книги / Специальные плазменные технологии

нению с сотнями ампер в ВЧИ-плазмотроне), общее падение напряжения на единицу длины шнура до 20–200 В/см, диаметр шнура 1 см (5–15 см для ВЧИ-плазмы). Это позволяет реализовать в ВЧЕ-плазмотроне высокую мощность при весьма слабых токах (до 10 А).

аб

Рис. 51. Эквивалентные электрические схемы связи источника питания с плазмой в ВЧИ- (а) и ВЧЕ-плазмотроне (б)

Плазма в таких условиях даже в молекулярных газах неравновесна. Положительные характеристики ВЧЕ-плазмотронов: низкий уровень излучения, высокая напряженность электрического поля, малаямощность, необходимаядляподдержанияразряда.

Конфигурация разрядных камер, схемы охлаждения и способы подачи плазмообразующего газа аналогичны ВЧИ-плазмо- тронам. Плазмотроны для ВЧЕ конструктивно могут быть: плазмотроны линейной схемы, линейно-тороидальные плазмотроны, с плоской геометрией электродов, с коаксиальной геометрией электродов, комбинированные.

Плазмотроны линейной схемы получили название по ви-

ду разрядного канала, вытянутого в линию, и соосных ему электродов. Различные конструктивные варианты линейных ВЧЕ-

141

плазмотронов представлены на рис. 52, а–ж. Они могут быть сделаны двухэлектродными (а), трехэлектродными (б), пятиэлектродными (в). Электроды цилиндрические располагаются соосно разрядным камерам (РК) с некоторым зазором. Подключение электродов к источнику питания осуществляется так, чтобы потенциальный электрод располагался между заземленными.

Таким образом, можно обеспечить экранировку электромагнитного поля и снять потенциал со струи плазмы, истекающей из РК. В случае многоэлектродной схемы плазмотрона в разрядной камере образуется несколько ВЧ-дуг в соответствии с количеством электродов (рис. 52, жирные линии). Протекание тока через разряд происходит вдоль оси разрядной камеры. Мощность разряда и величина тока через разряд определяются величиной емкости связи между электродами и разрядом, которая, в свою очередь, зависит от диаметра и его высоты.

Наиболее предпочтительна конструкция с тремя электродами – высоковольтным средним электродом, расположенным между двумя заземленными электродами (рис. 53). Это обеспечивает надежное экранирование электромагнитного излучения.

ВЧЕ-плазмотрон линейной схемы может быть сделан в виде тора (рис. 52, з, и): с двумя (рис. 52, з) или четырьмя (рис. 52, и) электродами. В классификации (рис. 54) такой тип плазмотрона назван линейно-тороидальным. Разрядная камера ВЧЕ-плазмо- трона линейно-тороидальной схемы имеет форму полого кольца с двумя отверстиями. С одной стороны подается газ, с другой стороны выдувается плазма. Электроды располагаются по периметру кольца, при этом их количество может быть два и четыре (см. рис. 52, з, и). Электроды должны располагаться с обеих сторон оси, проведенной через впускное и выпускное отверстия для плазмообразующего газа. Наиболее простой и известной формой ВЧЕ-разряда является разряд между двумя плоскими электродами (см. рис. 52, к, л). В классификации устройства такого типа называются ВЧЕ-плазмотронами с плоской гео-

метрией электродов (рис. 54). Эти устройства могут иметь цилиндрическую (см. рис. 52, л) или прямоугольную (см. рис. 52, к)

142

разрядную камеру. Основное их назначение – реализация процессов травления и очистки различного рода материалов, осаждения и получения покрытий на металлические и неметаллические изделия, также очень широко применяется разряд для накачки газовых лазеров. Возбуждение газовых молекулярных сред с помощью высокой частоты обладает рядом преимуществ по сравнению с возбуждением разрядом постоянного тока.

Например, для возбуждения ВЧ-разряда отпадает необходимость расположения металлических электродов внутри разрядной камеры и тем самым обеспечивается стерильность разрядного промежутка. В плазмотроне с плоской геометрией электродов (рис. 55) разрядный промежуток d, через который продувается плазмообразующийгаз, образован электродами1, изолированными от разряда диэлектрическими покрытиями 2. Плоские электроды изготавливают из меди, латуни или нержавеющей стали, располагаютсяони нанаружной поверхностиразрядной камеры.

Рис. 55. Схема ВЧЕ-плазмотрона с электродами плоской геометрии

Они могут прилегать к поверхности или находиться на некотором расстоянии, образуя воздушный зазор между электродом и РК. Часто этот зазор заполняют диэлектрическим материалом. Электроды принудительно охлаждаются при помощи обдува их холодным газом или охлаждающей водой, поступающих по специальным трубкам, кроме того, сами

145

электроды могут быть полыми, и через них может прокачиваться охладитель.

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

Существенное продвижение в область высоких значений расходов газа возможно с использованием ВЧЕ-плазмотронов, имеющих коаксиальную геометрию электродов (см. рис. 52, м).

ВЧЕ-плазмотрон коаксиальной схемы состоит из двух коакси-

альных друг другу диэлектрических труб – внешней и внутренней. Вокруг внешней трубы располагается цилиндрический электрод. Он может быть закреплен непосредственно на трубе либо находиться на некотором расстоянии от нее. 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. Электроды, как правило, медные. Они могут быть сплошными, сделанными в виде спирали или перфорированными.

В комбинированных плазмотронах газ подается сразу в две трубки, расположенные под углом друг к другу (см. рис. 52, н). Эти трубки соединяются в одну, через которую плазменный поток выдувается. Высоковольтные электроды устанавливаются на трубки, в которые вдувается плазмообразующий газ, а заземленный электрод устанавливается на выходную трубку. При этом плазма генерируется между этими тремя электродами.

146

4.5. ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СВЯЗИ ВЧЕ-РАЗРЯДА С ЭЛЕКТРОДОМ ПЛАЗМОТРОНА

Микрохарактеристики положительного столба разряда зависят от тока разряда Ip, активного сопротивления плазменного шнура Rp, давления р, геометрии и вольтамперных характеристик разряда и рода плазмообразующего газа.

При конструировании высокочастотных установок с плазмой как нагрузкой важно знать не только эквивалентные параметры нагрузки Rэ и Сэ, но и динамику их изменения во времени. ВЧЕ-плаз- мотрон как нагрузка высокочастотного генератора представляет со- бойRC-цепь(см. рис. 52). ВеличинаСр независитотрежимаработы иопределяетсятолькогеометриейэлектродовиподводящихшин.

Величина емкости системы электрод–разряд Сэ рассчитывается с учетом геометрических размеров электродов и ВЧразряда. Для цилиндрической разрядной камеры и коаксиальных с нею электродов Сэ можно определить по формуле Сэ = 2πεε0l/ln(D/d), где l – высота электрода; D – его диаметр; d – диаметр разряда. Диаметр плазменного канала при распространении вдоль последней затухающей поперечно-магнитной волны зависит от глубины проникновения ВЧ-поля в шнур плазмы (скин-слоя) и процесса теплоотвода от токового канала.

Изменение величины Сэ в зависимости от режима работы ВЧЕ-плазмотрона показано на рис. 56, кривые 1а, 2а, 3а.

Заметный рост Сэ с понижением расхода плазмообразующего газа связан с увеличением эффективного диаметра разряда. Различие кривых 1а, 2а определяется разной величиной мощности Рр. Конструкции с охлаждением РК водой позволяет обеспечить более эффективную связь между электродами и разрядом. Помимо использования воды для охлаждения стенок РК, повышение Сэ возможно также за счет увеличения диаметра РК и соответственно диаметра и ширины электродов. Исследования ВАХ ВЧЕ-плазмотрона с внешними электродами при работе на гелии (рис. 57) показали, что на величину тока, текущего через разряд, в основном влияет соотношение между диаметрами

147

электрода и РК. Из рис. 57 видно, что с уменьшением зазора между электродами и РК снижается реактивное сопротивление участка цепи электрод–разряд за счет роста емкости Сэ и увеличивается ток разряда.

Однако уменьшение зазора электрод–разрядная камера ограничено возможностью его электрического пробоя и выходом из строя РК. В таком плазмотроне зазор между электродом и разрядной камерой не может быть менее 6–8 мм (без дополнительных мер защиты электродов). В плазмотроне с охлаждением РК водой удается осуществить зазор до 1 мм.

4.6. ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ПЛАЗМОТРОНОВ

В высокочастотных плазменных установках, как правило, применяются ламповые генераторы с самовозбуждением – автогенераторы.

Автогенератор – это генератор, у которого переменное напряжение на сетку подается из анодной цепи через цепь обратной связи. Частота и амплитуда колебаний у автогенератора определяются лишь его собственными параметрами. В зависимости от типа плазмотрона и его технологического предназначения автогенераторы могут работать в диапазоне частот от 60 кГц до 80 МГц. В последнее время значительные изменения произошли в конструкциях выпрямителей, а также в системах управления генераторов, которые теперь строятся с использованием микропроцессорной техники. Однако принципиальная схема высокочастотного блока практически не изменилась и, как правило, делается на базе ламповых триодов. Колебательная система, присоединяемая к генераторной лампе, должна обеспечить условия, при которых генератор работал бы вполне устойчиво, отдавал требуемую колебательную мощность при достаточно высоком КПД, а частота генерирующих электромагнитных колебаний находилась бы в заданном диапазоне.

149

Внастоящее время для питания ВЧ-плазмотронов используются ВЧ-генераторы с частотой 440 кГц – 30 МГц, основное назначение которых индукционный и диэлектрический нагрев материалов. При этом непосредственное подключение плазмотрона к генератору без изменения его колебательной системы не позволяет передать плазме номинальную высокочастотную мощность, что приводит к снижению КПД установки. Колебательная система выбирается таким образом, чтобы обеспечить необходимую величину вкладываемой в разряд мощности на рабочей частоте. Выбор схемы зависит главным образом от необходимойчастотыавтоколебанийитребований кеестабильности.

Втабл. 10 приведены основные типы установок, применяемых для питания ВЧ-плазмотронов. В диапазоне частот 0,066–5,28 МГц для питания ВЧИ-плазмотронов можно использовать промышленные генераторы типа ВЧИ, которые разработаны и применяются для индукционного нагрева различных материалов. Выбор этих генераторов определяется тем, что они рассчитаны на нагрев в поле индуктора, эквивалентная схема которого подобнаэквивалентной схемеиндукционногоплазмотрона.

Аналогично обстоит дело и с ламповыми генераторами для питания емкостных плазмотронов. В диапазоне частот 13–50 МГц применяются промышленные генераторы типа ВЧГ, которые разработаны и применяются для нагрева диэлектриков. Нагрузка таких генераторов емкостная и близка к эквивалентной схеме ВЧЕ-плазмотрона.

Итак, плазменные ВЧ-установки в основном эксплуатируются на частотах: ВЧИ – в диапазоне от 66 кГц до 27,12 МГц; ВЧЕ – в диапазоне от 5,28 до 152,5 МГц.

С точки зрения способа подачи напряжения возбуждения диапазон частот можно разделить на два: от 0,66 до 5,28 МГц

иот 13,56 до 152,5 МГц. При частотах первого диапазона напряжение возбуждения снимается с какого-либо элемента колебательной системы кондуктивно или индуктивно. При более высоких частотах (второй диапазон) обратная связь осуществляется

150