Устройство для генерации плазмы высокочастотного разряда
DEVICE FOR GENERATING HIGH-FREQUENCY DISCHARGE PLASMA

Изобретение относится к электротехнологии, в частности к устройствам для формирования высокочастотных разрядов, и может быть использовано, например, для травления поверхности, проведении газофазных плазмохимических реакций, спектрального анализа жидких и твердых проб.
Известно устройство для получения плазмы многофакельного разряда в неоднородном электрическом поле [SU 283181 А1, МПК 6 B01J 6/00, опубл. 6.10.1970], содержащее корпус, источник высокого напряжения, электроды. Для ввода-вывода реагентов корпус снабжен патрубками. Электроды размещены в воздушной среде. Анод выполнен в виде проволоки, располагаемой в изоляционной трубе. Изоляционная труба снабжена рядом отверстий для формирования факельных разрядов.
Недостатком устройства является разрушение изоляционной трубы из-за постоянного теплового воздействия каналом разряда и формирование градиента температуры по периметру отверстия в изоляционной трубе, близкой к пороговому для материала изоляционной трубы.
Известно устройство для возбуждения плазмы высокочастотного факельного разряда [RU 2499373 С1, МПК Н05Н 1/24 (2006.01), опубл. 20.11.2013], содержащее анод, охлаждаемый водой, дополнительный заостренный электрод и внешний электрод. Анод цилиндрической формы установлен внутри диэлектрической трубы и ориентирован по его оси. Диэлектрическая труба заглушена с одной стороны фланцем, по центру которого герметично установлен анод. Анод электрически соединен с высокочастотным генератором. Дополнительный электрод установлен на аноде и ориентирован радиально. Внешний электрод, в виде вогнутой пластины, установлен в области расположения дополнительного электрода снаружи диэлектрической трубы с возможностью перемещения параллельно оси диэлектрической трубы.
Недостатком устройства является возможность разрушения диэлектрической трубы в области между дополнительным и внешним электродами из-за перегрева и пробоя, наличие высокого потенциала на внешнем электроде.
Известно устройство формирования плазмы факельного электрического разряда [SU 1751826 А1, МПК 5 H01J 37/04, опубл. 30.07.1992], выбранное в качестве прототипа, содержащее источник высоковольтного напряжения, систему анодов, каждый из которых установлен в трубу из термостойкого диэлектрика. Труба из термостойкого диэлектрика снабжена с одного торца насадкой из гидрофобного диэлектрика и ориентирована этим торцом к катоду. Каждый анод электрически соединен с источником высоковольтного напряжения через индивидуальный высокоомный резистор. Объект, поверхность которого подлежит обработке, закреплен в держателе объекта, который электрически соединен с катодом источника высоковольтного напряжения.
Недостатком устройства является выделение энергии на индивидуальных высокоомных резисторах, что ограничивает мощность, вкладываемую в разряд, и снижает эффективность использования потребляемой энергии.
Задачей изобретения является расширение арсенала устройств для формирования неравновесной плазмы высокочастотных разрядов, электронная температура которой сопоставима с электронной температурой плазмы факельного разряда, а газовая температура сопоставима с газовой температурой плазмы дугового разряда.
Поставленная задача решена за счет того, что устройство для генерации плазмы высокочастотного разряда содержит источник высоковольтного высокочастотного напряжения, анод и дополнительный электрод, установленные через разрядный промежуток.
Технический результат изобретения заключается в обеспечении возможности генерации плазмы высокочастотного разряда.
Технический результат достигается тем, что анод непосредственно соединен с фидером высоковольтного высокочастотного генератора (ВЧ-генератора). Дополнительный электрод выполнен в виде объемного тела, размеры которого не меньше размеров анода. Дополнительный электрод электрически соединен с первой обкладкой воздушного конденсатора переменной емкости. При этом вторая обкладка этого конденсатора электрически изолирована как от шины заземления, так и от общего провода высоковольтного ВЧ-генератора.
На фиг. 1 приведена принципиальная схема устройства для генерации плазмы высокочастотного разряда.
На фиг. 2 приведена фотография разрядного промежутка при генерации плазмы высокочастотного разряда в виде дуги.
На фиг. 3 приведены графики зависимости анодного тока высоковольтного ВЧ-генератора от электрической емкости воздушного конденсатора. График со сплошной линией соответствует расстоянию между электродами 0,3 см, штрихпунктирной - 0,7 см, пунктирной - 1,0 см.
Устройство для генерации плазмы высокочастотного разряда, показанное на фиг. 1, содержит анод 1 и дополнительный электрод 2, выполненные, например, из графита. Пространственная ориентация анода 1 может быть любой, например вертикальной. При этом анод 1 электрически соединен с фидером (на чертеже не показан) высоковольтного ВЧ-генератора 3. Дополнительный электрод 2 электрически соединен с воздушным конденсатором переменной емкости 4. Дополнительный электрод может быть установлен под любым углом к аноду. Дополнительный электрод и анод закреплены в металлических держателях 5. Расстояние между электродами 1 и 2 определяют из условия формирования между этими электродами стабильного каналу объемной плазмы. Расстояние между электродами определяется величиной высоковольтного напряжения, например, для высоковольтного ВЧ-генератора 27,12 МГц, 4 кВт, может быть выбрано в диапазоне 0,3-1,0 см. При расстояниях между электродами менее 0,3 см формируется узкий разрядный канал, характерный для дугового разряда. При расстояниях между электродами более 1,0 см канал дугового разряда отрывается от катода и формируется разряд в виде факела.
Устройство, показанное на фиг. 1, работает следующим образом.
В устройстве для генерации плазмы высокочастотного разряда напряжение с высоковольтного ВЧ-генератора 3 подают на анод 1. Между анодом 1 и дополнительным электродом 2 инициируют электрический газовый разряд, например, путем кратковременного замыкания указанных электродов с помощью металлического провода на изолирующей штанге. Сохраняют неизменными условия протекания высокочастотного тока между анодом 1 и дополнительным электродом 2. Поддерживают высокочастотный разряд между анодом и дополнительным электродом за счет перезарядки воздушного конденсатора переменной емкости 4. Для формирования плазмы высокочастотного разряда поддерживают условия, обеспечивающие одновременное протекание процессов, характерных для плазмы факельного и дугового разрядов. Для этого нагревают плазмообразующий газ как за счет сообщения энергии молекулам при столкновениях с электронами, ускоренными в электрическом поле ВЧ-волны, излучаемой анодом, так и при столкновениях с электронами, ускоренными в электрическом поле между анодом и дополнительным электродом. Этим увеличивают газовую температуру плазмы ВЧ-разряда до значений, характерных для плазмы дугового разряда при электронной температуре, близкой к электронной температуре плазмы факельного разряда.
На фиг. 2 приведена фотография внешнего вида плазмы высокочастотного разряда.
ПРИМЕР
Для генерации плазмы высокочастотного разряда использовали устройство, содержащее анод 1 и дополнительный электрод 2, выполненные из графита марки МПГ-7. Анод 1 ориентирован вертикально и электрически соединен с фидером (на фиг. 1 не показан) высоковольтного ВЧ-генератора 3 марки ВЧГ2-4/27. Дополнительный электрод 2 установлен под углом 90° к аноду 1 и электрически соединен с воздушным конденсатором переменной емкости 4, пластины которого изготовлены из дюралюминия марки Д16Т. Дополнительный электрод 2 и анод 1 закреплены в металлических держателях 5. Расстояние между электродами 1 и 2, для ВЧ-генератора (27,12 МГц, 4 кВт), выбрано равным 0,9 см.
На фиг. 3 приведены графики зависимости анодного тока высоковольтного ВЧ-генератора 3 от величины электрической емкости воздушного конденсатора переменной емкости 4, полученные для описанных выше условий проведения эксперимента. Емкость воздушного конденсатора изменяли в диапазоне 1-60 пФ. При расстояниях между катодом и анодом 0,3-0,7 см между ними стабильно наблюдается разрядный канал в виде дуги. При длине разрядного промежутка 1,0 см формирование разрядного канала в виде электрической дуги возможно лишь при емкости воздушного конденсатора 26 пФ. При емкости воздушного конденсатора 26 пФ стабильно наблюдается разряд в виде электрической дуги при расстояниях разрядного промежутка 0,3-1,0 см. В остальных случаях электрической разряд имеет вид вертикально ориентированного факела.
Плазму высокочастотного разряда, генерируемую с помощью предлагаемого устройства, поддерживают процессами, характерными для плазмы как факельного, так и дугового разрядов. Факельный разряд имеет существенно больший объем плазмы, чем дуговой. При уменьшении объема высокочастотного разряда увеличивается энерговклад в единицу объема газа в разрядном промежутке обратно пропорционально уменьшению объема. Это приводит к увеличению газовой температуры.
В синусоидальном электрическом поле ВЧ электромагнитного излучения электроны ускоряются или тормозятся при смене направления поля. Поэтому при отсутствии других частиц средняя энергия электронов остается постоянной. При столкновениях с ионами или нейтральными частицами мгновенная скорость электронов переходит в их скорость теплового движения. При достижении тепловой энергии электронов энергии одного из переходов между электронными уровнями атома или иона происходит передача энергии от электрона к тяжелой частице. Далее электрон вновь начинает набирать тепловую энергию за счет ускорения в ВЧ электрическом поле и столкновения с атомами или ионами.
При электрическом пробое межэлектродного пространства изменяющееся по гармоническому закону напряжение на аноде 1 заряжает и разряжает воздушный конденсатор. При этом напряжение на воздушном конденсаторе 4 и дополнительном электроде 2 отстает по фазе от напряжения на аноде 1, а между анодом 1 и дополнительным электродом 2 возникает синусоидальное ВЧ электрическое поле. Это поле вызывает синусоидальный ток электронов между анодом 1 и дополнительным электродом 2, что вызывает разогрев электродов. Разогрев анода 1 и дополнительного электрода 2 вызывает термоэмиссию электронов с указанных электродов, а также испарение материала электродов. Термоэмиссия электронов с анода и дополнительного электродов поддерживает ВЧ электрическую дугу между ними.
При этом в ВЧ-разряде одновременно протекают процессы, характерные как для ВЧ факельного разряда, так и для ВЧ-дуги. Поэтому использовании предложенного устройства для генерации плазмы ВЧ-разряда газовая температура плазмы разряда близка до значений, характерных для плазмы дугового разряда, а электронная температура близка к электронной температуре плазмы факельного разряда.