Устройство для плазмохимической обработки внутренней полости однопараметрических поверхностей второго порядка Российский патент 2024 года по МПК C03C23/00 H01J37/32 

Изобретение относится к области электроэрозионной обработки и может быть использовано в производстве изделий из кварцевого стекла.

Наиболее известным технологическим приемом обработки кварцевого стекла является газопламенная обработка поверхности в условиях динамического вакуума, так как кварцевое стекло обладает способностью пропускать при высоких температурах газы, что объясняется диффузией этих газов через массу стекла [Глаголев С.П. Кварцевое стекло. Его свойства, производство и применение. // М.: Государственное химико-техническое издательство, 1934. – 214 с.]. После газопламенной обработки в кварцевом стекле всегда наблюдается присутствие значительного количества водородсодержащих примесей, в том числе, в виде гидроксильных групп [Постников В.С. Оптическое материаловедение: курс лекций. // Пермь : Изд-во ПНИПУ, 2013. – 280 с.]. При получении высококачественных кристаллов и стекол (в ампулах и тиглях из кварцевого стекла) для оптических применений особые требования предъявляются к степени чистоты аппаратуры из кварцевого стекла. По этой причине в настоящее время в промышленности для получения особо чистых изделий из кварцевого стекла используют высокотемпературный отжиг в электровакуумных печах. Высокая стоимость такой обработки для крупногабаритных изделий (химических реакторов, трубопроводов) делает актуальной разработку новых устройств для плазмохимической обработки внутренней полости аппаратуры на открытом воздухе в условиях цехов или исследовательских лабораторий.

Из уровня техники известен плазмохимический реактор низкого давления, обеспечивающий плазму высокой плотности для осуществления процесса в виде травления и осаждения [Александров С.Е., Киреев В.Ю., Костюков Д.А. и др. // Патент РФ №2797472 от 06.06.2023, Бюл. №16] – аналог. Реактор содержит рабочую камеру и модуль формирования плазмы. В рабочей камере расположен подложкодержатель, соединенный с высокочастотным генератором и стабилизатором температуры. Внутри рабочей камеры на расстояние 3-10 мм от ее боковых стенок установлено диэлектрическое кольцо, на внешней стороне которого сформирован проводящий металлический элемент, соединенный с источником постоянного напряжения. Металлический элемент диэлектрического кольца и подводящие провода электрически изолированы от плазмы и заземленных поверхностей рабочей камеры. Подача постоянного напряжения различного значения и знака на металлический элемент обеспечивает управление скоростью, равномерностью и селективностью процессов травления. Стоит отметить, что у аналога отсутствует описание системы откачки и газонапуска. Устройство не может быть использовано для плазмохимической обработки внутренней полости однопараметрических поверхностей второго порядка, например, труб, так как авторы заявляют, что его конструкция разработана только для обработки пластин, то есть поверхностей первого порядка.

Известно устройство для плазмохимического травления пластин большого размера [Смирнова Т.С., Петраков В.И., Сергеев С.А., Лебедев Э.А. // Патент РФ №168094 от 18.01.2017, Бюл. №2] – аналог. Устройство включает корпус камеры, две группы электродов, выполненных в виде концентрических колец, изолированный подложкодержатель и систему газонапуска, электроды выполнены в виде полых концентрических водоохлаждаемых колец, зазор между которыми составляет от 5 до 8 мм, одна группа электродов заземлена, причем центральный электрод находится под высокочастотным потенциалом и выполнен в виде стержня, а движение газового потока в каждом кольцевом канале осуществляют перпендикулярно поверхности обрабатываемой пластины и контролируют натекателями. Подложкодержатель расположен вне зоны возбуждения плазмы таким образом, что зона обработки пространственно отделена от зоны генерации плазмы. Очевидно, что аналог не может быть использован для плазмохимической обработки внутренней полости однопараметрических поверхностей второго порядка даже при самой глубокой модернизации устройства, так как в конструкцию устройства заложен существенный недостаток – зона обработки пространственно отделена от зоны генерации плазмы.

Известно устройство для локального плазмохимического травления подложек [Абрамов В.А., Аксенова Л.А., Климов А.В. // Патент РФ №2451114от 10.01.2012 Бюл. №1] – прототип. Устройство содержит вакуумную камеру, электроды, системы откачки и напуска плазмообразующего газа. Верхний электрод установлен на подвижной плите и снабжен механизмом регулирования параллельности электродов относительно друг друга, выполненным в виде трех вертикальных стоек, закрепленных на основании камеры и снабженных шаровыми опорами. На каждой стойке выполнены подвижные упоры с механизмом регулирования зазора в виде прецизионного подъемника, на котором установлен нижний электрод, являющийся подложкодержателем. Необходимым условием локализации тлеющего разряда у выступающих участков поверхности высокочастотного электрода является то, что межэлектродное расстояние L должно быть больше длины свободного пробега электронов в плазме λ (L>>λ). При характерном межэлектродном расстоянии L=100 мкм, давлении плазмообразующего газа ~10⁴ Па и удельной мощности в высокочастотном тлеющем разряде ~10⁴ Вт/см³ устройство обеспечивает равномерность и высокую скорость травления плоских подложек. Для крупногабаритных изделий, содержащих однопараметрические поверхности второго порядка (химических реакторов, трубопроводов), прототип не может быть использован по причине своих конструктивных особенностей и параметров технологического режима, а именно: для получения особо чистых изделий из кварцевого стекла требуется давление плазмообразующего газа ~10⁵ Па и удельная мощность в разряде ~10⁵ Вт/см³, а прецизионное поддержание равномерности зазора с микронной точностью при сканировании внутренних полостей поверхностей второго порядка вообще не представляется возможным.

Задачей настоящего изобретения является разработка устройства для плазмохимического травления внутренней полости однопараметрической поверхности второго порядка изделий из кварцевого стекла.

Технический результат достигается за счет того, что внутренняя полость однопараметрической поверхности второго порядка, например, трубы из кварцевого стекла подвергается обработке высокотемпературной плазмой дугового разряда в атмосфере инертного газа аргона. Разность химических потенциалов гидроксильных групп в кварцевом стекле и в атмосфере воздуха при высоких температурах дугового разряда приводит к удалению водородсодержащей примеси в окружающее пространство вдоль всей образующей цилиндра по мере продвижения трубы относительно дугового разряда по типу зонной плавки. Однородность и равномерность радиального воздействия плазмы достигается за счет влияния магнитного поля двух соленоидов, размещенных вблизи дугового разряда коаксиально электродам и включенных последовательно в высокочастотную электрическую цепь синфазно друг другу.

Устройство, схема которого представлена на фиг.1, работает следующим образом: цилиндрические электроды 1 и 2 размещают во внутренней полости кварцевой трубы 7 с зазором между ними; два соленоида 3 располагают снаружи трубы вблизи зоны дугового разряда 5 и подключают последовательно в высокочастотную электрическую цепь синфазно друг другу; высокочастотный генератор 4 через реостат 6 питает электрическую цепь дугового разряда необходимой мощностью; плазмообразующий газ аргон подается в зону дугового разряда через канал в электроде 1; продвижение трубы относительно дугового разряда вдоль всей образующей цилиндра приводит к плазмохимическому травлению внутренней полости кварцевой трубы с непрерывным удалением гидроксильных групп по типу зонной плавки. На фиг. 2 показано изображение устройства готового к работе. В результате плазмохимического травления в ближней и средней ИК-областях спектра наблюдается заметное снижение концентрации гидроксильных групп в кварцевом стекле (фиг. 3, кривая 1 – спектр пропускания до обработки, кривая 2 – после обработки).

Устройство пригодно для плазмохимической обработки внутренней полости однопараметрических поверхностей второго порядка и может быть использовано в промышленности для получения особо чистых изделий из кварцевого стекла.

Изобретение относится к области электроэрозионной обработки и может быть использовано в производстве изделий из кварцевого стекла. Устройство для плазмохимической обработки внутренней полости однопараметрической поверхности второго порядка изделий из кварцевого стекла включает в себя электроды, выполненные цилиндрическими, длиной, равной или больше длины полости обрабатываемой однопараметрической поверхности второго порядка. Коаксиально электродам вблизи зоны дугового разряда расположены два соленоида, включенные последовательно в высокочастотную электрическую цепь синфазно друг другу. При этом одном из электродов выполнен канал для подачи плазмообразующего газа аргона в зону дугового разряда. Техническим результатом является разработка устройства для плазмохимического травления внутренней полости однопараметрических поверхностей второго порядка. 3 ил.

Устройство для плазмохимической обработки внутренней полости однопараметрической поверхности второго порядка изделий из кварцевого стекла, включающее в себя электроды, отличающееся тем, что электроды выполнены цилиндрическими длиной, равной или больше длины полости обрабатываемой однопараметрической поверхности второго порядка, коаксиально электродам вблизи зоны дугового разряда расположены два соленоида, включенные последовательно в высокочастотную электрическую цепь синфазно друг другу, а в одном из электродов выполнен канал для подачи плазмообразующего газа аргона в зону дугового разряда.