важно, что при быстром (единицы - десятки микросекунд) изменении потенциала плазменной камеры с напряжения, прикладываемого к плазменному электроду ионно-оптической системы источника плазмы, до нуля (при модулировании пучка, извлекаемого и ускоряемого из источника плазмы с помощью ионно-оптической системы, или при электрическом пробое в ионно-оптической системе, которая вытягивает и ускоряет ионный пучок), емкостной ток между вторичной и первичной обмотками трансформатора идет не на первичную обмотку, а на экран первичной обмотки и на землю. Тем самым защищается согласующее устройство и ВЧ-генератор.

Изобретение поясняется чертежом (фиг. 1). Схема включает: ВЧ-генератор (1), согласующее устройство (2), состоящее из конденсатора Cs (2.1) со стороны ВЧ-генератора (1), конденсатора со стороны нагрузки C_L (2.3) и последовательной индуктивности L (2.2), необходимое для приведения суммарного импеданса резонансного антенного контура со средней точкой (7), изолирующего ВЧ-трансформатора (3) со средней точкой (5) на вторичной обмотке, соединенного с помощью кабелей (4) с антенным контуром, включающим антенну (8), конденсаторы контура (6) и плазменную нагрузку (9).

Согласно предложенному способу ВЧ-мощность от ВЧ-генератора с внутренним сопротивлением 50Ω по коаксиальному кабелю с волновым сопротивлением 50Ω подают через согласующее устройство и изолирующий ВЧ-трансформатор на резонансный контур ВЧ-антенны. Центральные проводники подводящих кабелей от ВЧ-трансформатора соединяют с концами ВЧ-антенны. Конденсаторы резонансного контура подключены между выводами ВЧ-антенны и средней точкой контура ВЧ-антенны, которую подключают по экранам ВЧ-кабелей к средней точке вторичной обмотки изолирующего ВЧ-трансформатора. Максимальное напряжение на каждом конце ВЧ-антенны при таком подключении равно половинному от полного напряжения на ВЧ-антенне, что вдвое уменьшает напряжение на концах ВЧ-антенны относительно средней точки. Это уменьшает электрическую напряженность на концах ВЧ-антенны, и, как следствие, позволяет избежать пробоев между концами ВЧ-антенны и металлическими частями плазменной камеры (например, фланцами). В подводящих линиях от ВЧ-трансформатора также напряжение снижено в два раза.

Известно, что максимальная мощность достигается при равенстве суммарного импеданса нагрузки и внутреннего сопротивления ВЧ-генератора. ВЧ-антенна вместе с конденсаторами контура создают параллельный резонансный контур (контур ВЧ-антенны). Плазменная нагрузка, имеющая активную и реактивную составляющие, также включена в этот контур. Импеданс ВЧ-антенного контура, складываясь с импедансом подводящих кабелей и импедансом изолирующего ВЧ-трансформатора, в сумме со стороны первичной обмотки ВЧ-трансформатора являются эффективной нагрузкой, которую нужно согласовать. При настойке ВЧ-антенного контура в резонанс на частоте ВЧ-генератора и соответствующем подборе элементов в согласующем устройстве, на ВЧ-антенне получают максимальное напряжение и в плазму передают максимальную мощность. Согласующее устройство на сосредоточенных элементах настраивают таким образом, чтобы импеданс нагрузки ВЧ-генератора был равен 50Ω.

Изобретение относится к области плазменной техники, в частности к мощным ионным источникам c плазменным высокочастотным источником ионов, и может использоваться в инжекторах атомарных пучков. Технический результат предложенного способа передачи ВЧ-мощности в источник плазмы заключается в увеличении передаваемой ВЧ-мощности в нагрузку, а также снижении напряженности электрического поля на концах антенны и тем самым исключении пробоя на антенне при большой передаваемой мощности. Поставленная задача решается с помощью симметричного подключения ВЧ-антенны. ВЧ-мощность подают на резонансный контур ВЧ-антенны от изолирующего ВЧ-трансформатора со средней точкой на вторичной обмотке. При этом экраны подводящих кабелей подключают к средней точке контура ВЧ-антенны. Конденсаторы резонансного контура подключают между средней точкой контура и выводами ВЧ-антенны. 1 ил.

Способ передачи ВЧ-мощности в источник плазмы, включающий передачу ВЧ-мощности от ВЧ-генератора по коаксиальному кабелю через согласующие устройство и разделительный ВЧ-трансформатор, отличающийся тем, что ВЧ-мощность подают на резонансный контур ВЧ-антенны от разделительного ВЧ-трансформатора со средней точкой на вторичной обмотке, при этом экраны подводящих кабелей подключают к средней точке контура ВЧ-антенны, центральные проводники кабелей - к выводам ВЧ-антенны, а конденсаторы резонансного контура подключают между средней точкой контура и выводами ВЧ-антенны.