Принцип работы вче-плазмотрона

П

1

2

ринцип работы ВЧЕ-плазмотрона удобно рассматривать на примере эквивалентной электрической схемы связи источника питания с плазмой (рис. 2.1).

В

1 – электроды; 2 – плазменный шнур.

Рисунок 2.1 – Эквивалентная электрическая схема связи источника питания с плазмой в ВЧЕ-плазмотроне

ВЧЕ-плазмотроне источник питания связан с плазмой через электрическую ёмкость коаксиальной системы, образованной внешними электродами 1 и плазменным шнуром 2. Возникающий при этом шнур плазмы не имеет непосредственного контакта ни с электродами, ни со стенками разрядной камеры, что обеспечивает чистоту плазмы. ВЧЕ-плазмотрон очень сильно отличается характером плазмы от ВЧИ-плазмотрона. Сила тока в ВЧЕ-плазмотроне составляет порядка нескольких ампер (1-10 А по сравнению с сотнями ампер в ВЧИ-плазмотроне), общее падение напряжения на единицу длины шнура составляет до 20-200 В/см, диаметр шнура – до 1 см (5-15 см для ВЧИ-плазмы). Эти характеристики ВЧЕ-плазмотрона позволяют реализовывать в нём высокую мощность при весьма слабых токах (до 10 А). Плазма в таких условиях даже в молекулярных газах неравновесна.

Качественные характеристики ВЧЕ-плазмотронов:

- низкий уровень излучения;

- высокая напряжённость электрического поля;

- малая мощность, необходимая для поддержания разряда.

Конструкции ВЧЕ-плазмотронов

Существует несколько вариантов конструкций разрядных камер ВЧЕ-плазмотронов: плазмотроны линейной схемы, линейно-тороидальные плазмотроны, с плоской геометрией электродов и с коаксиальной геометрией электродов. Классификация ВЧЕ-плазмотронов приведена в приложении В. Основные конструктивные схемы ВЧЕ-плазмотронов приведены в приложении Г.

ВЧЕ-плазмотроны линейной схемы

В ВЧЕ-плазмотронах линейной схемы применяется кольцевой цилиндрический электрод, не имеющий непосредственного контакта с плазмой. Такие плазмотроны называют линейными по виду разрядного канала, вытянутого в линию и соосных ему электродов (см. рис. 2.1). Различные конструктивные варианты линейных ВЧЕ-плазмотронов представлены в приложении В.

Электроды (их может быть 2, 3 или 5) в плазмотронах линейной схемы цилиндрические и располагаются соосно разрядным камерам с некоторым зазором. Подключение электродов к источнику питания осуществляется так, чтобы потенциальный электрод располагался между заземлёнными. Таким образом можно обеспечить экранировку электромагнитного поля и снять потенциал со струи плазмы, истекающей из разрядной камеры. В случае многоэлектродной схемы плазмотрона в разрядной камере образуется несколько ВЧ-дуг в соответствии с количеством электродов. Протекание тока через разряд происходит вдоль оси разрядной камеры. Мощность разряда и величина тока через разряд определяются величиной ёмкости связи между электродами и разрядом, которая зависит от диаметра и высоты электрода.

Уровень вкладываемой мощности в разряд ограничивается ресурсом работы разрядной камеры ВЧЕ-плазмотрона, а также слабой емкостной связью между электродами и плазменным шнуром. Для увеличения ресурса работы используют электроды специальной формы, обращённые друг к другу большими радиусами. Это обеспечивает более равномерную тепловую нагрузку по стенке камеры, однако не снимает возможность её перегрева. Также используют металлические водоохлаждаемые камеры, однако теряется чистота плазмы. Для повышения уровня мощности промежуток электрод - плазма заполняют средой с высокой диэлектрической проницаемостью с целью увеличения емкостной связи разряда плазмы с электродами. В качестве такой среды используют сегнетоэлектрическую вставку.

Базовая конструкция для ВЧЕ-плазмотрона линейной схемы приведена на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 – Базовая конструкция для ВЧЕ-плазмотрона линейной схемы

Л инейно-тороидальные ВЧЕ-плазмотроны

В

Рисунок 2.3 – Линейно-тороидальный ВЧЕ-плазмотрон

ЧЕ-плазмотрон линейной схемы может быть сделан в виде тора (рис. 2.3) с двумя или четырьмя электродами. Такой тип плазмотронов назван линейно-тороидальным. По характеристикам и принципу работы они сходны с плазмотронами линейной схемы.

ВЧЕ-плазмотрон с плоской геометрией электродов

Наиболее простой и известной формой ВЧЕ-разряда является разряд между двумя плоскими электродами (рис. 2.4). Такие плазмотроны могут иметь цилиндрическую или прямоугольную разрядную камеру. Основное назначение таких плазмотронов – реализация процессов травления и очистки различного рода материалов, осаждения и получения покрытий на металлические и неметалические материалы. Также большая область применения таких плазмотронов - для накачки газовых лазеров.

1 – электроды; 2 – диэлектрические покрытия.

Рисунок 2.4 – Схема ВЧЕ-плазмотрона с электродами плоской геометрии

В плазмотроне с плоской геометрией электродов (рис. 2.4) разрядный промежуток d, через который продувается газ, образован электродами 1, изолированными от разряда диэлектрическими покрытиями 2. Как правило, плоские электроды изготавливаются из меди, латуни или нержавеющей стали и располагаются на наружной поверхности разрядной камеры. Практически всегда электроды принудительно охлаждаются при помощи обдува их холодным газом или при помощи специальных трубочек, приваренных к электродам, через которые подаётся охлаждающая вода. Кроме того сами электроды могут быть полыми и через них может прокачиваться охладитель.

Главное внимание в плазмотронах такого типа уделяется однородности разряда и возможности прокачки больших расходов газа. На данный момент эффективность работы ВЧЕ-плазмотронов с плоской геометрией электродов в области больших расходов газа резко падает и их применение становится невозможным.

ВЧЕ-плазмотроны с коаксиальной геометрией электродов

Существенное продвижение в область высоких значений расходов газа возможно с использованием ВЧЕ-плазмотронов, имеющих коаксиальную геометрию электродов (рис. 2.5). ВЧЕ-плазмотрон коаксиальной схемы состоит из двух коаксиальных друг другу диэлектрических труб – внешней и внутренней. Вокруг внешней трубы располагается цилиндрический электрод. Он может быть закреплён непосредственно на трубе либо находиться на некотором расстоянии от неё. Второй электрод, тоже цилиндрический, располагается во внутренней трубе. Таким образом, оба электрода тоже коаксиальны друг другу и изолированы от разряда электрическими стенками труб, образующих разрядный промежуток и составляющих так называемую разрядную камеру плазмотрона. Основной материал для разрядной камеры – кварц, обладающий высокой теплостойкостью и способностью выдерживать резкие изменения температуры (градиент порядка 1000 К) при достаточно высокой электрической прочности. Электроды, как правило, медные. Они могут быть сплошными, сделанными в виде спирали или перфорированными различного рода отверстиями (с целью получения возможности наблюдать разряд).