Способ согласования высокочастотного источника плазмы с источником питания Российский патент 2024 года по МПК H05H1/24 H05H1/46 H01J37/32 

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

Известен способ передачи высокочастотной (ВЧ) мощности в плазменную камеру для ионизации газа с помощью индукционного разряда, включающий создание переменного электромагнитного поля с помощью антенны в виде катушки индуктивности, через которую протекает переменный ток. Ток создает переменное электромагнитное поле, ускоряющее электроны, которые ионизуют газ (например, водород или дейтерий в ионных источниках атомарных инжекторов). Для увеличения эффективности используется параллельный колебательный контур, индуктивностью которого является антенна. При резонансе параллельного колебательного контура, протекающий через антенну ток увеличивается, и увеличивается напряженность электромагнитного поля. Это приводит к увеличению поглощаемой разрядом ВЧ мощности, увеличению плотности плазмы и плотности ионов, извлекаемых из разряда для формирования ионного пучка. Мощность, затраченная на ионизацию, пропорциональна квадрату напряжения на элементах колебательного контура. То есть, чем больше напряжение на антенне, тем больше количество полученных ионов. [Aleksandrov A F et al. Plasma Phys. Rep. 30 398 (2004)]

ВЧ мощность к антенному контуру подается от ВЧ генератора через тракт, включающий согласующее устройство, которое преобразует импеданс антенного контура, индуктивно связанного с плазмой, и импеданс тракта, делая нагрузку для ВЧ генератора равной выходному сопротивлению генератора для максимальной передачи мощности. В тракте может быть разделительный трансформатор, если необходима гальваническая развязка плазменной камеры, находящейся под высоким потенциалом от генератора, который в свою очередь находится под земляным потенциалом. В применениях для ионных источников атомарных инжекторов плазменная камера может находиться под потенциалом ~10÷120 кВ, который определяет энергию ионного пучка.

ВЧ генератор имеет ограничения по максимальной мощности, максимальному напряжению и максимальному току. Для работы на максимальной мощности, которую может выдать ВЧ генератор, сопротивление его нагрузки должно быть оптимальным. Максимальная или требуемая мощность может быть не достигнута из-за ограничения по напряжению или току, если не достигнуто достаточное согласование выходного сопротивления ВЧ источника и нагрузки. То есть источник питания не сможет выдать требуемую мощность из-за ограничения максимального напряжения, так как требуемая мощность достигается при напряжении, превышающем максимальное. Другими словами, нагрузка является не согласованной.

Известно решение, описанное в DE3842756, которое включает согласование антенны и ВЧ генератора. Согласование происходит за счет подбора длины антенны, соответствующей четверти длины волны. Также предусматривается использование емкости для добавления фазы волны, что позволяет создать дополнительный контур и уменьшить длину антенны.

Основным недостатком предложенного решения является длина антенны, которая должна быть соизмерима с четвертью длины волны. Например, для частот, характерных для ионных источников в атомарной инжекции, порядка ~1÷4МГц, четверть длины волны составляет более 10м. Такая антенна технически не реализуема в ионном источнике на таких частотах.

Известен способ, описанный в RU 2735240. Данное решение предлагает использовать антенну источника плазмы в качестве вторичной обмотки трансформатора, к первичной обмотке которого подается напряжение от ВЧ источника питания. В данном способе описывается два контура. Первый контур – питающий, он соединен с ВЧ источником питания. Второй – параллельный колебательный контур с емкостью и индуктивностью. Индуктивности обоих контуров имеют магнитную связь и образуют трансформатор. При этом индуктивности представляют собой катушки, внутри которых создается плазма. В этом случае плазма является частью воздушного сердечника трансформатора. Недостатком предложенного способа является то, что для его осуществления требуются гальванически несвязанный ни с чем по потенциалу вторичный контур. Источник плазмы при формировании ионного пучка находится под высоким потенциалом (десятки килоэлектронвольт). Недопустимо иметь гальванически развязанные элементы, так как они могут электрически пробиваться, например, при подаче высокого напряжения на источник плазмы.

Второй недостаток заключается в магнитной связи между данными катушками. Созданная плазма в воздушном сердечнике вытесняет из области сердечника магнитное поле. Это может привести к ухудшению магнитной связи и снижению эффективности передачи ВЧ мощности во второй контур, который является резонансным. В этом случае эффективность передачи ВЧ мощности в плазму также снижается.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в эффективной передаче ВЧ мощности в плазму.

Поставленная задача реализуется согласованием ВЧ источника питания с нагрузкой, которая представляет собой антенный контур, индуктивно связанный с плазменной нагрузкой, имеющей активную и реактивную составляющие. Под ВЧ источником питания в данном случае понимается ВЧ генератор и тракт передачи ВЧ мощности, который может включать ВЧ разделительный трансформатор, но не включает подстраиваемое устройство согласования.

Данный способ предполагает использование антенны ВЧ ионного источника в качестве индуктивного делителя, играющего роль согласующего устройства. На антенне, представляющей собой катушку, делаются отводы, которые делят ее на две или три части. То есть индуктивность параллельного колебательного контура состоит из нескольких индуктивностей, соединенных последовательно. ВЧ источник питания подключается к антенне в две точки, таким образом, чтобы между точками подключения была индуктивность (). В полученной схеме возбуждение колебательного контура происходит за счет ВЧ источника, подключенного к одной или нескольким индуктивностям. Отношение индуктивностей выбирается из условия: , где: – активное сопротивление нагрузки в обычном параллельном колебательном контуре; – выходное сопротивление ВЧ источника питания; – индуктивность между точками подключения генератора; – дополнительная индуктивность, , где – индуктивность всей антенны. Ток, протекающий в параллельном колебательном контуре, создает напряжение на индуктивностях, не находящихся между точками подключения ВЧ источника. Это напряжение складывается с напряжением ВЧ источника и суммарное напряжение на антенне увеличивается. Таким образом, происходит изменение напряжения параллельного колебательного контура и его входного активного сопротивления. Это позволяет согласовать сопротивление ВЧ источника с сопротивлением колебательного контура.

Изобретение поясняется чертежами. На Фиг.1 изображена электрическая схема частичного подключения антенны. На данной схеме изображен колебательный контур ионного ВЧ источника плазмы, который состоит из емкости (5), антенны, образованной тремя индуктивностями (2, 3, 4) и активной плазменной нагрузки (7) (в данной схеме она приведена к выводам антенны). ВЧ источник питания (1) с внутренним сопротивлением (6) присоединен к колебательному контуру в точках между индуктивностями (2) и (3) и между индуктивностями (3) и (4). Таким образом, индуктивность (3) соответствует , а катушки (2) и (4) последовательно соответствуют индуктивности . Общая индуктивность антенны соответствует . Индуктивности (2) или (4) может не быть. В этом случае общая индуктивность складывается из двух катушек, а индуктивность из одной катушки. На Фиг.2 представлена электрическая схема конструкции антенны с частичным включением. Катушки, которые образуют индуктивности (2, 3, 4), расположены соосно и соединены последовательно.

Способ передачи ВЧ мощности в ионный источник реализуется следующим образом.

Антенну ионного источника, индуктивность которой составляет L ≈ 3 мкГн, разделяют на 3 части. Центральную часть антенны подсоединяют к ВЧ генератору через разделительный трансформатор с коэффициентом трансформации 1. Эта часть антенны имеет индуктивность . Оставшиеся две части антенны образуют . Антенна поделена на 3 части в соотношении ≈ 1.2. ВЧ генератор выдает переменное напряжение с амплитудой до 10 кВ. Ток I ≈ 150 А, протекающий через индуктивность L колебательного контура, создаёт дополнительное напряжение U ≈ 2 кВ на дополнительной индуктивности . Это напряжение складывается с напряжением на индуктивности и суммарное амплитудное напряжение на антенне увеличивается до U ≈ 12 кВ. Таким образом, происходит согласование сопротивления нагрузки и выходного сопротивления ВЧ источника питания.

На Фиг. 3 (зависимость ВЧ мощности от напряжения на выходе ВЧ генератора), где представлено сравнение мощности на выходе ВЧ генератора в зависимости от амплитуды выходного напряжения ВЧ генератора при частичном и полном включении. Как видно из Фиг.3, частичное включение позволяет увеличить выходную мощность ВЧ генератора с 17.5 кВт до 55 кВт при согласованной нагрузке. Плотность ионного тока, извлекаемого из плазменного водородного разряда на сеточный зонд, которая характеризует ВЧ-мощность, вкладываемую в плазму, представлена на фиг. 4 (зависимость плотности ионного тока от мощности ВЧ генератора). Из зависимости видно, что плотность тока выросла с 100 мА/см² до 248 мА/см². Это говорит о том, что мощность, вкладываемая в разряд, выросла.

Изобретение относится к области плазменной техники, в частности к мощным плазменным высокочастотным ионным источникам, и может использоваться в инжекторах атомарных пучков. Технический результат - повышение эффективности передача ВЧ мощности в плазму. ВЧ источник питания подключают к антенному контуру, который разделен на две или три части. При этом антенный контур индуктивно связан с плазменной нагрузкой. При таком способе подключения индуктивность между точками подключения и полная индуктивность колебательного контура имеют такое отношение, чтобы активное сопротивление колебательного контура совпадало с выходным сопротивлением ВЧ источника. 4 ил.

Способ согласования высокочастотного источника плазмы с источником питания, включающий согласование ВЧ источника питания с плазменной нагрузкой, отличающийся тем, что ВЧ источник питания подключают к антенному контуру, разделенному на две или три части, который индуктивно связан с плазменной нагрузкой, таким образом, чтобы индуктивность между точками подключения и полная индуктивность колебательного контура имела такое отношение, чтобы активное сопротивление колебательного контура совпадало с выходным сопротивлением ВЧ источника.