206191

Министерство образования и науки Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

В.М. ГЕЛЛЕР, В.А. ХРУСТАЛЕВ, С.А. ЧИПУРНОВ

СПЕЦГЛАВЫ ФИЗИКИ: ГЕНЕРАТОРЫ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

НОВОСИБИРСК

2008

УДК 533.9…15 + 621.387.143](075.8) Г 314

Рецензенты: д-р техн. наук, проф. В.П. Разинкин, д-р техн. наук С.Ю. Матвеев

Работа выполнена на кафедре электронных приборов

Геллер В.М.

Г 314 Спецглавы физики: генераторы низкотемпературной плазмы : учеб. пособие / В.М. Геллер, В.А. Хрусталев, С.А. Чипурнов. – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2008. – 36 с.

ISBN 978-5-7782-1059-2

В работе обоснована концепция анализа энергетических характеристик плазменных сред и активации процессов в плазме. Предложена теория представления реакторных объемов плазменных установок в виде «цепных» аналогов.

Рассмотрены схемотехнические решения, лежащие в основе функционирования емкостных, индукционных и гибридных генераторов высокочастотной низкотемпературной плазмы. Предложены конструктивные решения установок для плазмохимической обработки приборов.

Рекомендовано для студентов 2–4-го курсов РЭФ.

2

α– коэффициент использования объема реактора

θ– угол отсечки анодного тока

5

§ 1.2. ИНДУКЦИОННЫЕ И ЕМКОСТНЫЕ МЕТОДЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ

По типу возбуждения ВЧ разряда традиционно различают так называемые индукционные и емкостные методы в зависимости от того, замыкаются силовые линии электрического поля (индуктивный разряд) или нет (емкостный).

Индукционный разряд принято рассматривать как разогрев токопроводящего тела в переменном электрическом поле под действием индуцируемых в нем кольцевых токов. При этом сама плазма рассматривается как металлоид с плохой проводимостью.

Первое упоминание об индукционном газовом разряде встречается у Гитторфа. В работе, опубликованной в 1884 г., он отметил, что газ в помещенной внутрь соленоида трубке начинает светиться при пропускании через соленоид переменного тока. Тесла, Лермани, Лехер и Штейнер объясняли это явление действием межвиткового электрического поля, в то время как сам Гитторф, а позднее Томсон приписывали возникновение газового разряда действию магнитного поля. Впоследствии Томсоном была предложена индукционная теория безэлектродного ВЧ разряда. Исходя из решения уравнения Максвелла для бесконечно длинного соленоида Томсон получил выражение, определяющее физические процессы в индукционном разряде. Таунсенд и Дональдсон в своих работах возражали против «магнитной» гипотезы создания и поддержания разряда. Примерно в то же время они доказывали, что разряд может быть вызван электрическим полем индуктора. Основным их доводом было то, что напряжение электрического поля между крайними витками в 30–40 раз выше наводимой напряженности. Столь существенное расхождение мнений стало источником дополнительного интереса многочисленных исследователей.

В конечном итоге Мак-Киннон, воспроизведя эксперименты Таунсенда и Томсона, доказал, что противоречивость полученных ими данных легко объясняется различными условиями проведения эксперимента. Томсон в своем опыте использовал достаточно мощный генератор затухающих колебаний, в то время как у Таундсанда был маломощный ламповый генератор незатухающих колебаний. МакКиннон опробовал оба варианта и показал, что и в случае незатухающих колебаний при подведении большой мощности возможно получе-

7

ние «магнитного» разряда. Согласно Мак-Киннону, зажигание безэлектродного разряда происходит за счет электрической составляющей поля, и далее, с ростом проводимости плазмы разряд плавно переходит в магнитный – H-тип. После разрешения этого спора интерес к безэлектродному разряду заметно убавился. О промышленном использовании генераторов плазмы такого типа тогда не могло быть и речи, так как имеющаяся элементная база не позволяла создавать мощные ВЧ источники энергии. Первые экспериментальные образцы промышленных ВЧ плазмотронов были созданы лишь в 1950-х гг.

Высокочастотные емкостные генераторы плазмы появились несколько позднее индукционных – лишь в начале 1960-х гг., хотя разряды такого типа регистрировались и ранее. Исследование емкостного разряда, как и индукционного, тесно связано с развитием мощных ламповых генераторов, способных работать на частотах порядка единиц и сотен мегагерц. При недостаточном вакууме внутри баллона генераторных ламп на ее заостренных деталях мог возникать газовый разряд. Следует отметить, что такое явление весьма нежелательно для генератора и с ним настойчиво боролись конструкторы и технологи. Наблюдаемый в электронных лампах разряд принято называть факельным, но он имеет много общего с емкостным ВЧ разрядом.

Впервые идея о природе факельного ВЧ разряда была высказана М.С. Нейманом в 1935 г. Он предположил, что токи, протекающие в разрядах такого типа, замыкаются на землю. Тем самым был определен характер связи источника ВЧ энергии с плазмой. Уже в начале 1960-х гг. предпринимались попытки создания ВЧ плазмотронов, работающих по принципу факельного ВЧ разряда. В частности, в работе [1] была предложена конструкция реакторного узла с коаксиально расположенными электродами, которая послужила прототипом так называемых линейных ВЧЕ* плазмотронов, работающих, как правило, при атмосферном давлении. Электроды линейных ВЧЕ плазмотронов выполняются в виде двух колец, закрепленных на диэлектрической трубке, которая служит плазменным реактором (рис. 1.1). Известны многоэлектродные конструкции, в которых на кольца подается ВЧ потенциал.

* Для обозначения высокочастотных электрических и индукционных разрядов приняты аббревиатуры соответственно ВЧЕ и ВЧИ.

8

реактора. Электроды «безэлектродных» ВЧЕ плазмотронов изолированы, и в них, как и в ВЧИ плазмотронах, плазма не содержит продуктов эрозии электродов. Электроды ВЧЕ плазмотронов не изнашиваются, что способствует увеличению срока службы последних.

Емкостный и индукционный ВЧ разряды можно представить в виде эквивалентных электрических схем с сосредоточенными параметрами. Такие электрические модели весьма удобны при расчетах и согласовании систем ВЧ генератор–плазменный реактор.

§ 1.2.1. ТРАНСФОРМАТОРНАЯ ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА ЗАМЕЩЕНИЯ ИНДУКЦИОННОГО РАЗРЯДА

Индукционный разряд обычно замещают схемой с воздушным

где e – заряд электрона; ne – плотность электронов плазмы; m – масса

электрона; ν – эффективная частота упругих соударений в плазме. Во-вторых, геометрической индуктивности L2, обусловленной электромагнитными свойствами плазмы, возникающей как следствие протекания кольцевых электрических токов. Последняя индуктивно связана с первичной обмоткой воображаемого трансформатора, представ-

10