ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ИСТОЧНИК ПЛАЗМЫ
HIGH-FREQUENCY PLASMA SOURCE

Изобретение относится к плазменной технике и преимущественно предназначено для использования в технологических процессах плазменной обработки изделий.
Конструктивно высокочастотны источник плазмы основывается на базе ускорителя с замкнутым дрейфом электронов описанным в статье Л.А. Арцимовича и др. "Разработка стационарного плазменного двигателя (СПД) и его испытание на ИСЗ "Метеор" ("Космические исследования", Москва, 1974 г., т. XII, вып. 3, стр. 451-468), который состоит из разрядной камеры с кольцевым каналом ионизации и ускорения с открытым выходом, выполненной из электроизоляционного материала, газоразрядного полого катода, установленного со стороны открытого выхода из кольцевого канала и подключенного к отрицательному полюсу источника постоянного напряжения. К положительному полюсу источника напряжения подключен полый кольцевой анод-газораспределитель, установленный на входе в кольцевой канал, соосно с ним. Плазменный ускоритель содержит также средства для подвода ионизируемого газа к газоразрядному полому катоду и к полому кольцевому аноду-газораспределителю, имеющему отверстия для подвода к нему газа и для подачи ионизируемого газа в разрядную камеру. В состав ускорителя входит система для создания магнитного поля в полости разрядной камеры, включающая источник магнитного поля и магнитопровод, состоящий из центрального сердечника, торцевой части со стороны, противоположной выходу из кольцевого канала, и кольцевой части, размещенной снаружи кольцевого канала и образующей выходной торец ускорителя.
Одним из направлений усовершенствования источников плазмы было создание такой системы, которая бы разделяла ионизацию рабочего тела в кольцевом канале и ускорение плазмы посредством катода.
Известны источники плазмы, в которых усилия разработчиков были направлены на улучшение характеристик стационарных плазменных двигателей (СПД) и устранение его недостатков:
- оптимизация геометрии полей в разрядном канале, описанная в патенте US 2006284562 А1, опубликованном 21 декабря 2006 года, где путем создания плазмы в сочетании с электрическим контуром устанавливается осевое электрическое поле в плазменном ускорителе. Высокочастотный (ВЧ) источник питания обеспечивает ВЧ питание по меньшей мере одного электрода, расположенного вокруг и/или внутри плазменного ускорителя, который индуцирует ток для ионизации газа для создания плазмы таким образом, что осевое электрическое поле ускоряет ионы через плазменный ускоритель для обеспечения ионного потока;
- разработка многоступенчатых двигателей на основе СПД, наиболее популярной схемой среди которых является Двухкамерный канал с индуктивным или емкостным ВЧ разрядом в зоне ионизации, где магнитными силовыми линиями формируется электронная ловушка, и обычным тлеющим разрядном постоянного тока в скрещенных полях в зоне ускорения, например, в статье Yu, D. The Influence of Magnetic Field Strength in Ionization Stage on Ion Transport between Two Stages of a Double Stage Hall Thruster / D. Yu, M. Song, H. Li, H. Liu, K. Han // Physics of Plasmas. - 2012. - Vol. 19. - 113505;
- повышение скорости потока плазмы в патенте RU 2594939 С2, опубликованном 20 августа 2016 года, достигается путем применения дополнительного ВЧ источника электропитания, предназначенного для приложения пульсирующего напряжения между анодом и указанным по меньшей мере одним катодом.
Недостатком представленных технических решений является то, что все источники плазмы с замкнутым дрейфом электронов базируются на применении базового узла - катода.
Данный узел имеет много конструктивных решений, которые могут быть с успехом применены для любой из конструкций источников плазмы.
Наличие любого узла снижает надежность любого устройства, усложняет его эксплуатацию и регулировку диапазона работы, увеличивает время его выхода на режимы работы.
Известен аналог, описанный в работах, опубликованных в статьях И.И. Задириева, Е.А. Кралькиной, К.В. Вавилина и др. «Комбинация емкостного высокочастотного разряда и разряда постоянного тока для использования в плазменном ускорителе с замкнутым дрейфом электронов» (Прикладная физика, 2018, №2, стр. 10-03, Прикладная физика, 2018, №3, стр. 5-8, Прикладная физика, 2018, №5, стр. 33-37) и в последующем описан в диссертации И.И. Задириева «Использование емкостного высокочастотного разряда низкого давления в радиальном магнитном поле для получения ускоренного потока ионов» на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук (Москва 2017 г.).
Целью данных работ являлось рассмотрение возможности использования гибридного разряда, а именно, высокочастотного емкостного разряда и разряда постоянного тока для независимого управления энергией и плотностью пучка ионов. Конструктивно, источник плазмы основывается на базе ускорителя с замкнутым дрейфом электронов.
В емкостном высокочастотном разряде с радиальным магнитным полем и контактирующим с плазмой активным электродом формируется ускоренный поток ионов, выходящий из разрядного канала в случае его открытой геометрии. Физической причиной ускорения ионов является квазистационарный скачок потенциала, формирующийся на срезе канала, где максимальна радиальная компонента внешнего магнитного поля.
Подача постоянного смещения на активный электрод, находящийся в контакте с плазмой, приводит к увеличению потенциала плазмы относительно земли и росту энергии ионов на выходе из канала.
Наличие постоянного смещения активного электрода позволяет контролировать энергию пучка ионов на выходе из источника плазмы, в то время как ВЧ составляющая разряда позволяет получить разряд при отсутствии эмиссии электронов с катода и при мощностях существенно более низких, чем только при разряде постоянного тока. Изменением мощности, вкладываемой через ВЧ канал разряда, можно независимо управлять плотностью потока ионов.
Необходимо подчеркнуть, что в отличие от ранее описанных конструкций СПД для поддержания емкостного ВЧ разряда наличие эмитирующего катода-компенсатора не является обязательным, следовательно, ограничения по типу рабочего тела в полом катоде и в целом по источнику плазмы являются не актуальными.
Недостатком является то, что конструктивно анод находится в ускоряющем канале источника ионов, что позволяет материалу анода, по мимо компонентов разрядной камеры, попадать в плазму и в случае применения таких источников плазмы в технологических целях не исключает попадание электропроводящего материала на обрабатываемую поверхность, что, в принципе, не допустимо, а в некоторых случаях является браком. Следует отметить, что так как анод совмещен с системой подачи рабочего тела в разрядную камеру, то для электрической развязки системы подачи рабочего тела и разрядом устанавливают газовую развязку, что приводит к усложнению конструкции и отрицательно сказывается на надежности источника плазмы.
Недостатком при работе с ВЧ источником плазмы является его время выхода на режим, когда поджиг емкостного ВЧ разряда в канале осуществляется забросом по давлению, после чего при необходимости производится пересогласование ВЧ источника, что сказывается на коэффициенте использования рабочего тела.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности источника плазмы, отсутствие металлических деталей внутри разрядной камеры, исключение попадания посторонних материалов в получаемый поток плазмы, снижение время получения первичных электронов, сокращение время выхода на заданный режим, уменьшение количества рабочего тела, участвующего в процессе плазмообразования.
Высокочастотный источник плазмы содержит кольцеобразную диэлектрическую разрядную камеру 1, образованную внутренней 2 и наружной 3 кольцеобразными стенками, во внутренней торцевой части которой расположено устройство ввода рабочего тела из диэлектрика 4, а на внешней стороне установлен торцевой активный электрод 5 с подводом к высокочастотному генератору 6. Магнитная система представлена электромагнитами 7 и магнитопроводом с внутренним 8 и наружным 9 магнитными полюсами. На выходе из разрядной камеры 1 помещен заземленный электрод 10, соединенный с высокочастотным генератором 6.
Запуск высокочастотного источника плазмы осуществляется путем запитывания магнитной системы 7 с подачей через устройство ввода 4 рабочего тела в разрядную камеру 1. В зоне, ограниченной внутренней 2 и наружной 3 стенками, рабочее тело ионизируется под воздействием высокочастотного электрического поля и ускоряется в скрещенных полях. Ускоренный квазинейтральный поток плазмы покидает разрядную камеру 1.
На фиг. 1 представлен высокочастотный источник плазмы.
На фиг. 2 представлен высокочастотный источник плазмы с кольцеобразным электродом, расположенным на стенке разрядной камеры.
Высокочастотный источник плазмы, представленный на фиг. 2 отличается тем, что на внутренней 2 или наружной 3 кольцеобразной стенке диэлектрической разрядной камеры 1 установлен кольцеобразный электрод 11, соединенный с торцевым активным электродом 5 через балластное сопротивление 12 и высокочастотный генератор 6.
Технический результат изобретения достигается за счет следующего:
1. Высокочастотный источник плазмы состоит из кольцеобразной диэлектрической разрядной камеры, образованной внутренней и наружной кольцеобразными стенками, во внутренней торцевой части которой расположено устройство ввода рабочего тела, магнитной системы с внутренним и наружным магнитными полюсами, устройства ввода рабочего тела из диэлектрика, двух электродов, расположенных вне диэлектрической разрядной камеры. Благодаря подобной конфигурации источника плазмы повышается надежность работы, исключается электрическая связь в системе получения плазмы (рабочее тело под «нулевым» потенциалом). Отсутствие металлических деталей внутри разрядной камеры благодаря внешнему расположению активного электрода позволяет исключить попадание посторонних материалов в получаемый поток плазмы, что в большинстве случаев является определяющим фактором в технологических процессах.
2. Высокочастотный источник плазмы, выполненный по предложенной схеме позволяет снизить время поджига разряда и ускорить выход устройства не только на заданный режим, но и снизить количество рабочего тела (не требуется повышать расход рабочего тела в момент запуска источника плазмы), которое будет участвовать в процессе плазмообразования за счет того, что на наружной или внутренней стенке разрядной камеры установлен кольцеобразный электрод, соединенный с торцевым активным электродом через балластное сопротивление и высокочастотный генератор.