Устройство ввода энергии в газоразрядную плазму
DEVICE FOR INPUTTING ENERGY INTO GAS-DISCHARGE PLASMA

МПК H01J 27/16
Устройство ввода энергии в газоразрядную плазму
Изобретение относится к устройствам высокочастотного возбуждения и поддержания разряда газоразрядной плазмы в ионных источниках, ионных двигателях космических аппаратов с преобразованием энергии источника постоянного напряжения в радиочастотную электромагнитную энергию поля индуктора, взаимодействующего с объемом плазмы через взаимную индуктивность.
Известна «Система управления электрическим ракетным двигателем» (Патент на изобретение РФ №2564154 МПК F03H 1/00 (2006.01), опубл. 27.09.2015 Бюл. № 27). Система содержит микроконтроллер, усилитель мощности, источник электропитания усилителя мощности. Микроконтроллер выполнен с аналого-цифровым преобразователем входных управляющих сигналов, цифроаналоговым преобразователем выходных сигналов и тактовым генератором сигнала с перестраиваемой частотой. Выходы усилителя мощности соединены через линию связи с устройством ввода энергии, которое выполнено в виде индуктора. Устройство установлено с внешней стороны стенок газоразрядной камеры. В линию связи с устройством ввода энергии включены датчики тока и напряжения. Выходы датчиков подключены к входам фазового детектора и к сигнальным входам микроконтроллера. Выход фазового детектора подключен к сигнальному входу микроконтроллера.
Данная система обладает двумя существенными недостатками:
1) Для обеспечения настройки встроенного в микроконтроллер тактового генератора сигнала с перестраиваемой частотой в резонанс с последовательным контуром из конденсатора связи и индуктора применена аналого-цифровая фазовая автоподстройка частоты (ФАПЧ), включающая в себя датчики тока и напряжения, фазовый детектор, аналого-цифровой преобразователь, внутренние узлы микропроцессора, программно замыкающую  петлю обратной связи по фазе между током индуктора и напряжением на контуре индуктора, генератор сигнала с перестраиваемой частотой. Известно, что любая система с аналоговой или аналогово-цифровой ФАПЧ для устойчивости её работы требует наличия петлевого фильтра, обладающего определенной задержкой во времени и соответствующей амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристиками. Указанная задержка приводит к запаздывающей реакции частоты и фазы тактового генератора от сигнала рассогласования по фазе между током и напряжением соответствующих датчиков, подключенных к контуру индуктора. Случайное или функционально вызванное рассогласование по частоте и фазе, даже кратковременное, способно в значительной мере изменить амплитуду тока в контуре индуктора, как правило, уменьшив её из-за ухода с частоты резонанса, приводя к нежелательным последствиям в виде, например, гашения плазмы.
2) Для обеспечения «эффективного ввода энергии в газоразрядную камеру двигателя», для максимизации КПД, кроме «синфазности тока и напряжения в резонансном контуре» требуется выполнение условия соотношения сопротивлений: выходного сопротивления усилителя мощности Rвых и эквивалентного сопротивления плазмы и потерь проводимости  индуктора Rпл+Ri, приведенного к выходу усилителя. Общепринятым фактом считается, что должно выполняться соотношение Rвых<<Rпл+Ri.     С другой стороны, в связи с изменением плотности плазмы, значение Rпл+Ri  может изменяться в значительных пределах, приводя к соответствующему изменению тока в цепи последовательного резонансного контура индуктора и пропорциональному изменению потребляемой мощности от источника питания, что особенно ярко проявляется при отсутствии разряда в плазме, когда приведенное значение Rпл равно нулю. Для предотвращения нежелательных значительных вариаций потребляемого тока от источника питания применено «автоматическое программно-расчетное регулирование мощности ВЧ сигнала» изменением напряжения источника питания усилителя мощности, что является усложнением системы и не исключает резких изменений тока индуктора и потребляемого тока при переходных процессах, как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является «Высокочастотный генератор для ионных и электронных источников» (патент на изобретение РФ № 2461908 МПК H01J27/00, опублик. 20.09.2012 Бюл. № 26), принятый за прототип.
Устройство-прототип состоит из разрядной камеры для ионизируемого газа, намотанной вокруг разрядной камеры катушки связи для подвода высокочастотной энергии, необходимой для возбуждения плазмы, конденсатора связи, электрически связанного с катушкой связи, и высокочастотного генератора, электрически связанного с катушкой связи и вместе по меньшей мере с одним конденсатором связи образующего резонансный контур, причем высокочастотный генератор снабжен регулятором с фазовой подстройкой частоты (ФАПЧ) для автоматического согласования полного сопротивления резонансного контура, что обеспечивает возможность работы резонансного контура с резонансной частотой. Катушка связи подключается к высокочастотному генератору и образует с конденсатором связи высокочастотного генератора параллельный или последовательный резонансный контур.
Устройство исправляет фазовые ошибки по току и напряжению в выходном силовом каскаде высокочастотного генератора путем автоматического отслеживания частоты и фазы резонансной частоты цепи нагрузки. Принцип такого регулирования основан на том, что схема регулирования с ФАПЧ непрерывно сравнивает положение по фазе синусоидального высокочастотного выходного тока и положение по фазе выходного напряжения генератора посредством цифрового фазового детектора и исправляет возникающую фазовую ошибку путем подстройки частоты генератора с помощью генератора, управляемого напряжением (ГУН), на частоту резонансного контура, пока фазовая ошибка не станет равной нулю.
Устройство-протопип имеет три существенных недостатка:
L
1)  Система с обратной связью по фазовой ошибке в виде петли  ФАПЧ обладает известной инерционностью подстройки частоты и фазы, которая в описании патента заявлена значением до 100 мкс. Резкое изменение плотности плазмы, которое может быть вызвано разными причинами, приводит к изменению резонансной частоты контура и отличию её от запаздывающего изменения частоты задающего ГУН. Для высокочастотного генератора с частотой порядка 1-2 МГц задержка 100 мкс эквивалентна 100-200 периодам этой частоты, что с учетом реальной практической добротности нагруженного резонансного контура Q=10…20 в присутствии плазмы означает падение амплитуды тока в резонансном контуре в 4000 раз и более в соответствии с экспоненциальной зависимостью ,
где ;
t – время от начала переходного процесса.
Несмотря на рост добротности контура при падении амплитуды тока в контуре из-за возникающего при этом падения плотности плазмы, результирующее падение амплитуды тока контура остается значительным на указанном интервале времени и может сопровождаться гашением плазменного разряда. Описанный в этом пункте недостаток имеет место в первую очередь для варианта с последовательным резонансным контуром, который в патенте описан наиболее полно и имеет пояснения в большинстве фигур.
2) Для варианта исполнения генератора, нагруженного на параллельный колебательный контур, по описанию патента имеется несколько противоречий, затрудняющих реальное осуществление изобретения. Например, упоминается «положение по фазе синусоидального высокочастотного выходного тока и положение по фазе выходного напряжения генератора посредством цифрового фазового детектора и исправляет возникающую фазовую ошибку путем подстройки частоты». Для параллельного колебательного контура, на который может быть нагружен генератор (в соответствии с п. 5 формулы изобретения-прототипа), для которого обязательным условием резонанса является синусоидальная форма напряжения на нем, данное пояснение означает и синусоидальность напряжения на выходе генератора, однако, при одновременном синусоидальном токе и синусоидальном напряжении выходной каскад генератора может работать лишь в классах A, AB и B (угол проводимости ≥ 180°), которые в патенте не используются и не упоминаются, но в любом случае КПД такого выходного каскада генератора не может превысить теоретический предел в 78,5%, что не согласуется с упоминаемыми в патенте значениями в 90-95% КПД.  Указанные в патенте (п.17 формулы) классы C, E, F не работают с синусоидальными выходными токами усилительного элемента, спектр тока таких высокоэффективных каскадов содержит широкий набор гармоник, резко отличающийся от спектра напряжения на колебательном контуре. Во временной области требуется разделение фаз тока и напряжения для классов C, E, F для выполнения условий, определенных для работы в этих классах (см. Sokal, N. Class-E RF Power AmpLfiers // QEX. — 2001).
3) Для устройства, содержащего контур подстройки частоты и фазы и регулируемые источники энергии для регулировки мощности ВЧ генератора, не предусмотрены элементы, обеспечивающие стабильность напряженности поля внутри разрядной камеры во время переходных процессов, например при зажигании разряда, даже при условии условно идеальной отработки схемы ФАПЧ по поддержанию согласования полного сопротивления резонансного контура, приведенного к выходу высокочастотного генератора. Известно, что полное сопротивление последовательного резонансного  контура может изменяться в несколько раз в условиях идеального согласования при вариации плотности плазмы или в момент ее зажигания, вызывая пропорциональное изменение напряженности поля, что является недостатком.
Ни одно из известных технических решений не позволяет действительно быстро в реальном времени отрабатывать изменение резонансной частоты контура связи с объемом плазмы в совокупности с поддержанием стабильной напряженности поля внутри разрядной камеры при вариациях плотности плазмы или изменениях в скорости подачи рабочего тела в плазму.
Техническим результатом изобретения является повышение скорости реакции устройства ввода энергии в газоразрядную плазму на изменение резонансной частоты контура с индуктором, связанного с объемом плазмы через взаимную индуктивность и стабилизация напряженности поля внутри заполненного рабочим газом объема, охваченного индуктором, при вариациях плотности плазмы или изменениях в скорости подачи рабочего тела в плазму при высокой эффективности ввода энергии в плазму, при незначительном количестве элементов.
Для достижения вышеуказанного технического результата в устройство ввода энергии в газоразрядную плазму, содержащее, по крайней мере, один источник питания, соединенный с первым входом усилителя, выход которого подключен к параллельному LC-контуру, индуктор этого контура, взаимодействующий через взаимную индуктивность с плазмой внутри объема индуктора LC-контура, согласно изобретению, второй вход усилителя, по крайней мере, через один элемент связи соединен с параллельным LC-контуром, причем совокупность усилителя, LC-контура, элемента связи LC-контура с усилителем совместно образуют автогенератор.
Примеры осуществления изобретения поясняются эквивалентными схемами, представленными на фиг. 1-3, где обозначено:
1 - источник питания;
2 - автогенератор;
3 - усилитель;
4  -  LC-контур;
5 -  взаимная индуктивность;
6 - плазма;
7 - элемент связи.
В качестве элемента связи с LC-контуром, с которого снимается сигнал положительной обратной связи, может выступать, например, конденсатор, последовательно включенный в резонансную цепь параллельного LC-контура или трансформатор, параллельно включенный к индуктору LC-контура, или может быть использован отвод от части витков индуктора LC-контура, или использована индуктивная связь с мощным полем индуктора посредством расположения в его ближнем поле индуктивного компонента с ненулевой взаимной индуктивностью к индуктору LC-контура.
Устройство ввода энергии в газоразрядную плазму по настоящему изобретению, один из вариантов выполнения которого представлен на фиг. 1, работает следующим образом.
От источника питания 1 на усилитель 3 поступает напряжение питания, усилитель после этого плавно переходит из выключенного состояния в активный режим класса А с плавным нарастанием коэффициента передачи от входа на выход. По достижении необходимого минимального коэффициента передачи, требуемого по условиям самовозбуждения, в LC-контуре 4 начинают возникать колебания с нарастающей амплитудой благодаря действию положительной обратной связи от LC-контура 4 через элемент связи 7 на второй вход усилителя 3. Нарастающая амплитуда колебаний последовательно переводит усилитель 3 из режима А в режим АВ, затем B, далее C (или E, или F, или DE). Для предлагаемого устройства является несущественной последовательность смены классов работы усилителя от А до В, а существенно только то, что в установившемся режиме колебаний усилитель работает в классах C, DE, E, F. После момента установления амплитуды колебаний в LC-контуре 4, одним из известных способов (например, как описано в патенте РФ № 2564154)  инициируется газовый разряд (плазма 6) внутри заполненного рабочим газом объема, охваченного индуктором L.
Способ инициации разряда не является предметом данного изобретения. После зажигания плазмы 6 она развивается лавинообразно при достаточной расчетной напряженности поля внутри объема, охваченного индуктором L. При этом увеличивается плотность плазмы 6 и растет ее проводимость, возникает электрический ток в объеме плазмы 6 и одновременно с этим возникает взаимодействие этого тока плазмы с индуктором L через взаимную индуктивность 5, возникает процесс трансформаторной передачи энергии из LC-контура 4 через индуктор Lв плазму 6 внутри объема, охваченного индуктором  L.
Одновременно с этим, являясь единым процессом, протекающим со скоростью распространения электромагнитного взаимодействия, потери энергии в плазме 6 совместно с реакцией от взаимной индуктивности 5, приводящей к росту реактивной компоненты тока индуктора, трансформируются в первичную цепь индуктора L в виде резкого уменьшения приведенного сопротивления потерь параллельного колебательного LC-контура 4 и некоторого уменьшения его индуктивности.
Автогенератор 2 мгновенно реагирует на увеличение потерь в LC-контуре 4, обеспечивая увеличение  порций энергии от источника как минимум один раз за период частоты автогенератора для однотактных схем исполнения усилителя 3 или два раза за период частоты автогенератора для двухтактных схем исполнения усилителя 3. Также быстро автогенератор 2 реагирует на уменьшение индуктивности индуктора L, обеспечивая поддержание колебаний именно на резонансной частоте контура без задержек.
На фиг.4 продемонстрирован процесс влияния возникшей связи через взаимную индуктивность индуктора L с плазмой 6 в момент ее образования. Графические изображения тока в индукторе и тока в плазме, являющиеся результатом математического SPICE моделирования электрических процессов автогенератора, демонстрируют отсутствие задержек при переходном процессе смены частоты в момент образования плазмы 6. На отметке 100 мкс  в модели условно “зажигается” газовый разряд, образуется плазма 6 и изменяется частота/период автогенератора за очень короткое время, практически мгновенно, т.е. в течение менее одного периода колебаний.
На рисунке фиг. 4. показаны два примера влияния на частоту в зависимости от плотности плазмы 6. При большой плотности и большом токе плазмы частота изменяется сильнее, и ток плазмы по фазе ближе к току индуктора L. При малой плотности и малом токе плазмы частота практически не изменяется, и ток плазмы по фазе отличается от тока индуктора L почти на 90 градусов. Фигура 4 также демонстрирует практическое отсутствие влияния плазмы 6 на амплитуду тока индуктора L при существенно разных величинах тока в плазме.
Таким образом, быстрая реакция предлагаемого технического решения на изменение плотности плазмы в индукторе L по частоте и  отсутствие существенного влияния от наличия/отсутствия плазмы 6 на амплитуду тока индуктора L показывают очевидное превосходство данного решения над известными техническими решениями. Падение амплитуды тока при смене резонансной частоты в устройства-аналогах, использующих относительно медленную петлю ФАПЧ для настройки контура в резонанс, может провоцировать гашение плазмы в процессе инициации газового разряда. Указанное явление гашения плазмы полностью исключено в предлагаемом техническом решении.
В другом варианте осуществления изобретения, представленном упрощенной схемой на фиг. 2, усилитель 3 автогенератора показан как двухтактная схема  на быстродействующих полевых транзисторах MOSFET c n и p каналами проводимости. Здесь элементом связи 7 с контуром является конденсатор C2. Конденсатор C3, включенный последовательно с индуктором L, может выполнять роль разделительного конденсатора и иметь большее значение емкости по сравнению с емкостью конденсатора C1, тем самым не влиять существенным образом на частоту настройки LC-контура. Или, напротив, при выборе емкости конденсатора C3, примерно равной емкости C1 в пределах порядка, выполнять роль элемента трансформации импеданса со стороны индуктора L к выходу усилителя 3.
Последовательное соединение конденсаторов C1-C3 по данному варианту осуществления образуют резонансную емкость LC-контура 4. Конденсатор С2 выполняет двойную функцию – как элемент связи 7 и как элемент LC-контура 4. Самовозбуждение такого автогенератора не предусмотрено. Запуск генерации незатухающих колебаний данного автогенератора может  производиться «ударным способом», например  путем резкого заряда или разряда одного или нескольких конденсаторов С1-С3 или иным способом, например включенным между элементом связи 7 (конденсатором С2) по направлению к затворам полевых транзисторов вспомогательным генератором первоначального возбуждения.
В третьем варианте осуществления изобретения, представленном упрощенной схемой на фиг. 3, усилитель 3 автогенератора показан как двухтактная схема на быстродействующих полевых транзисторах MOSFET одинакового типа проводимости.
Для некоторых вариантов осуществления изобретения в качестве  усилителя 3 могут использоваться однотактные схемы с дополнительными элементами обеспечения цепей питания.
В качестве усилителя может применяться любая схема на любых походящих для этой задачи компонентах для усиления мощности колебаний на резонансной частоте LC-контура с учетом влияния плазмы, но предпочтительно усилитель должен работать в энергоэффективном классе усиления С, DE, Е, F во время установившихся колебаний.
Описание классов С, DE, Е, F а также A, B, AB можно найти в следующих источниках:
- Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. Том II. — 12-е изд.. — М.: ДМК-Пресс, 2007;
- Albulet, M. RF Power AmpLfiers. — Noble PubLshing, 2001;
- Лившиц, И. И. Транзисторные усилители в режиме D. — Л.: Энергия, 1973.;
- Sokal, N. Class-E RF Power AmpLfiers // QEX. — 2001.
https://ru.wikipedia.org/wiki/Классификация_электронных_усилителей
в русской
https://en.wikipedia.org/wiki/Power_ampLfier_classes
и  в английской версии Википедии .
Реализованные на основе изобретения варианты устройства ввода энергии в газоразрядную плазму всегда работают на резонансной частоте контура ввода энергии или близкой к ней. Высокая эффективность ввода энергии в плазму обеспечивается тем, что основной реактивный ток LC-контура, который в 10 и более раз больше активного тока эквивалентных потерь в плазме, протекает только внутри этого контура и не замыкается через активные элементы усилителя и источник питания.
Таким образом, достижение технического результата в заявляемом устройстве происходит за счет:
- мгновенной реакции автогенератора на частоту настройки его LC-контура при изменении плотности плазмы в силу отсутствия каких либо существенных задержек от элементов связи с LC-контуром к усилителю, соизмеримых с периодом колебаний;
- параллельного включения выхода усилителя, работающего в классах С, DE, Е, F на параллельный колебательный LC-контур или его эквивалент с секционированным включением конденсаторов (англ. tapped capacitor);
- параметрического задания частоты и амплитуды напряжения и тока в LC-контуре, причем амплитуда тока индуктора и напряженность создаваемого им поля не зависят от эквивалентного сопротивления потерь в плазме, приведенного к параллельному LC-контуру, или зависимость очень слабая.
Кроме того, значительное уменьшение количества элементов предлагаемого технического решения, в связи с его структурной простотой,  позволяет снизить сложность изготовления, снизить стоимость устройства и увеличить его надежность.