УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ И ПОДДЕРЖАНИЯ СВЧ-РАЗРЯДОВ В ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРАХ
DEVICE FOR EXCITING AND MAINTAINING MICROWAVE DISCHARGES IN PLASMA CHEMICAL REACTORS

Область техники, к которой относится изобретение
Область применения изобретения. Если таких областей несколько, то указываются преимущественные.
Устройство относится к СВЧ генераторам низкотемпературной плазмы (СВЧ плазматронам), предназначенным преимущественно для использования в плазмохимических технологических процессах с повышенным требованием к чистоте синтезируемого продукта. К таким процессам относится, в частности, синтез из газовой фазы особо чистого и специально легированного диоксида кремния с осаждением синтезируемого материала в виде высокопрозрачных аморфных слоев на боковой поверхности труб и стержней из кварцевого стекла с целью последующего изготовления из полученных заготовок оптических волноводов для интегральной и волоконной оптики.
Уровень техники
Сведения об известных нам аналогах с выделением из них аналога, наиболее близкого к изобретению (прототипа).
Действие устройства основано на создании в потоке газа протяженного плазменного столба, играющего роль плазменного волновода, в котором плазма поддерживается за счет переноса СВЧ энергии возбужденными в плазменном столбе и распространяющимися вдоль него от точки приложения электрического СВЧ поля поверхностными плазменными волнами.
Известны несколько устройств, в которых реализованы разряды этого типа. Их общим полезным свойством является отсутствие электродов, а также какого-либо иного контакта плазмы с токопроводящими частями плазматрона.
Известно устройство для возбуждения и поддержания протяженного разряда на поверхностной плазменной волне в заполненной газом диэлектрической трубке, пересекающей зазор, созданный между металлическими частями плазматрона, благодаря которому в пристеночной области трубки формируется повышенная напряженность электрического СВЧ поля, направленного параллельно оси трубки. Такая конфигурация приводит к передаче СВЧ энергии от источника плазме за счет возбуждения в ней поверхностных плазменных волн (патент США 4810933).
Известна разновидность такого плазматрона, в которой зазор с повышенной напряженностью электрического СВЧ поля образован вследствие сокращения расстояния между широкими стенками металлического волновода прямоугольного сечения. В такой конструкции волновод снабжен двумя плавными переходами на поперечное сечение с меньшей шириной узкой стенки (патент US 6224836 В1).
Известен плазматрон, в котором поверхностные плазменные волны возбуждаются на поверхности цилиндрического диэлектрического стержня, размещенного внутри диэлектрической трубки с газом при пониженном давлении. Стержень выполнят функцию диэлектрического СВЧ волновода, при помощи которого плазме передается энергия от источника СВЧ колебаний (патент US 5597624 A).
Наиболее близким к изобретению аналогом (прототипом) является плазматрон на основе волновода прямоугольного сечения, в котором плазма формируется внутри диэлектрической трубки, пересекающей волновод через отверстия в центре широких стенок. Внутри волновода, в области пересечения трубкой широких стенок выполнено устройство специальной формы для концентрации напряженности электрического СВЧ поля в пристеночной области трубки. Специальная форма концентрирующего СВЧ поле устройства обеспечивает эффективную передачу энергии от источника СВЧ колебаний поверхностным плазменным волнам (патент US 7799119 В2).
Раскрытие изобретения
Сущность изобретения как технического решения выражается в совокупности существенных признаков для достижения обеспечиваемого изобретением результата.
Сущность заявляемого изобретения как технического решения состоит в специальной конструкции СВЧ плазматрона, с помощью которой достигается возбуждение в потоке газа протяженного плазменного столба с подводом к плазме СВЧ энергии за счет возбуждения в плазменном столбе поверхностной плазменной волны.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, с указанием обеспечиваемого ею технического результата.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является обеспечение стабильной работы плазматрона на поверхностной плазменной волне в плазмохимических процессах, протекающих в широком диапазоне давлений плазмообразующего газа от нескольких Па до атмосферного.
Другой задачей является обеспечение однонаправленного распространения поверхностной волны в плазменном столбе с целью наиболее эффективного использования подводимой к плазме СВЧ энергии в плазмохимических процессах.
Признаки, используемые для характеристики изобретения.
10
Основу конструкции плазматрона составляет отрезок прямоугольного волновода, в котором возбуждается волна Н, несущая энергию от источника СВЧ колебаний к плазме. В центре широких стенок волновода, напротив друг друга имеются отверстия диаметрами D и d (D>d), через которые, перпендикулярно плоскости широкой стенки, походит диэлектрическая трубка. Трубка выполняет функцию плазмохимического реактора, в котором возбуждается плазма и через который протекает плазмообразующий газ вместе с газообразными химическими реагентами.
Первым признаком технического решения, характеризующим заявляемое изобретение, является полый концентратор в виде усеченного конуса, выполненный из токопроводящего материала. Концентратор формирует внутри волновода зазор z с повышенной напряженностью электрического СВЧ поля, направленного вдоль оси трубки-реактора. Наличие такого зазора необходимо для возбуждения поверхностной плазменной волны. В патентуемой конструкции зазор z образован внутренней поверхностью участка широкой стенки волновода вблизи границы отверстия с меньшим диаметром и торцом концентратора, присоединенного основанием к противоположной стенке волновода по границе отверстия большего диаметра и имеющим электрический контакт с ней. Внутренний диаметр конусного концентратора в области зазора z совпадает с диаметром отверстия в прилегающей к торцу концентратора широкой стенке волновода. Оптимальному согласованию, соответствующему максимальному коэффициенту передачи СВЧ энергии плазме, соответствует диапазон отношений диаметров основания D и вершины d усеченного конусного концентратора D/d от 1,1 до 5 и величина зазора z в интервале значений от λ/50 до λ/5, где λ - длина волны используемого источника СВЧ колебаний в вакууме.
Вторым признаком, характеризующим изобретение, является наличие в плазматроне терминирующего плазму устройства, при помощи которого достигается обрыв плазменного столба в заданном поперечном сечении трубки-реактора. Этим обеспечивается однонаправленное распространение поверхностной плазменной волны вдоль плазменного столба и тем самым задается направление распространения плазмы в трубке-реакторе. Терминирующее устройство представляет собой открытый с одной стороны резонатор коаксиального типа, образованный отрезками металлических трубок, соединенных между собой задней стенкой из токопроводящего материала так, что длина внутреннего отрезка трубки L с погрешностью не более 5% от рабочей длины волны λ равна N*λ/4, где N - нечетное число. Резонатор расположен поверх трубки-реактора, коаксиально с ней так, что трубка-реактор проходит внутри резонатора. Действие терминирующего устройства основано на том, что в результате деструктивной интерференции возбуждающей и отраженной от задней стенки резонатора волн напряженность СВЧ поля вблизи свободного конца внутренней трубки коаксиального резонатора минимальна. Малая напряженность электрического СВЧ поля, недостаточная для поддержания плазмы, приводит к обрыву плазменного столба, что делает невозможным распространение плазмы в трубке-реакторе в сторону задней стенки терминирующего резонатора.
В зависимости от преимущественного назначения плазматрона терминирующий резонатор коаксиального типа располагают относительно волновода с трубкой-реактором двумя способами.
Вариант 1, оптимальный для плазмохимических процессов, протекающих при пониженном давлении, когда нагрев стенок трубки-реактора плазмой не приводит к их термическому разрушению. В этом случае длина плазменного столба может достигать нескольких метров. Предпочтительным для этого варианта с точки зрения оптимальной передачи СВЧ энергии плазме является присоединение внешней трубки терминирующего резонатора снаружи к широкой стенке волновода со стороны отверстия меньшего диаметра d. Столб плазмы, возникшей в трубке-реакторе, выходит наружу от точки приложения СВЧ поля в зазоре z в сторону отверстия большего диаметра D, проходя через рупорное расширение, образованное внутренней поверхностью концентратора, формирующего зазор z, как это схематично показано на рисунке 1.
Вариант 2, оптимальный для плазмохимических процессов, протекающих при давлениях близких к атмосферному. В этом случае температура газа в плазме велика, и контакт плазмы со стенкой трубки приводит к ее термическому разрушению. Поэтому плазмообразующий газ подают в закрученном относительно оси трубки-реактора режиме. Закрутка центрирует плазму на оси трубки-реактора и тем самым препятствует ее контакту со стенками. Для этого варианта технологического плазматрона важным фактором является возможность доступа подложки к области плазменной струи с максимальной температурой, которая быстро убывает с расстоянием от точки приложения СВЧ поля в зазоре z. Поэтому предпочтительным для этого варианта является присоединение терминирующего резонатора снаружи к широкой стенке волновода со стороны отверстия большего диаметра D, как это схематично показано на рисунке 2.
Краткое описание чертежей
Рисунок 1. СВЧ плазматрон для возбуждения плазмы на поверхностной волне при пониженном давлении плазмообразующего газа.
Рисунок 2. СВЧ плазматрон для возбуждения плазмы на поверхностной волне при давлениях близких к атмосферному.
1 - металлический СВЧ волновод прямоугольного сечения; 2 - концентратор электрического СВЧ поля; 3 - диэлектрическая трубка-реактор; 4 - плазма; 5 - терминирующий плазму резонатор коаксиального типа.
Осуществление изобретения
Как может быть осуществлено изобретение с реализацией указанного заявителем назначения.
01
Пример 1. Плазматрон на поверхностной плазменной волне для работы при пониженном давлении плазмообразующего газа. Пусть требуется возбудить плазменный столб в потоке кислорода внутри трубки с внутренним диаметром 16 мм и толщиной стенки 2 мм при давлении 5 кПа. Для этого в медном прямоугольном волноводе с внутренним сечением 45*90 мм возбуждаем СВЧ волну H при помощи магнетрона, работающего на частоте 2450 МГц (соответствующая этой частоте длина волны в вакууме, λ=122 мм). В конструкции плазматрона, схематично представленной на рисунке 1, задаем следующие габариты деталей: D=40 мм, d=22 мм, L=30 мм. Величину зазора z делаем равной 12 мм. При мощности магнетрона 1-5 кВт, в трубке возникает плазменный столб длиной 200-700 мм.
01
Пример 2. Плазматрон на поверхностной плазменной волне для работы при давлении плазмообразующего газа близком к атмосферному. Пусть требуется возбудить плазменный столб в потоке кислорода внутри трубки с внутренним диаметром 16 мм и толщиной стенки 2 мм при давлении 100 кПа. Для этого в медном прямоугольном волноводе с внутренним сечением 45*90 мм возбуждаем СВЧ волну H при помощи магнетрона, работающего на частоте 2450 МГц (соответствующая этой частоте длина волны в вакууме, λ=122 мм). В конструкции плазматрона, схематично представленной на рисунке 2, задаем следующие габариты деталей: D=40 мм, d=22 мм, L=30 мм. Величину зазора z делаем равной 12 мм. В трубку подаем кислород с закруткой потока вокруг оси трубки. При мощности магнетрона 1-5 кВт, на выходе из трубки возникает плазменный столб протяженностью 120-100 мм.