Устройство для получения высокочастотного индукционного разряда

 

Изобретение относится к газоразрядной технике и может быть использовано в газоразрядных устройствах для спектроскопического анализа газов и их смесей, например для определения состава выдыхаемых смесей газов в медицинской диагностике, а также в качестве компактного источника света. В устройстве для получения ВЧИ-разряда, содержащем герметичную газоразрядную камеру с индуктором, который представляет собой одиночный провод, своими концами подсоединенный к ВЧ-генератору, индуктор выполнен в виде каркаса выпуклого многогранника, каркас содержит все ребра многогранника, а сам многогранник имеет не более двух вершин, в которых сходятся нечетное количество ребер, причем на поверхность индуктора нанесен слой электрической изоляции. Таким многогранником может быть: октаэдр, кубооктаэдр, икосододекаэдр, ромбокубооктаэдр, ромбоикосододекаэдр. Технический результат: реализация сферической фокусировки плазмы с одновременным увеличением эффективности использования вложенной в разряд энергии. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к газоразрядной технике и может быть использовало в газоразрядных устройствах для спектроскопического анализа газов и их смесей, например для определения состава выдыхаемых смесей газов в медицинской диагностике, а также в качестве компактного источника света.

Уровень техники

Известно устройство для получения высокочастотного индукционного разряда (ВЧИ-разряда), содержащее герметичную газоразрядную камеру и индуктор, который представляет собой одиночный провод, своими концами подсоединенный к высокочастотному генератору (ВЧ-генератору), причем индуктор выполнен в форме плоской спирали Архимеда [1] (Y.Yin, J.Messier, J.A.Hopwood, "Miniaturization of Inductively coupled plasma sources", IЕЕE Transactions on Plasma Science, 1999, v. 27, № 5, p.1516-1524). Недостатком этого устройства является недостаточная удельная на единицу объема интенсивность свечения плазмы ВЧИ-разряда, что ограничивает применение ее для спектроскопии газовых смесей. Этот недостаток связан с формой индуктора, при которой отсутствует фокусировка ВЧ-энергии, подводимой к разряду.

Известно устройство для получения ВЧИ-разряда, содержащее герметичную газоразрядную камеру и индуктор, который также представляет собой одиночный провод, своими концами подсоединенный к ВЧ-генератору, причем индуктор выполнен здесь в форме цилиндрической винтовой линии [2] (J.-C.Park, J.K.Lee, B.Kang, "Properties of inductively coupled plasma source with helical coil", IEEE Transactions on Plasma Science, 2000, v.28, № 2, p.403-413).

Последнее решение, как наиболее близкое по физической и технической сущности, выбрано за прототип.

Недостатком этого устройства также является недостаточная удельная на единицу объема интенсивность свечения плазмы ВЧИ-разряда, что также связано с формой индуктора, при которой действуют геометрические эффекты “цилиндрической фокусировки ВЧ-энергии”, подводимой к разряду.

Сущность изобретения

Задачей изобретения является повышение удельной интенсивности свечения плазмы.

Техническим результатом является получение сферического плазменного образования с одновременным повышением удельной интенсивности свечения плазмы ВЧИ-разряда при одинаковой с прототипом мощности ВЧ-генератора.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для получения ВЧИ-разряда, содержащем герметичную газоразрядную камеру с индуктором, который представляет собой одиночный провод, своими концами подсоединенный к ВЧ-генератору, в отличие от прототипа индуктор выполнен в виде каркаса выпуклого многогранника, каркас содержит все ребра многогранника, а сам многогранник имеет не более двух вершин, в которых сходятся нечетное количество ребер, причем на поверхность индуктора нанесен слой электрической изоляции. Таким многогранником может быть: октаэдр, кубооктаэдр, икосододекаэдр, ромбокубооктаэдр, ромбоикосододекаэдр. Терминология и внешний вид перечисленных многогранников приведен на с.25, 35-38 [3] (Веннинджер М. Модели многогранников. М.: Мир, 1974).

Поясним, на чем основана достижимость технического результата. При определенном выборе давления газа в камере, размеров индуктора и величины мощности ВЧ-генератора в прототипе и в предлагаемой камере можно добиться компактного существования плазмы: в прототипе плазма вытянута вдоль индуктора, а в нашем случае - целиком содержится внутри каркаса многогранника и имеет сферическую форму, если каркас содержит все ребра многогранника. При этом действуют геометрические эффекты “цилиндрической фокусировки ВЧ-энергии”, подводимой к разряду, для прототипа и “сферической фокусировки ВЧ-энергии” в нашем случае, приводящие к увеличению удельной интенсивности свечения плазмы. Провод индуктора для указанных многогранников всегда можно проложить таким образом, что ток в любой грани обходит ее в одном направлении. Это является дополнительным фактором сферической фокусировки. Ясно, что сферическая фокусировка более эффективная.

Условие, что многогранник имеет не более двух вершин, в которых сходится нечетное количество ребер, необходимо для того, чтобы одиночный провод “обходил” все ребра многогранника ровно один раз, так как если в фигуре (графе, каковым является каркас многогранника) число нечетных вершин больше двух, то вдоль нее нельзя уложить одиночный провод согласно с.72 [4] (Щарыгин И.Ф., Ерганжиева Л.Н. Наглядная геометрия. М.: Дрофа, 1998). Если провод индуктора будет обходить все ребра ровно один раз, то плазма будет поддерживаться в сферически симметричном состоянии.

Также необходимо, чтобы на поверхность индуктора был нанесен слой электрической изоляции. Это исключает прямой контакт между различными участками провода индуктора, сходящимися в вершинах многогранника.

На фиг.1-5 показаны примеры выполнения индуктора устройства для получения ВЧИ-разряда в виде каркаса выпуклого многогранника. Индуктор для всех примеров должен находиться внутри герметичной газоразрядной камеры, которая на фиг.1-5 не показана.

На фиг.1 показан индуктор в виде ромбокубооктаэдра. На фиг.2 показан индуктор в виде ромбоикосододекаэдра. На фиг.3 показан индуктор в виде икосододекаэдра. На фиг.4 показан индуктор в виде кубооктаэдра. На фиг.5 показан индуктор в виде октаэдра. На фиг.6 показана фотография плазмы внутри герметичной газоразрядной камеры с индуктором в виде ромбокубооктаэдра. Индуктор может быть выполнен из медного провода диаметром 1-2 мм, покрытого лаковой изоляцией.

Характерный размер индуктора, длина наибольшей диагонали многогранника, выбирается в зависимости от величины давления газа, при котором предполагается зажигать разряд, с тем, чтобы плазма находилась бы целиком внутри каркаса многогранника. Общую формулу для длины максимальной диагонали многогранника в зависимости от величины давления получить, по-видимому, затруднительно, но в каждом конкретном случае эту длину можно подобрать экспериментально. Например, для воздуха при давлении 0,1 тopр и мощности ВЧ-генератора 200 Вт она составляет 5-15 см.

Работает устройство следующим образом. В газоразрядную камеру помещают индуктор и подключают к нему ВЧ-генератор. После закачивания в камеру газовой смеси необходимого давления включают ВЧ-генератор. Сразу же после этого зажигается ВЧИ-разряд, локализованный внутри индуктора.

Проведенные испытания продемонстрировали, что ВЧИ-разряд, действительно, локализован внутри индуктора, а удельная интенсивности свечения плазмы получается выше в 1,5-2 раза, чем у прототипа при одинаковых давлении газа, мощности ВЧ-генератора и индуктивности индуктора.

Это позволяет использовать предлагаемое устройство в газоразрядных устройствах для спектроскопического анализа газов и их смесей, например, для определения состава выдыхаемых смесей газов в медицинской диагностике, а также в качестве компактного источника света.

Формула изобретения

1. Устройство для получения высокочастотного индукционного разряда, содержащее герметичную газоразрядную камеру с индуктором в виде одиночного провода, своими концами подсоединенного к высокочастотному генератору, отличающееся тем, что индуктор выполнен в виде каркаса выпуклого многогранника, каркас содержит все ребра многогранника, а сам многогранник имеет не более двух вершин, в которых сходится нечетное количество ребер, причем на поверхность индуктора нанесен слой электрической изоляции.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выпуклый многогранник представляет собой октаэдр.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выпуклый многогранник представляет собой кубооктаэдр.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выпуклый многогранник представляет собой икосододекаэдр.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выпуклый многогранник представляет собой ромбокубооктаэдр.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выпуклый многогранник представляет собой ромбоикосододекаэдр.

РИСУНКИ