Устройство для генерации плазмы

Изобретение относится к области генерации СВЧ-плазмы и предназначено для применения в широком спектре плазменных технологий, использующих плазму газового СВЧ-разряда. Устройство для генерации плазмы содержит размещенный в газовой среде инициатор и СВЧ-излучатель. СВЧ-излучатель воздействует на инициатор. В качестве инициатора использован проводящий электрический вибратор. Проводящий электрический вибратор освещен ультрафиолетовым излучением. Вибратор установлен параллельно проводящей поверхности в области интерференционной пучности волны. Изобретение позволяет не проводить предварительных экспериментальных исследований для подбора конструкции инициатора и обеспечить стабилизацию момента пробоя и длительности СВЧ-разряда. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области генерации СВЧ-плазмы и может найти применение в широком спектре плазменных технологий, использующих плазму газового СВЧ-разряда.

Из предшествующих работ известны устройства для генерации СВЧ-плазмы различного типа. Например, устройства для генерации СВЧ-плазмы, в которых газовый электрический разряд инициирован лазерным факелом на специальной мишени или инициатором в виде системы металлических острий - проволочная «метелка» (Труды ФИ АН СССР, 1985. Том. 160. С.174-203).

Известны также устройства для генерации плазмы, в которых использованы инициаторы газового электрического разряда в виде охватывающего разрядную область кольцевого искрового источника ультрафиолетового излучения (ЖТФ. 1987. Том.57, Вып.4. С.881-686). В (J. of Phvs. D: AppL Phvs. 35 (2002) 2687-2692) описано устройство для генерации плазмы, в котором в качестве инициатора газового электрического разряда использован лист радиопрозрачного диэлектрика со случайным образом внедренными в него металлическими включениями.

Все перечисленные устройства для генерации плазмы обладают существенными недостатками. Так, лазерный факел или кольцевой источник ультрафиолетового излучения являются сами по себе сложными устройствами, имеющими низкий КПД. Проволочная метелка и металлопластинчатая мишень локализуют область образования плазмы с большой пространственной неопределенностью. Их параметры необходимо подбирать и настраивать экспериментально.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство для генерации плазмы, содержащее размещенный в газовой среде инициатор и СВЧ-излучатель, воздействующий на инициатор (Патент РФ №2046559, кл. Н 05 Н 1/46, 1992 г.).

Недостатком этого устройства является необходимость предварительно определить структуру разряда с целью определения формы и параметров инициатора, т.к. структура разряда существенно зависит от состава газа, его давления р, уровня поля Е его поляризации и т.п., то это возможно сделать только экспериментально, применяя какое-либо из уже известных устройство инициации.

Кроме того, недостатком этого устройства является нестабильность момента начала разряда, а в случае импульсных разрядов - нестабильность длительности горения разряда. Это связано с тем, что существующие СВЧ-генераторы электромагнитных волн с длиной волны в сантиметровом диапазоне, требующиеся для пробоя величины напряженности поля Е при давлении р>100 Торр, могут быть реализованы, как правило, только в ограниченной области и чаще всего только в импульсном режиме работы СВЧ-генератора с длительностью импульса излучения, не превышающей десятков микросекунд. В этом случае характерный поперечник данной области имеет размер масштаба длины волны или существенно меньше, или ее объем очень мал. Опыт показывает, что в столь малом объеме за время импульса может просто не быть свободных электронов, и разряд в отдельных импульсах будет носить случайный характер, даже при Е>Е_проб. Это приведет к тому, что момент пробоя будет иметь статистический разброс, а длительность разряда t_раз в различных его реализациях будет различной.

Задачей изобретения является разработка устройства генерации плазмы в газах, которое не требует предварительных экспериментальных исследований для подбора конструкции инициатора и обеспечивает стабилизацию момента пробоя и длительности СВЧ-разряда.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для генерации плазмы, содержащем размещенный в газовой среде инициатор и СВЧ-излучатель, воздействующий на инициатор, в качестве инициатора использован проводящий электрический вибратор, который освещен ультрафиолетовым излучением. Проводящий электрический вибратор установлен параллельно проводящей поверхности в области интерференционной пучности волны.

Для решения этой задачи в устройстве для генерации плазмы, содержащем размещенный в газовой среде инициатор и СВЧ-излучатель, воздействующий на инициатор, в качестве инициатора использован проводящий электрический вибратор, который освещен ультрафиолетовым излучением. Проводящий электрический вибратор установлен параллельно проводящей поверхности в области интерференционной пучности волны на поверхности радиопрозрачного диэлектрика.

Для решения этой задачи в устройстве для генерации плазмы, содержащем размещенный в газовой среде инициатор и СВЧ-излучатель, воздействующий на инициатор, в качестве инициатора использован проводящий электрический вибратор, который освещен ультрафиолетовым излучением. При этом проводящий электрический вибратор установлен параллельно проводящей поверхности в области интерференционной пучности волны на проводящей стойке, которая контактирует с ним в узле его собственного электрического поля.

Применение проводящего электрического вибратора в качестве инициатора в устройстве генерации плазмы расширяет область научного и технического применения плазмы СВЧ-разрядов. Конструкция и параметры предлагаемого устройства могут быть определены без проведения предварительных экспериментов. Теория проводящего электрического вибратора хорошо известна (Г.Т.Марков, Д.М.Сазонов «Антенны», Энергия, М., 1975), что позволяет легко рассчитать его электрические характеристики и требуемые размеры при заданной мощности СВЧ-генератора, типа газа, плотности, влажности и других характеристик газа, влияющих на его электрическую прочность. Устройство допускает реализацию СВЧ-разряда при применении сравнительно маломощных СВЧ-генераторов в газах высокого и сверхвысокого давления в импульсном и непрерывном режиме, стабилизирует процесс инициации за счет установки вибратора параллельно проводящей поверхности и освещен ультрафиолетовым излучением, которое обеспечивает выход с его поверхности фотоэлектронов. Что подтверждает существенность вышеизложенных признаков.

Фиг.1 - Схема устройства для генерации плазмы с установкой проводящего электрического вибратора параллельно проводящей поверхности.

Фиг.2 - Схема установки проводящего электрического вибратора на поверхности радиопрозрачного диэлектрика.

Фиг.3 - Схема установки проводящего электрического вибратора на проводящей стойке.

Устройство для генерации плазмы содержит проводящий электрический вибратор 1, который расположен в зоне источника 2 ультрафиолетового излучения под воздействием СВЧ-излучателя 3.

Проводящий электрический вибратор 1 может быть установлен параллельно проводящей поверхности 4 или на поверхности радиопрозрачного диэлектрика 5, или на проводящей стойке 6.

Устройство работает следующим образом.

СВЧ-излучатель создает электромагнитную волну в некоторой области газовой среды.

В данную среду помещается проводящий электрический вибратор 1 для инициации разряда. Синхронно с подачей СВЧ-излучения область полюса проводящего электрического вибратора 1 освещается источником 2 ультрафиолетового излучения для принудительного создания в зоне повышенного поля свободных электронов за счет фотоэффекта.

СВЧ-излучатель 3, воздействуя на проводящий электрический вибратор 1, вызывает протекание в нем тока. Собственное поле проводящего электрического вибратора 1, вызванное этим током, имеет максимальное значение на его полюсах. Значение этого поля в локальной области вблизи полюса может значительно превышать значение исходного поля. Подбирая параметры (длину, проводимость, диаметр, радиус закругления полюсов, материал) проводящего электрического вибратора 1, можно добиться, чтобы это значение превышало пробойную величину Е_проб.

В зависимости от условий применения устройства для генерации плазмы проводящий электрический вибратор 1 может быть установлен параллельно проводящей поверхности 4 в зоне интерференционной пучности (Фиг.1) или параллельно ей в зоне интерференционной пучности на поверхности радиопрозрачного диэлектрика 5 (Фиг.2), или на проводящей стойке 6, которая контактирует с ним в узле его собственного электрического поля (Фиг.3).

Источник 2 ультрафиолетового излучения может быть в том числе и импульсным с длительностью импульса несколько микросекунд. Длина волны ультрафиолетового излучения должна быть достаточной для обеспечения фотоэффекта с поверхности проводящего вибратора 1, что определяется материалом, из которого он изготовлен.

Таким образом, в области полюса проводящего электрического вибратора 1 выполняется одновременно два условия для обеспечения возможности возникновения разряда - это наличие электромагнитного поля с величиной, превышающей пробойное значение, и наличие свободных электронов, что приводит к стабильному зажиганию СВЧ-разряда.

1. Устройство для генерации плазмы, содержащее размещенный в газовой среде инициатор и СВЧ-излучатель, воздействующий на инициатор, отличающийся тем, что в качестве инициатора использован проводящий электрический вибратор, который освещен ультрафиолетовым излучением и установлен параллельно проводящей поверхности в области интерференционной пучности волны.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что проводящий электрический вибратор установлен на поверхности радиопрозрачного диэлектрика.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что проводящий электрический вибратор установлен на проводящей стойке, которая контактирует с ним в узле его собственного электрического поля.