Устройство поджигания плазмы в высокочастотном источнике плазмы Российский патент 2025 года по МПК F02P9/00 H05H1/24 H05H1/46 

Изобретение относится к области плазменной техники, в частности, к способу поджигания разряда в высокочастотном (далее ВЧ) источнике плазмы, который создает плазменный эмиттер в ионных источниках инжекторов атомарных пучков.

Одним из способов создания плазмы в ионном источнике является ВЧ индуктивный разряд. Принцип следующий: в плазменную камеру ионного источника (сделанной из керамики или кварца, обычно цилиндрической формы с диаметром от единиц до десятков сантиметров) подается рабочий газ (водород, дейтерий). Снаружи камеры установлена ВЧ антенна из нескольких витков медной трубки с индуктивностью единицы мкГн, на которую подается ВЧ напряжение с амплитудой от сотен Вольт до нескольких кВ с частотой от ~1 МГц до нескольких МГц и выше, мощностью от ~100 Вт до ~100 кВт (в зависимости от конкретного ионного источника).

Ток в ВЧ антенне создает внутри плазменной камеры электромагнитное поле. Начальная ионизация газа может возникнуть, если созданы необходимые условия для пробоя газа, которые определяются кривыми Пашена, или есть затравочные заряженные частицы. При стандартных рабочих параметрах ВЧ антенна создает вихревое электрическое поле всего лишь до ~20 В/см. Электрическое поле, создаваемое между крайними витками ВЧ антенны даже при подаче на ВЧ антенну до 20 кВ (амплитудное значение), может быть на два порядка больше, но в большинстве конструкций ионных источников оно экранировано внутренним проводящим экраном с продольными щелями, защищающими стенку камеры от тепловых потоков плазмы и напыления. Нормальное рабочее давление в плазменной камере может быть в диапазоне от ~0,5 до ~5 Па. При таких параметрах условия по Пашену для начального пробоя газа не создаются.

Для инициирования разряда необходимо специальное устройство - поджиг (например, накаливаемая шпилька, эмитирующая затравочные электроны, или миниатюрный источник плазмы, или применение других способов, описанных ниже). Далее ВЧ газовый разряд (плазма) поддерживается переменным вихревым электрическим полем с требуемой ВЧ мощностью, подводимой к ВЧ антенне, при поддерживаемом в плазменной камере рабочем давлении за счет постоянного напуска газа. Из плазменной камеры с помощью ионно-оптической системы извлекаются ионы, ускоряются и формируется пучок. В некоторых случаях, без защитного экрана в ВЧ источниках плазмы при создании на ВЧ антенне более высокого (в 1,5-2 раза) напряжения, чем при нормальном режиме работы с газовым разрядом, и при значительном увеличении давления в плазменной камере в начальный момент, или применив оба этих варианта, можно создать условия для пробоя газа.

Известен способ улучшения воспламенения на этапах плазменного травления или плазменного осаждения US 7279429 B1, который используется при производстве полупроводников. На время поджига разряда в камеру осуществляется напуск другого газа, в котором легче происходит начальная ионизация. Как правило, это токсичные хлорсодержащие или бромсодержащие газы, работа с которыми в обычных научных исследованиях запрещена.

Также применяют установку накаливаемой вольфрамовой спирали (или шпильки) на заднем фланце плазменной камеры («Performance of the SSC RF-driven volume source», K. Saadatmand, N.C. Okay, Proceedings of the 1992 Linear Accelerator Conference, Ottawa, Ontario, Canada). При протекании тока через шпильку она разогревается и эмитирует затравочные электроны, которые ускоряются в переменном вихревом электрическом поле и инициируют разряд. Этот вариант поджига имеет широкое применение, в частности, для нагревных инжекторов, которые создаются для токамака ИТЕР, а также применяется в ионных источниках для ускорителей. Недостаток такого поджига - высокая вероятность перегорания шпильки.

В патенте US 8887683 В2 представлено компактное электромагнитное устройство плазменного зажигания - четвертьволновой коаксиальный резонатор для получения плазмы коронного разряда. Он имеет полость, состоящую из концентрических элементов, которые вложены друг в друга, и заканчивающуюся отверстием. В полости расположен центральный проводник с наконечником. В четвертьволновом резонаторе создаются сверхвысокочастотные (СВЧ) колебания и на кончике центрального проводника образуется плазма коронного разряда. В патенте это устройство представлено как поджиг для воспламенения горючих материалов в камерах сгорания двигателей внутреннего сгорания (аналог свечи зажигания), но такая конструкция может быть использована и для поджига плазменного разряда. Недостатком этого устройства является то, что для его работы требуется дополнительный 2,45 ГГц СВЧ источник питания, волновод, согласователь и др. СВЧ элементы, что значительно усложняет и удорожает ионный источник.

Применение варианта со значительным увеличением напряжения на ВЧ антенне может быть использовано в конструкциях без внутреннего защитного экрана, когда нет экранировки продольного электрического поля вдоль ВЧ антенны. Также этот метод имеет конструктивные ограничения: значительное увеличение напряжения на ВЧ антенне может привести к электрическим пробоям снаружи плазменной камеры, либо между витками ВЧ антенны, либо с ВЧ антенны на металлические детали плазменной камеры (фланцы, крепежные элементы и др.).

Как правило, для различных типов источников плазмы требуется индивидуальная конструкция зажигания. В качестве прототипа настоящего изобретения выбрано решение, описанное в статье «RF plasma emitter of diagnostic neutral beam injector for the W7-X stellarator» I.V. Shikhovtsev, I.I. Averbukh, A.A. Ivanov, V.V. Mishagin, A.A. Podyminogin (Fusion Engineering and Design 82 (2007) 1282-1286). В ВЧ источнике плазмы с цилиндрической керамической стенкой и внешней ВЧ антенной инициирование разряда происходит при подаче импульса напряжения на узел поджига, совмещенный с каналом напуска газа водорода в плазменную камеру. Разряд в узле поджига происходит между центральным электродом (катодом) и вставкой из молибдена (анодом) по внешней поверхности керамической трубки диаметром 7 мм. Недостатком конструкции является то, что часть узла поджига, где происходит разряд, вдвинута внутрь плазменной камеры, поэтому конструкция работает в источниках плазмы с малой длительностью работы - сотни миллисекунд. В источниках плазмы с длительностью работы несколько секунд эта часть узла поджига, вдвинутая внутрь плазменной камеры, под воздействием плазмы распыляется и оплавляется.

Настоящее изобретение позволяет увеличить длительность работы источника плазмы до десятков секунд и более, не разрушая при этом катодную часть устройства поджигания плазмы. Устройство поджигания плазмы не выступает внутрь плазменной камеры за плоскость фланца, на которой оно установлено.

На фиг.1 показана упрощенная схема разрядной камеры ВЧ источника плазмы. Она состоит из цилиндрической керамической камеры (1) с торцов уплотненной на металлические фланцы (2 и 3). Фланцем в виде кольца (2) она пристыковывается к ионно-оптической системе или расширительной плазменной камере (на рисунке не показаны). На заднем фланце (3) в центре установлено устройство поджигания плазмы (4), совмещенное с напуском газа. Также в этом фланце установлены постоянные магниты для лучшего удержания плазмы, вводы охлаждения (на рисунке не показаны) для самого фланца и внутреннего защитного медного (или молибденового) экрана (5). Продольные щели (6) в экране позволяют проникать внутрь камеры электромагнитному полю, создаваемому внешней ВЧ антенной (7), состоящей из нескольких витков медной трубки, намотанных на цилиндрическую керамическую камеру (1). Газовый ВЧ разряд возникает в плазменной камере при подаче газа (водорода или дейтерия) в нее через изолированно установленный электромагнитный импульсный клапан (8) (далее клапан), подаче ВЧ напряжения на ВЧ антенну (7) и срабатывании поджига, который создает затравочные электроны для ионизации газа.

В предложенной конструкции (фиг.2) устройство поджигания плазмы (4) установлено на заднем фланце (3) и не выступает за плоскость фланца внутрь плазменной камеры. На фиг.3 изображено устройство поджигания плазмы крупным планом. На корпусе устройства поджигания плазмы (4) изолированно установлен электромагнитный импульсный клапан (8 - фиг.2), внутри расположен керамический изолятор в виде трубки (12) (далее керамический изолятор), изоляторы (17), внутри керамического изолятора расположен катодный молибденовый электрод (10) (далее электрод) с двумя радиальными отверстиями (на рисунке не обозначены), молибденовый анод (15) (далее анод). Внутри электрода (10) имеется канал для протекания рабочего газа (9), на одном конце электрода (10), где диаметр равен внутреннему диаметру керамического изолятора (12), расположены два паза для прохода газа (13), а между электродом (10) и анодом (15) есть искровой зазор (14) по поверхности керамического изолятора (12).

Устройство работает следующим образом: рабочий газ подается в плазменную камеру через клапан (8), где газ от клапана проходит в канале (9) внутри электрода (10), затем через два радиальных отверстия выходит в зазор (11) между электродом (10) и керамическим изолятором (12). Далее проходит через два паза (13) в электроде (10) и попадает в область поджигового разряда (14) по внутренней поверхности керамического изолятора (12). Клапан (8) гальванически развязан по потенциалу с корпусом устройства поджигания плазмы (4) с помощью изоляторов (17). Разряд между электродом (10) и анодом (15) инициируется подачей импульса высокого напряжения до ~3 кВ между корпусом устройства поджигания плазмы (4), соединенным с анодом (15), и корпусом клапана (8), соединенным с электродом (10). На электрод подается минусовой потенциал. Происходит пробой газа между электродом (10) и анодом (15) по поверхности керамического изолятора (12) в зазоре (14).

Напряжение на устройстве поджигания плазмы подается через ~1 мс после установления ВЧ напряжения на ВЧ антенне (7). Газ напускается в разрядную камеру заранее, ~100 мс. Образовавшаяся вдоль внутренней поверхности керамического изолятора (12) короткая искра в области (14) создает электроны, которые попадают внутрь плазменной камеры и ускоряются электрическим полем, создаваемым ВЧ антенной (7). Искровой зазор находится в пределах от 1 до 1,5 мм.

Схема блока питания устройства поджигания плазмы показана на фиг.4. Выходной импульс зажигания формируется разрядом конденсатора С емкостью 6 мкФ на импульсный повышающий трансформатор Tr с коэффициентом передачи 1:3 через тиристорный ключ T. Вторичная обмотка трансформатора и устройство поджигания плазмы соединены радиочастотным кабелем. При зарядке конденсатора С от источника S через резистор R до напряжения 1000 В, выходное напряжение модуля составляет 3 кВ, а энергия в импульсе составляет около 3 Дж. Тиристорный ключ запускается формирователем импульса F, синхронизация которого осуществляется сигналом по оптическому кабелю.

Осциллограммы выходных напряжения и тока показаны на фиг.5. Синий луч - осциллограмма тока первичной обмотки повышающего импульсного трансформатора, амплитуда которого равна 1000 А. Оранжевый луч - напряжение на устройстве поджигания плазмы. При напряжении ~2 кВ происходит пробой между электродом и анодом по поверхности керамического изолятора.

Изобретение относится к области плазменной техники, в частности к способу поджигания разряда в высокочастотном (ВЧ) источнике плазмы, который создает плазменный эмиттер в ионных источниках инжекторов атомарных пучков. Технический результат - увеличение длительности работы источника плазмы до десятков секунд и более, не разрушая при этом катодную часть устройства поджигания плазмы. На заднем фланце плазменной камеры в центре установлено устройство поджигания плазмы, совмещенное с напуском газа. Устройство не выступает за плоскость фланца внутрь плазменной камеры. Рабочий газ подается в плазменную камеру через электромагнитный импульсный клапан, установленный на корпусе устройства. Газ от клапана проходит в канале внутри катодного молибденового электрода, затем через два радиальных отверстия выходит в зазор между электродом и керамическим изолятором в виде трубки. Далее проходит через два паза в электроде, имеющем в этом месте диаметр, равный внутреннему диаметру керамической трубки, и попадает в область поджигового разряда по внутренней поверхности керамической трубки. Клапан гальванически развязан по потенциалу с корпусом поджига с помощью изоляторов. Разряд между катодом и молибденовым анодом инициируется подачей импульса высокого напряжения до ~3 кВ между корпусом устройства, соединенным с анодом, и корпусом клапана, соединенным с катодным электродом. На катод подается минусовой потенциал. 5 ил.

Устройство поджигания плазмы в высокочастотном источнике плазмы, состоящее из корпуса, на котором изолированно установлен электромагнитный импульсный клапан, внутри корпуса расположен керамический изолятор в виде трубки, внутри керамического изолятора расположен катодный молибденовый электрод, на торце керамического изолятора в виде трубки расположен молибденовый анод, отличающееся тем, что устройство поджигания плазмы установлено на заднем фланце и не выступает за плоскость фланца внутрь плазменной камеры; канал для протекания рабочего газа проходит внутри катодного молибденового электрода и далее между катодным молибденовым электродом и керамическим изолятором в виде трубки; на одном конце катодного молибденового электрода, где диаметр равен внутреннему диаметру керамического изолятора в виде трубки, расположены два паза для прохода газа в искровой зазор для пробоя газа между катодным молибденовым электродом и молибденовым анодом по поверхности керамического изолятора в виде трубки.