ГЕРМЕТИЗАЦИЯ ПЛАЗМЕННОГО ТИГЛЯ
SEALING OF PLASMA CRUCIBLE

Настоящая группа изобретений относится к герметизации плазменного тигля и к герметизированному плазменному тиглю.
В PCT/GB2008/003829 мы описали и заявили приводимый в действие микроволновой энергией источник света, имеющий:
• твердый плазменный тигель из материала, который является прозрачным для выхода из него света, причем плазменный тигель имеет герметизированную полость в плазменном тигле,
• клетку Фарадея, окружающую плазменный тигель, причем эта клетка является по меньшей мере частично светопропускающей для выхода света из плазменного тигля, являясь в то же время удерживающей микроволны,
• находящийся в полости наполнитель из материала, возбуждающегося микроволновой энергией с образованием в нем светоизлучающей плазмы, и
• расположенную внутри плазменного тигля антенну для передачи наполнителю индуцирующей плазму микроволновой энергии, причем эта антенна имеет:
• соединительную деталь, простирающуюся наружу плазменного тигля, для соединения с источником микроволновой энергии;
причем компоновка такова, что свет от плазмы в полости может проходить сквозь плазменный тигель и распространяться из него через клетку.
В той заявке мы дали следующие определения:
"прозрачный" означает, что материал, из которого сделана деталь, описываемая как прозрачная, является светопроницаемым или просвечивающимся;
"плазменный тигель" означает замкнутое тело, удерживающее плазму или предназначенное для удержания плазмы, причем последняя находится в полости, когда наполнитель полости возбуждается микроволновой энергией от антенны. В данной заявке мы продолжаем использовать это определение, с оговоркой, что оно находится в контексте герметизации тигля, который не содержит плазму в процессе герметизации. Соответственно, как использовано здесь, это определение включает слова "предназначенное для".
В данной заявке мы даем определение:
"наполненный плазменный тигель" для обозначения прозрачного плазменного тигля, имеющего герметизированный в его полости возбуждающийся, светоизлучающий наполнитель.
Наполненный плазменный тигель как таковой может иметь антенну, неподвижно герметизированную внутри тигля, возможно в полости, или вновь вводимую в тигель, в который для использования тигля вставляют антенну.
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предоставить усовершенствованный способ герметизации наполненного плазменного тигля.
Согласно одному аспекту изобретения предоставлен способ герметизации наполненного плазменного тигля, имеющего поверхность, причем этот способ заключается в стадиях:
• обеспечения плазменного тигля из прозрачного материала, имеющего открытую полость, причем полость имеет раскрыв в упомянутой поверхности;
• обеспечения трубки из материала, сплавляемого с прозрачным материалом, расположения трубки простирающейся от поверхности на раскрыве тигля и герметичного уплотнения трубки к тиглю в сообщении с полостью;
• введения возбуждающегося материала в полость через трубку;
• вакуумирования полости через трубку;
• введения инертного газа в полость через трубку; и
• герметизации полости, заключающей в себе возбуждающийся материал и инертный газ, посредством герметизации трубки на раскрыве или близко к нему.
Предпочтительно, стадия герметизации включает в себя сплющивание и расплавление трубки.
Хотя в некоторых вариантах осуществления не будет использоваться описываемая далее пробка, в других вариантах осуществления:
• полость снабжают ограничителем для пробки на раскрыве полости, и
• располагают пробку на раскрыве с упором в ограничитель через трубку, причем пробка и раскрыв являются сопрягаемыми по форме для расположения пробки с целью ее герметизации в раскрыве и снабжены зазором и/или локальной формой для обеспечения возможности протекания газа из полости и в нее.
В еще одном альтернативном варианте пробка может быть герметично уплотнена относительно плоской поверхности тигля.
В случае, когда пробка не используется, трубка может быть расположена на поверхности тигля и сплавлена с ней. Альтернативно, трубка может быть расположена в расточенном отверстии в поверхности тигля на раскрыве полости и вплавлена в него.
В некоторых вариантах использования наполненного плазменного тигля он будет поддерживаться с помощью трубки, которая будет оставаться простирающейся из тигля. В других вариантах использования трубка будет удалена вплотную к уплотнению, а тигель будет поддерживаться со стороны его тела.
Согласно еще одному аспекту изобретения предоставлен наполненный плазменный тигель, имеющий:
• трубку или ее остаток, простирающиеся из герметизированного раскрыва.
Вторая трубка или ее остаток, простирающиеся из герметизированного раскрыва на противоположной поверхности тигля.
В случае, когда тигель должен быть из кварца, несмотря на то, что для формирования тигля и трубки возможно формование и спекание, традиционно тигель формируют из блока кварца, имеющего проделанную в нем полость, и к этому блоку герметично прикрепляют кварцевую трубку посредством нагревания и плавления. Заключительную герметизацию данного тигля традиционно завершают с помощью запаивания, то есть локального нагревания трубки близко к тиглю, давая атмосферному давлению сплющить ее при размягчении, убирая нагревание и оттягивая оставшуюся трубку.
Для очистки полости после сверления, в частности для удаления дисперсных загрязнений, склонных мешать плазменному разряду, полость предпочтительно подвергают ультразвуковой очистке, а затем огневому полированию для усиления проницаемости и подавления распространения трещин. Для облегчения этого, полость предпочтительно высверливают прямо насквозь тигля, а затем после полирования герметично заделывают на его конце, противоположном трубке.
Пробка может быть вплавлена в раскрыв или по меньшей мере удерживаться сплющенной и герметизированной трубкой.
Плавление кварцевой трубки легко выполняют, используя традиционные факелы или аргоновые плазменные факелы.
Обычно тигель, трубка и пробка, если она предусмотрена, будут изготовлены из одного и того же материала. В случае, когда материалом является поликристаллическая керамика, ее более легко формовать в сыром состоянии и обжигать до конечного состояния. Менее легко герметизировать данный тигель посредством сплющивания и расплавления трубки, и использование пробки более вероятно. На поверхности раздела между пробкой и тиглем может быть предусмотрен материал фритты для обеспечения плавкой, герметизируемой поверхности раздела между ними. Обычно фритту изначально предусматривают на пробке. Фритта может быть легко расплавлена за счет использования лазера, который может быть выполнен с возможностью проходить по керамическому материалу с фокусировкой на материале фритты.
В случае, когда должна быть использована пробка, ее и/или раскрыв полости формируют с порогом, посредством чего пробку легко помещают на свое место на пороге, обеспечивающем ограничитель. Пробка может быть тонкой по отношению к ее диаметру - она и раскрыв, как правило, имеют круглое поперечное сечение - но, как правило, она будет иметь значительную толщину для того, чтобы у нее не было возможности оказаться невыровненной внутри трубки при позиционировании. В качестве альтернативы ступенчатой конфигурации с порогом раскрыв и пробка могут быть конусообразными, при этом конус обеспечивает посадочное место. Такая конфигурация является удовлетворительной для вакуумирования, но может обеспечивать самогерметизацию при введении инертного газа. Для этого может быть предусмотрен специальный газовый проход в форме неглубокой плоской выемки или канавки вдоль пробки. Может быть желательно предусмотреть такую плоскую выемку или канавку даже при ступенчатой конфигурации, в частности, чтобы избежать преждевременного закрытия на пороге при введении инертного газа.
Традиционно и, в частности, для усиления прогнозируемого микроволнового резонанса в тигле, размеры пробки подбирают так, чтобы она была локально заподлицо с плазменным тиглем при позиционировании на ограничителе. Тем не менее, можно предположить, что расплавление для герметизации может быть более легким, если пробка выступает в трубку. Дальнейшая герметизация трубки относительно стенки трубки делает пространство конденсации возбуждающегося материала более прогнозируемым. Учитываемые при этом соображения заключаются в том, что остаток трубки будет, вероятно, обеспечивать непрогретое место, на котором будет, вероятно, конденсироваться возбуждающийся материал, и, что важно, чтобы материал имел поверхность в готовом сообщении с полостью, посредством чего материал может испаряться в полость, участвуя в плазме.
Предпочтительно, при применении остаток трубки используют в качестве канала, через который импульс электрического поля может быть впущен в тигель для инициирования в нем разряда.
Как правило, полость будет расположена на центральной оси тигля.
Для светоизлучающего применения наполненный плазменный тигель будет, как правило, иметь проход, занятый антенной. Проход может находиться на центральной оси тигля, напротив пробки или даже в пробке. В каждом из этих случаев полость и проход будут, как правило, соосными. Альтернативно, антенный проход может быть смещен к одной стороне полости.
Чтобы помочь пониманию изобретения, далее в качестве примера будет описан ряд конкретных вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фигура 1 представляет собой вид в перспективе тигля и трубки, подготовленных для герметизации в соответствии с изобретением;
Фигура 2 представляет собой вид сбоку в разрезе тигля и трубки по Фигуре 1;
Фигура 3 представляет собой вид сбоку тигля и трубки, нагреваемых для герметизации друг с другом;
Фигура 4 представляет собой аналогичный вид трубки, нагреваемой для герметизации тигля;
Фигура 5 представляет собой аналогичный Фигуре 2 вид сбоку в разрезе наполненного плазменного тигля, герметизированного в соответствии с изобретением;
Фигура 6 представляет собой схематичный вид наполненного плазменного тигля по Фигуре 1 при применении;
Фигура 7 представляет собой аналогичный Фигуре 4 вид, показывающий альтернативный способ нагревания трубки для герметизации тигля;
Фигура 8 представляет собой аналогичный Фигуре 5 вид варианта наполненного плазменного тигля, герметизированного в соответствии с изобретением;
Фигура 9 представляет собой аналогичный Фигуре 5 вид еще одного варианта наполненного плазменного тигля, герметизированного в соответствии с изобретением; а
Фигура 10 представляет собой аналогичный Фигуре 5 вид еще одного варианта наполненного плазменного тигля, герметизированного в соответствии с изобретением.
Обращаясь к Фигурам с 1 по 6, кварцевый тигель 1, подлежащий наполнению благородным газом и порцией возбуждающегося плазменного материала, выполнен в виде толстого диска/короткого круглого цилиндра 2, определяющего эффективные размеры законченного тигля и имеющего центральную полость 3, отрытую на одном конце тигля раскрывом 4. Раскрыв находится в виде пары расточенных отверстий 5, 6, причем внутреннее отверстие 5 является более глубоким, чем наружное отверстие 6, что обеспечивает заметное приращение 7 по радиусу. Трубку 8, имеющую номинально такую же толщину стенки, как и приращение, прикрепляют к цилиндру посредством нагревания двусторонней горелкой 9. Нагреванием и вставкой управляют таким образом, чтобы гарантировать, что между цилиндром и трубкой создано герметичное уплотнение, с минимальным преграждением всего внутреннего канала 10 трубки, продолжающегося мимо трубки во внутреннее расточенное отверстие 5. С того же конца тигля, откуда простирается трубка, в цилиндр простирается антенный проход 11 с радиусом, равным четверти диаметра цилиндра.
Через данную трубку в полость опускают гранулу 12 возбуждающегося материала, а за ней круглую цилиндрическую пробку 13. Она имеет радиальный зазор в канале 10 и останавливается на пороге 14 между расточенным отверстием 5 и полостью 3. Чтобы обеспечить исходное газовое сообщение из полости мимо пробки, она имеет мелкую канавку 15 по всей своей длине, которая продолжается в ее внутренней поверхности 16 за пределы радиальной протяженности порога.
Дальний конец трубки соединен с вакуумным насосом (не показан как таковой) через Y-образный фитинг, имеющий первый клапан и патрубок 17 для соединения с насосом и второй клапан и патрубок 18 для соединения с источником благородного газа при регулируемом, отрицательном давлении (источник как таковой также не показан). Полость вакуумируют через клапан 17, который закрывают после вакуумирования. Затем полость заполняют благородным газом через клапан 18, который опять же закрывают после заполнения. Газ может достигать полости через канавку 15.
Заключительной стадией при формировании наполненного плазменного тигля является нагревание трубки с помощью горелки 19. Нагревание продолжают до тех пор, пока кварцевый материал трубки не размягчится и превышение атмосферного давления над внутренним давлением благородного газа не вызовет сплющивание трубки самой на себя. Пробка, находящаяся на пороге 14, немного простирается в трубку 8 и мимо внешней поверхности конца тигля, как показано с помощью размера 20. Нагревание проводят точно за этим размером, посредством чего по мере сплющивания трубки она усаживается на угол 21 наружного конца пробки. Таким образом полость герметизируют дважды за счет того, что любое остаточное пространство 22 на конце пробки герметично закрыто от полости на углу 21, а полное закрытие трубки достигается в «запае» 23 трубки, когда дальний концевой кусок трубки оттягивают от тигля после сплющивания трубки.
Фигура 6 показывает этот наполненный плазменный тигель, смонтированный для применения с окружающей его клеткой C Фарадея и простирающейся в антенный проход 11 антенной A для подачи микроволн от их источника S. Для начала плазменного разряда в полости пусковой зонд P располагают его кончиком T рядом с коротким остатком 24 трубки между запаем 23 и задним концом тигля.
В варианте, показанном на Фигуре 7, трубка является более длинной, и ее изначально герметизируют и запаивают в позиции 31, удаленной от тигля как такового, чтобы «пленить» благородный газ и возбуждающийся материал в устройстве, таким же образом, как в нашем более раннем патенте № EP 1831916, касающемся герметизации баллона лампы. Теперь устройством можно свободно манипулировать за Y-образный фитинг. Затем трубку герметизируют и запаивают в точке 32, как описано выше для пробки. Данная компоновка обеспечивает возможность удобного манипулирования промежуточным куском 33 трубки, подлежащим выбрасыванию, обеспечивая в свою очередь возможность равномерно повторяющегося производства.
На Фигуре 8 показан еще один вариант, в котором первоначально формируют полость 53 в виде сквозного отверстия от торцевой поверхности 501 до торцевой поверхности 502 цилиндра 52 тигля. Это отверстие образовано с единственными расточенными отверстиями 561, 562 на обеих поверхностях. Перед герметизацией полость подвергают очистке ультразвуком и затем огневому полированию, чтобы удалить какую-либо сверлильную стружку, которая в противном случае могла бы мешать плазменному разряду при применении, чтобы удалить участки распространения трещин и улучшить проницаемость. После полирования в каждое отверстие герметизируют трубку 581, 582. Одну трубку 581 герметизируют и запаивают, оставляя короткий остаток 641. Другую также герметизируют, после введения возбуждающегося материала и благородного газа, как описано выше. Данный вариант может обеспечить при применении непрогретое место на наружном коротком остатке тигля, то есть на том конце, из которого собирается свет для использования. Ожидается, что данный конец остается более холодным, чем другой конец, который будет иметь свой короткий остаток в кожухе, не показан, и особенности которого будут, вероятно, меняться в зависимости от применения тигля.
Еще один вариант показан на Фигуре 9. В нем два конца полости 73 оба закрыты пробками 831, 832 и остатками 841, 842 трубок 881, 882. Преимущество данной компоновки над компоновкой по фигуре 8 заключается в обеспечении защиты тигля/трубки и уплотнений-запаев трубок от прямого контакта с газом в полости, который поддерживает плазму в центре полости. Необходимо заметить, что данный вариант имеет два пространства 821, 822 на удаленных от полости концах пробок. Хотя трубка будет герметизирована с учетом герметичного уплотнения, образующегося по углам 81 пробок, можно ожидать, что данное уплотнение может быть не герметичным, обеспечивая возможность конденсации возбуждающегося материала в этих пространствах. Вследствие этого для максимальной эффективности, возбуждающийся материал предпочтительно предусматривают с достаточным избытком для того, чтобы была возможность полного заполнения данных пространств и даже канавки 752 в пробке, через которую вводят благородный газ, а другую пробку делают без канавки, поскольку через нее газ не вводят.
Изобретение не предназначено ограничиваться особенностями описанных выше вариантов осуществления. Например, ступенчатое расточенное отверстие и круглая цилиндрическая пробка могут быть заменены комплементарно скошенными на конус отверстием и пробкой. Кроме того, ожидается, что имеется возможность герметичного прикрепления трубки к тиглю без расточенного отверстия 6 за счет выполнения данной операции герметизации на фрезерном станке.
Такой плазменный тигель 92 показан на Фигуре 10. Он имеет сквозное отверстие 93 и две трубки 981, 982, изначально герметично прикрепленных встык к торцевым поверхностям 901, 902 тигля. Одну 981 из трубок закрывают перед наполнением тигля. Поскольку нет разницы давлений на протяжении трубки, когда ее запаивают, ее можно обрабатывать на токарном станке по стеклу, формируя ее имеющей плоский конец 983. Это позволяет придавать плазменной полости точно заданный размер с этой стороны. Вследствие допусков и доступности стандартной трубки, предполагается, что внутренний диаметр трубок 901, 902 будет, вероятно, слегка превышать внутренний диаметр отверстия 93. После вакуумирования, дозирования и заполнения газом, другую трубку 902 запаивают аналогичным образом, хотя целесообразной является меньшая обработка для закрытия размеров. При применении плоский конец 983, вероятно, будет наружным, возможно закрытым клеткой Фарадея (не показана) и подвергающимся воздействию внешней среды. Другой запаянный конец, вероятно, будет закрыт опорной конструкцией (также не показана). В дополнение к плоскому концу 983 мы успешно испытали полусферический конец.
В еще одном альтернативном варианте, в отличие от просверленного насквозь тигля, который может быть обработан так, как упоминалось выше, для удаления микротрещин, или даже секции трубки с толстой стенкой, для тех вариантов применения, где срок службы продукта не является первоочередной проблемой, возможно сверлить полость с одной стороны куска кварца. Опять же можно предусмотреть, что тигель мог бы быть образован из спеченного материала. В подобных примерах только одна единственная трубка может быть герметично прикреплена встык вокруг раскрыва полости и герметизирована описанным способом.
Обычно, при использовании из кварцевого тигля, работающего на 2,4 ГГц, тигель может быть округло цилиндрическим с диаметром 49 мм и толщиной 21 мм. Диаметр полости не считается критически важным и может варьироваться между 1 мм для низкой мощности и 10 мм для высокой мощности. Мы использовали герметизирующую трубку, имеющую толщину стенок между 1 мм и 3 мм. Также мы испытали тигли с запаянными трубками до 30 мм в длину от поверхности тигля. Мы отдаем предпочтение внутренней длине запаянной трубке, обратной к лицевой поверхности, составляющей между нулем и 10 мм. Предпочтительное расстояние составляет 5 мм. Предполагается, что обеспечение такой длины трубки является подходящим для удерживания тигля при последующей обработке и/или его применении.