СВЧ-ПЛАЗМОТРОН
MICROWAVE PLASMATRON

Изобретение относится к плазменной технике, в частности к устройствам для генерирования плазмы с использованием внешних электромагнитных полей сверхвысокой частоты и может быть использовано для проведения плазмохимических и тепловых технологических процессов, а также для плазменной обработки различных материалов и изделий.
Известен «Ускоритель с устройством высокочастотного питания, содержащий магнетрон, подключенный через фазовращатель к входному плечу волноводного моста, две идентичные резонаторные секции, подключенные к выходным плечам волноводного моста, поглощающую нагрузку, подключенную к плечу волноводного моста, развязанному со входным плечом, отличающийся тем, что между выходными плечами моста и входами идентичных резонаторных секций установлены два идентичных низкодобротных проходных резонатора. Патент РФ на изобретение №2154924, МПК: Н05Н 7/02, д. публ. 20.08.2000
1
Известен «СВЧ-плазмотрон», содержащий источник СВЧ-излучения, полый прямоугольный металлический волновод, в котором распространяется электромагнитная энергия с длиной волны основного типа колебаний Ню, связанные с ним два отрезка круглого запредельного волновода, расположенные перпендикулярно с двух сторон в центре широких стенок прямоугольного волновода, диэлектрическую разрядную камеру, а также газоформирователь с двумя соплами, выполненный в торце одной из частей запредельного волновода и обеспечивающий вихревой ввод потока плазмообразующего газа в разрядную камеру, при этом диэлектрическая разрядная камера размещена в прямоугольном волноводе и выполнена в виде двух частей, расположенных по горизонтальной оси прямоугольного волновода, причем наружная поверхность каждой части диэлектрической разрядной камеры ограничена двумя симметрично расположенными от центральной оси разрядной камеры полуцилидрическими поверхностями и прямоугольными поверхностями, также расположенными друг против друга и образованными двумя частями узких стенок волновода, которые срезают цилиндрическую поверхность разрядной камеры по двум хордам, при этом наружный диаметр каждой полуцилиндрической части d разрядной камеры равен внутреннему размеру широкой стенки волновода в, а расстояние L между хордами каждой из двух полуцилидрических частей разрядной камеры равно внутреннему размеру а узкой стенки прямоугольного волновода, кроме того, на наружной поверхности узких стенок прямоугольного волновода, на границе среза цилиндрической поверхности разрядной камеры по двум хордам, а именно в местах контакта узких стенок с расположенной внутри волновода разрядной камерой, выполнены симметрично расположенные друг против друга два сопла для дополнительного ввода струй газа, обеспечивающих охлаждение диэлектрических стенок разрядной камеры. Патент РФ на ПМ, №183873, МПК: Н05Н 7/00, д. публ. 08.10.2018 г.
Известен «Сверхвысокочастотный плазмотрон, содержащий сочлененные между собой прямоугольный и круглый волноводы, диэлектрическую разрядную камеру, поглотитель СВЧ мощности, СВЧ генератор, отличающийся тем, что между СВЧ генератором и сочленением круглого и прямоугольного волноводов вводят щелевой мост, а сочленение круглого и прямоугольного волноводов выполняют в виде волноводно-щелевого перехода.
10
Патент РФ на изобретение №2274963, МПК: Н05Н 7/00, д. публ. 20.04.2006. Наиболее близким аналогом к предлагаемому в качестве изобретения устройству является «Устройство для СВЧ-плазменной обработки материалов», содержащее СВЧ-генератор, соединенный через магистральный прямоугольный волновод с плазмотроном волноводного типа на волне Н, который содержит прямоугольный волновод плазмотрона в диэлектрическую разрядную трубку, расположенную перпендикулярно широкой стенке этого волновода и проходящую через его середину, а также подсоединяемую к ней рабочую камеру, при этом устройство дополнительно содержит второй, аналогичный плазмотрон, расположенный так, что одним своим концом он соединен через прямоугольный волновод плазмотрона с магистральным прямоугольным волноводом и первым плазмотроном с помощью Е-тройника и волноводных поворотов, при этом противоположные концы прямоугольных волноводов плазмотронов соединены с помощью дополнительных волноводных поворотов, а диэлектрические разрядные трубы плазмотронов размещены коаксиально в круглых волноводах, подсоединенных, как и диэлектрические разрядные трубки, к вакуумной рабочей камере, расположенной между ними.
Патент РФ на изобретение №2157061, МПК: Н05Н 1/30, д. публ. 27.09.2000
Описанное устройство решает задачу повышения степени использования СВЧ энергии генератора за счет передачи неиспользованной части энергии, прошедшей через один плазмотрон, ко второму плазмотрону. Недостаток такого решения состоит в сложности и громоздкости устройства и конструкции волноводного тракта. Кроме того, защита магнетрона от отраженной волны обеспечивается только в случае строго идентичных условий поглощения и отражения СВЧ волны в обоих плазмотронах, что на практике обеспечить весьма сложно, так как они работают независимо друг от друга, а в случае отсутствия плазменного разряда в одном, а тем более в обоих плазмотронах вся или значительная часть СВЧ мощности возвращается обратно в магнетрон, поскольку в устройстве полностью отсутствует поглощающая балластная нагрузка.
К техническому результату относится повышение надежности работы устройства счет того, что СВЧ-генератор вне зависимости от наличия или отсутствия микроволнового плазменного разряда, а также степени его согласования с питающей электромагнитной волной, работает на согласованную нагрузку.
10
в
Кроме того, данная конструкция СВЧ-плазмотрона позволяет исключить необходимости использования технически сложных и дорогостоящих устройств согласования и защиты СВЧ генератора от отраженной волны. Вышеуказанный технический результат достигается за счет того, что «СВЧ-плазмотрон» содержит СВЧ-генератор, соединенный через магистральный прямоугольный волновод с плазмотроном волноводного типа на волне Н. Последний содержит прямоугольный волновод плазмотрона и диэлектрическую разрядную трубку, расположенную перпендикулярно широкой стенке этого волновода и проходящую через его середину, а также подсоединяемую к ней разрядную камеру. При этом устройство снабжено вторым дополнительным волноводом, а между СВЧ-генератором и разрядной камерой, выполнен трехдецибельный квадратурный мост в виде направленного ответвителя шлейфного типа со связью по широкой стенке волновода, причем к первому выходному плечу моста подключают первый волновод плазмотрона, а ко второму выходному плечу моста подключают второй дополнительный волновод плазмотрона, при этом разрядная камера является общей для них, кроме того оба волновода плазмотрона выполнены в виде короткозамкнутых отрезков таким образом, что ось разрядной камеры отстоит от короткозамкнутых концов волноводов на расстоянии кратном нечетному числу λ/4, а в плече моста, развязанном с входным плечом, располагают согласованную волноводную нагрузку.
СВЧ-плазмотрон поясняется чертежом-схемой на фиг. 1
Фиг. 1 - СВЧ-плазмотрон (схема общего вида)
в
СВЧ-плазмотрон согласно Фиг. 1 содержит СВЧ генератор 1, сочлененный через магистральный прямоугольный волновод 2 с входным плечом трехдецибельного квадратурного волноводного моста 3, выполненного в виде направленного ответвителя шлейфного типа со связью по широкой стенке волновода. К первому выходному плечу моста 3 подключен первый волновод 4 плазмотрона, ко второму выходному плечу моста 3 подключен второй, идентичный первому, дополнительный волновод 5 плазмотрона. Разрядная камера 6 плазмотрона, выполненная в виде полой диэлектрической трубки, пересекает первый 4 и второй 5 волноводы плазмотронов посередине их широких стенок и перпендикулярно к ним. Оба волновода 4 и 5 плазмотрона выполнены в виде короткозамкнутых отрезков таким образом, что ось разрядной камеры 6 отстоит от короткозамкнутых концов волноводов на расстоянии кратном нечетному числу λ/4. К плечу моста 3, развязанному с входным плечом, подключена согласованная балластная волноводная нагрузка 7.
10
в
10
СВЧ-плазмотрон работает следующим образом: от СВЧ генератора 1 по прямоугольному волноводу 2 распространяется электромагнитная волна на основном типе колебаний Н с длиной волны в волноводе λ и подается во входное плечо трехдецибельного волноводного моста 3. В мосте происходит разделение входной волны на две равные части половинной мощности, но сдвинутые по фазе на 180°. Эти две волны того же типа Н по двум идентичным волноводам 4 и 5 проходят к области генерации плазмы 8 в разрядной камере 6, где происходит их частичное поглощение в плазме 8. Прошедшие части волн, энергия которых не была использована для поддержания СВЧ разряда, отразившись от короткозамкнутых концов волноводов 4 и 5, меняют свою фазу на 180° и на обратном пути снова частично поглощаются в плазме 8. Две отраженные от плазмы при первом прохождении, а также две прошедшие и не поглощенные при обратном, втором прохождении волны, складываются в волноводном мосте 3 попарно и поступают в развязанное плечо моста 3, где поглощаются в согласованной балластной нагрузке 7.
Применение данной конструкции СВЧ-плазмотрона позволит повысить надежность работы устройства счет того, что СВЧ-генератор вне зависимости от наличия или отсутствия микроволнового плазменного разряда, а также степени его согласования с питающей электромагнитной волной, работает на согласованную нагрузку.
Кроме того, данная конструкция СВЧ-плазмотрона позволяет исключить необходимости использования технически сложных и дорогостоящих устройств согласования и защиты СВЧ генератора от отраженной волны.