СПОСОБ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ДИАГНОСТИКИ ВЧ ИНДУКЦИОННОГО ГАЗОРАЗРЯДНОГО УСТРОЙСТВА
METHOD OF INTEGRAL DIAGNOSTIC OF HF INDUCTION GAS-DISCHARGE DEVICE

Изобретение относится к газоразрядным источникам плазмы, в частности к ВЧ индукционным устройствам, применяемым в составе технологических источников плазмы, ионных двигателей или иных недвигательных ионных систем типа технологических источников ионов или орбитальных ионно-пучковых сервисных устройств, например для удаления с рабочей орбиты вышедших из строя изделий. Решаемая задача актуальна для микроэлектронного производства чипов, где удельный вес плазменных технологических процессов в маршрутах изготовления интегральных схем непрерывно возрастает, а также и для космического использования, где проблема очистки рабочих орбит от космического «мусора» становится все более острой.
Известен классический способ интегральной диагностики ВЧ индукционного газоразрядного устройства путем предварительного измерения на рабочей частоте активного сопротивления, индуктивности и связывающей их добротности индуктора в составе газоразрядного узла, измерения тока индуктора с разрядом и без него и последующего определения ВЧ мощности, поглощаемой плазмой разряда при заданных операционных параметрах [1]. Полученная информация характеризует баланс ВЧ мощности устройства в первом приближении и при известных локальных характеристиках плазмы позволяет найти также усредненные ток разряда и его геометрические параметры. Однако данный способ не позволяет оценить конструкцию и схемотехническое решение газоразрядного устройства, а также выявить баланс его мощности в более высоком приближении.
Известен также способ интегральной диагностики ВЧ индукционного газоразрядного устройства, дополняющий известное техническое решение измерением тока индуктора с помощью двух приборов - главного, установленного на заземляющем выводе индуктора и контрольного прибора, установленного на высоковольтном выводе индуктора, при точном согласовании ВЧ генератора с нагрузкой, с последующим нахождением утечки ВЧ мощности вокруг индуктора и его выводов по разности токов, измеренных обоими приборами [2]. Точное согласование ВЧ генератора с нагрузкой сводит к нулю отраженную от нагрузки ВЧ мощность и обеспечивает максимум передачи ВЧ мощности от генератора в разряд. Таким образом, это условие, обычно требующее для его осуществления дополнительных усилий, обеспечивает максимальную энергоэффективность ВЧИ системы, безопасность ВЧ генератора и простоту вычислений электротехнических параметров линии электропитания разряда на основе закона Ома.
Данный способ позволяет рассчитать активное сопротивление линии электропитания системы на основе измерения тока индуктора без разряда и определяет баланс мощности устройства во втором приближении, включающем потери ВЧ мощности на линии электропитания, в индукторе и измеренную утечку ВЧ мощности вокруг индуктора и его выводов. Однако он не дает информации о потерях ВЧ мощности в вихревых токах, которые характеризуют конструкцию ВЧИ устройства, а также об утечках ВЧ мощности на линии электропитания разряда, определяющих качество исполнения этой линии и оптимальность схемотехнического решения согласующего устройства.
Данный способ, как наиболее близкий к заявленному техническому решению, принят в качестве прототипа предлагаемого изобретения.
Его целями являются детализация баланса ВЧ мощности через определение потерь энергии в вихревых токах, возбуждаемых в конструкции устройства, и на линии электропитания разряда. Решение этой задачи позволит выявить качество конструктивного и схемотехнического решений устройства.
Поставленные цели достигаются тем, что на предварительном этапе диагностики помимо регистрации параметров индуктора в составе собранного ВЧИ газоразрядного устройства измеряют также активное сопротивление индуктора в свободном пространстве, исключающем возникновение вихревых токов в электропроводящих деталях конструкции, а контрольный измеритель тока индуктора, регистрирующий утечку ВЧ мощности, устанавливают на выходном выводе ВЧ генератора. Согласно трансформаторной модели ВЧИ разряда [1] разность активных сопротивлений индуктора в сборе и в свободном пространстве определит эквивалентное активное сопротивление вихревых токов в электропроводящих деталях устройства вблизи индуктора. Данный результат характеризует, во-первых, конструктивное решение устройства, а во-вторых, он позволяет разделить суммарные потери ВЧ мощности в индукторе на потери в вихревых токах и на потери непосредственно в витках индуктора. Размещение же контрольного измерителя тока индуктора на выходной линии ВЧ генератора позволяет дополнить потери ВЧ мощности вокруг индуктора и его выводов потерями в линии электропитания разряда и в согласующем устройстве. Последние определяются схемотехническим решением согласующего устройства и его практическим исполнением, имея в виду возможное применение деталей различного качества. Величины уточненного полного тока утечки ВЧ мощности находятся как разность токов, измеренных на выходной линии ВЧ генератора и на заземляющем выводе индуктора.
Примером реализации предложенного способа может послужить интегральная диагностика ВЧИ источника плазмы в модельном ВЧ ионном двигателе с плоским индуктором и ферритовым сердечником, схема которого представлена на чертеже. Здесь 1 - главный измеритель тока индуктора, размещенный на заземленном выводе индуктора, 2 - контрольный измеритель, установленный на выходной линии ВЧ генератора, 3 - индуктор, 4 - согласующее устройство (трансформаторного типа), 5 - ВЧ генератор, 6 - ферритовый сердечник, 7 - подача рабочего газа, 8 - вакуумная камера, 9 - смотровое окно, 10 - ионно-оптическая система, 11 - зонд Ленгмюра, 12 - датчик давления, 13 - диэлектрическое окно, отделяющее индуктор от вакуумного пространства и плазмы ВЧИ разряда.
исв
и
вэ
л
пэ
-3
Для кварцевого окна 13 толщины 10 мм предварительные измерения показали, что в свободном пространстве активное сопротивление индуктора R=1,06 Ом, в составе газоразрядного узла R=2,13 Ом. Это означает, что эквивалентное сопротивление вихревых токов в данном изделии R=l,07 Ом. Следовательно, потери ВЧ мощности в вихревых токах составили около 100% от потерь непосредственно в индукторе. Цифра немалая, но при отсутствии ферритового сердечника она была бы много больше, т.к. феррит ликвидирует электромагнитное поле и вихревые токи в тыльной части индуктора. Данный результат, характеризуя конструкцию устройства, представляет собой детализацию общих потерь в индукторе. Измерения тока индуктора без разряда и при горении разряда показали полное отсутствие токов утечки как вокруг индуктора, так и в согласующем устройстве. На режиме без разряда было найдено активное сопротивление линии электропитания разряда, которое на верхнем пределе ВЧ мощности Р=200 Вт оказалось равным R=0,138 Ом, а на режиме ВЧИ разряда в ксеноне при его объемном расходе q=4 смл/мин и давлении в газоразрядном пространстве р≈2·10 Торр эквивалентное активное сопротивление плазмы ксенона составило R=25,2 Ом, т.е. КПД передачи ВЧ мощности в разряд достиг уровня 25,2/(1,06+1,07+0,138+25,2)≈0,917. Таким образом, при падающей мощности ВЧ генератора Р=200 Вт баланс ВЧ мощности (затраты мощности в процентах) выглядит следующим образом: линия электропитания 0,51%, непосредственно индуктор 3,86%, вихревые токи 3,89%, плазма разряда 91,74%.
Данный результат, полученный согласно предлагаемому изобретению, позволил детализировать баланс ВЧ мощности на индукторе и, следовательно, по устройству в целом, выявил качество конструктивного решения и исполнения данного источника плазмы вместе со схемотехникой трансформаторного согласующего устройства [2] путем уточнения потерь ВЧ мощности на линии электропитания разряда (в данном конкретном случае они были нулевыми). Если в каких-либо элементах этой линии имелись бы токи утечки, они были бы зафиксированы контрольным измерителем тока 2 (чертеж), поскольку он установлен в самом начале линии, фиксируя все добавки к результату измерений прибором 1. На практике такие утечки возникают при размещении индуктора и газоразрядной камеры в вакууме, а всей электрической системы - в атмосферных условиях, как это имело место в системе, описанной в прототипе [2].
В целом интегральная диагностика ВЧИ устройства согласно предполагаемому изобретению с достаточной полнотой характеризует технический облик изучаемого объекта и в случае технической необходимости определяет пути его дальнейшего совершенствования.
На основании изложенного можно сделать вывод, что заявленное техническое решение ново и полезно.
Источники информации
1. Piejak R.B., Godyak V.A., Alexandrovich В.М., A simple analysis of an inductive RF discharge, Plasma Sources Science and Technology, 1992, v. 1, p. 179-186.
2. Рябый B.A., Обухов B.A., Машеров П.Е., Могулкин А.И., Сертификация технологического ВЧ индукционного источника ионов RIM-20, Труды 24-й Международной конференции «Радиационная физика твердого тела» (Севастополь, июль 2014 г.). - М.: Минобразования РФ, 2014, с. 407-417.