Генератор широкоаппертурного потока газоразрядной плазмы



Генератор широкоаппертурного потока газоразрядной плазмы
Генератор широкоаппертурного потока газоразрядной плазмы

 

H05H1/24 - Плазменная техника (термоядерные реакторы G21B; ионно-лучевые трубки H01J 27/00; магнитогидродинамические генераторы H02K 44/08; получение рентгеновского излучения с формированием плазмы H05G 2/00); получение или ускорение электрически заряженных частиц или нейтронов (получение нейтронов от радиоактивных источников G21, например G21B,G21C, G21G); получение или ускорение пучков нейтральных молекул или атомов (атомные часы G04F 5/14; устройства со стимулированным излучением H01S; регулирование частоты путем сравнения с эталонной частотой, определяемой энергетическими уровнями молекул, атомов или субатомных частиц H03L 7/26)

Владельцы патента RU 2496283:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт систем обработки изображений Российской академии наук (ИСОИ РАН) (RU)
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет) (СГАУ) (RU)

Изобретение относится к области получения направленных потоков низкотемпературной плазмы с большим током и может быть использовано в микроэлектронике при производстве интегральных микросхем на активных и пассивных подложках и в дифракционной оптике при производстве элементов дифракционной оптики. Генератор широкоаппертурного потока газоразрядной плазмы содержит полый катод с основанием, установленный коаксиально в полую изоляцию и закрыт крышкой так, что высота полости полого катода определена соотношением 3λ<L<5λ, где λ - длина свободного пробега электрона в потоке газоразрядной плазмы. Основания анода и катода выполнены перфорированными, толщина изоляции между полым анодом и полым катодом определена соотношением 0,5d<h<d, где d - диаметр соосно расположенных отверстий в основаниях анода и катода. Технический результат- повышение равномерности распределения частиц по сечению потока и упрощение конструкции. 2 ил.

 

Изобретение относится к области получения направленных потоков низкотемпературной плазмы с большим током и может быть использовано в микроэлектронике при производстве интегральных микросхем на активных и пассивных подложках и в дифракционной оптике при производстве элементов дифракционной оптики.

Известен источник ионов, основанный на инжекции электронов из плазмы тлеющего разряда через затянутое мелкоструктурной сеткой малое отверстие в полость генератора плазмы, в которой установлен основной тонкопроволочный анод [4. E. Oks, A. Vizir, and G. Yushkov, Rev. Sci. Instrum. 69, 853 (1998).]. В полости генератора в результате ионизации газа инжектируемыми электронами развивается несамостоятельный тлеющий разряд с полым катодом, из плазмы которого извлекаются ионы. Осциллирующие внутри катодной полости быстрые электроны обеспечивают генерацию однородной плазмы при очень низких давлениях газа.

Однако доля извлекаемых из плазмы ионов в этом случае невелика и составляет около 4% от тока разряда, поэтому его эффективность оказывается невысокой.

Известен источник ленточного электронного пучка (Патент США US 3831052А, МПК H01J 5/00, опубл. 20.08.1974.), содержащий цилиндрический полый катод с продольной щелью в боковой стенке, анод с эмиссионным окном, перекрытым металлической сеткой, ускоряющий электрод с окном для пропускания электронного пучка в полом катоде которого повышение однородности пучка достигается многократной осцилляцией электронов. Однако, наличие у катодной полости торцевых стенок вызывает различие в скорости образования ионно-электронных пар вблизи этих стенок и в остальной части полости. Это, в свою очередь, приводит к росту концентрации плазмы вблизи торцевых стенок полости и в наличии максимумов плотности тока по краям пучка.

Известен плазменный электронный источник ленточного пучка (Патент РФ, №2231164, С1, МПК Кл. H01J 37/077, опубл. 20.06.2004) в котором в полом катоде для увеличения равномерности распределения частиц в потоке плазмы внутренние торцевые стенки катодной полости закрыты пластинами термостойкого неорганического диэлектрика.

Однако конструкция устройства обладает рядом недостатков: необходимость перекрытия эмиссионного окна сеткой; наличия в конструкции устройства ускоряющего электрода.

Известен плазменный электронный источник (Патент РФ, №2215383, С1, МПК Кл. Н05Н 1/24, Н05Н 5/00, опубл. 27.10.2003), в котором соосные полый катод, анод с эмиссионным отверстием, перекрытым эмиссионной сеткой и ускоряющий электрод, между ускоряющим электродом и анодом размещен диск из термостойкого неорганического диэлектрика с отверстием в центре, диаметр которого больше диаметра эмиссионного отверстия в аноде и меньше отверстия в ускоряющем электроде.

Однако схема расположения электродов устройства требует для создания сильноточных потоков плазмы двух источников питания; усложняет конструкцию устройство введением между анодом и ускоряющим электродом диска из термостойкого материала.

Наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому изобретению (Патент РФ, №2333619, С2, МПК Кл. Н05Н 1/24, 2006.01, опубл. 10.09.2008, Бюл. №25), содержащем полый катод с прикрепленным основанием, установленный коаксиально в полый анод, изоляцию между анодом и катодом, соосные отверстия одинакового размера и формы в катоде, аноде и изоляции.

Однако схема расположения отверстий одинакового размера и формы в корпусах катода и анода, не позволяет создавать широкоаппертурный поток плазмы с равномерным распределением частиц плазмы по его сечению.

В основу поставлена задача генерирования газоразрядным устройством широкоаппертурного потока плазмы с равномерным распределением частиц по сечению потока при одновременном увеличении тока газоразрядной плазмы, снижении напряжения на электродах газоразрядного устройства и упрощении его конструкции и эксплуатации.

Указанная задача достигается за счет того, что в генераторе широкоаппертурного потока газоразрядной плазмы, содержащим полый катод с основанием, установленный коаксиально в полую изоляцию, расположенную между полым анодом и полым катодом, полый анод с основанием закрыт крышкой, согласно изобретения высота полости полого катода определена соотношением 3λ<L<5λ, где λ - длина свободного пробега электрона в потоке газоразрядной плазмы, основания анода и катода выполнены перфорированными, толщина изоляции между полым анодом и полым катодом определена соотношением 0,5d<h<d, где d - диаметр соосно расположенных отверстий в основаниях анода и катода, причем соосно расположенные отверстия в основаниях анода и катода выполнены в диапазоне 1<d<10 мм, а расстояние между ними 0,1<J<5 мм, а изоляция между катодом и анодом имеет внутренний диаметр равный d1≤d0, где d0 - диаметр полости катода.

В готовой конструкции газоразрядного устройства отверстия в основаниях анода, катода, соосно совмещены, образуя совокупность потоков газоразрядной плазмы формируемых каждой парой соосно-расположенных отверстий в основаниях катода и анода, суммирование которых и создает широкоаппертурный ее поток.

На фиг.1 изображена конструкция генератора низкотемпературной плазмы, а фиг.2 элемент оснований анода и катода.

Конструкция генератора низкотемпературной плазмы содержит высоковольтный электрод 1, через который на полый катод 2 подается электропитание. Полый катод 2 коаксиально помещен в полость конструкции изоляции катода 3. Замкнутое пространство в полом катоде образовано с помощью основания 4, выполненным перфорированным, прикрепляемого к корпусу полого катода винтами. После чего полость в изоляции катода с вложенным в нее полым катодом закрывают диэлектрическим основанием 5, выполненного из фторопласта или полистирола. В полость анода вкладывают конструкцию полого катода с изоляцией и замыкают полость анода перфорированным основанием 6, путем ввинчивания металлического кольца 7 в полость анода 8. Со стороны электрического ввода полость анода замыкается крышкой 9.

Устройство осуществляется следующим образом.

В сформированной конструкции анод-изоляция-катод в основаниях катода 4 и основания анода 6 вырезают соосные отверстия. В результате в области отверстий возникает структура полый анод - полый катод.

При подаче на полученную конструкцию напряжения от 0,3 до 6 кВ в области отверстий возникает искривление силовых линий электрического поля. Свободные ионы, не встречая на своем пути ограничения, входят в полость катода и осуществляют ионизацию атомов остаточного газа, т.к. длина свободного пробега иона заходит в объем полости и ион успевает набрать энергию в ускоряющем поле достаточную для осуществления процесса ионизации. Если ион ионизирует один и более электронов, то в области полости возникает облако газоразрядной плазмы, которое является эффективным источником свободных электронов для формирования газового разряда в области отверстий в аноде и катоде. Поскольку в промежутке анод-катод, т.е. на расстоянии h, свободный электрон не успевает набрать энергию для ионизации атомов остаточного газа, то ионизация происходит за пределами поверхности анода и в полости катода. Это позволило получать потоки газоразрядной плазмы в сотни и тысячи миллиампер при напряжениях 0,3-1 кВ. Формирование потока газоразрядной плазмы предлагаемым прибором устранило зависимость ее параметров от площади обрабатываемой поверхности (эффект загрузки) и значительно снизило паразитный нагрев материала его конструкции.

Главным условием возникновения широкоаппертурного потока низкотемпературной плазмы газового разряда за пределами анода является выполнение в основаниях катода и анода, соосно изготовленных отверстий, диаметром 1<d<10 миллиметров, расположенных на расстоянии 0,1<J<5 миллиметров друг от друга. Невыполнение соосности приводит к значительному уменьшению тока газоразрядной плазмы и искажению ее параметров. Изготовление отверстий диаметром 1 миллиметр и менее приводит к значительному уменьшению тока газоразрядной плазмы, а 10 миллиметров и более к увеличению площади неравномерного распределения частиц по сечению потока плазмы, формируемой в области соосно-расположенных отверстий в основаниях анода и катода, что в свою очередь ухудшает равномерность распределения частиц плазмы в сечении общего потока плазмы, формируемого всеми соосно-расположенными отверстиями газоразрядного устройства.

Выполнение неравенства 0,1<J миллиметров определено технической трудностью массового изготовления подобных размеров, что приводит к значительному повышению стоимости газоразрядного устройства, особенно при обработке поверхности до 10-14 классов чистоты. Изготовление промежутков между отверстиями 5 миллиметров и более приводит к разъединению микропотоков, формируемых каждым отверстием, и, следовательно, к ухудшению равномерности распределения частиц плазмы по сечению потока, которое принимает в этом случае форму синусоиды.

Изготовление размера полости катода L равного 3λ и менее приводит к уменьшению или даже к полному прекращению газового разряда в полости катода. В этом случае источником свободных электронов становится механизм эмиссии материала катода внутри полости, т.е. происходит распыление поверхности катода с образованием ямок травления, размер и форма которых начинает активно участвовать в формировании параметров газового разряда. Для устранения этого влияния становится необходимой операция регулярного удаления деформированного слоя поверхности катода. С другой стороны, если изготовить L≥5λ, то в полости катода может возникнуть самостоятельный газовый разряд, приводящий к исчезновению рабочего разряда вне газоразрядной системы катод-анод.

Для устранения поверхностного электрического пробоя системы катод-анод необходимо выполнение неравенства d1≤d0, т.к. при d1>d0 изоляция будет уменьшать размеры сечения потока плазмы, и распыляться при взаимодействии с его частицами загрязняя обрабатываемую плазмой поверхность и элементы конструкции прибора.

При выполнении такого устройства в области отверстий генерируется широкоаппертурный поток низкотемпературной плазмы.

Генератор широкоаппертурного потока газоразрядной плазмы, содержащий полый катод с основанием, установленный коаксиально в полую изоляцию, расположенную между полым анодом и полым катодом, полый анод с основанием закрыт крышкой, отличающийся тем, что высота полости полого катода определена соотношением 3λ<L<5X, где λ - длина свободного пробега электрона в потоке газоразрядной плазмы, основания анода и катода выполнены перфорированными, толщина изоляции между полым анодом и полым катодом определена соотношением 0,5d<h<d, где d - диаметр соосно расположенных отверстий в основаниях анода и катода, причем соосно расположенные отверстия в основаниях анода и катода выполнены в диапазоне 1<d<10 мм, а расстояние между ними 0,1<J<5 мм, а изоляция между катодом и анодом имеет внутренний диаметр, равный d1≤d0, где d0 - диаметр полости катода.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к материаловедению и энергетике и может быть использовано для получения углеродных наноматериалов из угля с применением плазменных технологий.

Изобретение относится к области плазменной техники. .

Изобретение относится к газовой и химической отраслям промышленности и предназначено для очистки газов от твердых, жидких, паро- и газообразных неорганических и органических веществ, деструкции и конверсии газов.

Изобретение относится к плазменной энергетике, конкретно к гибридным источникам энергии для получения электричества, горячего воздуха, горячей воды и горячего водяного пара в интересах коммунального хозяйства, товариществ собственников жилья (ТСЖ), садовых кооперативов, отдельных коттеджей и/или промышленных производств.

Изобретение относится к устройствам технологического оборудования и может быть использовано в технологии производства электронных компонент. .

Изобретение относится к области исследования физических свойств вещества, в частности к исследованию процессов в газоразрядных приборах и плазме. .

Изобретение относится к автомобильному транспорту, использующему в качестве силового привода колес электродвигатели. .

Изобретение относится к системе высоковольтного изолятора и системе ионного ускорителя с такой системой высоковольтного изолятора. .

Изобретение относится к области создания пучков многозарядных ионов (МЗИ) путем их экстракции из плотной плазмы, создаваемой в открытой магнитной ловушке мощным излучением миллиметрового диапазона длин волн, которые необходимы для формирования сильноточных пучков многозарядных ионов, востребованных в ряде приложений (ускорительной технике, медицине, ионной имплантации, фундаментальных исследованиях и пр.).

Изобретение относится к области исследования плазмы. Магнитогидродинамическое моделирующее устройство включает в себя плазменный контейнер, в который помещен первый ионизируемый газ, первый электрический контур, расположенный рядом с плазменным контейнером, содержащий промежуток, электрические контакты на первой и второй сторонах промежутка, и первое вещество, имеющее, по меньшей мере, низкую магнитную восприимчивость и высокую проводимость. Первый электрический контур может быть составлен из совокупности одного или избыточного количества проводных контурных катушек. В таких случаях электрический контакт установлен через концы проводов катушки. Кроме того, магнитогидродинамическое моделирующее устройство включает в себя электропроводную первую катушку, намотанную вокруг плазменного контейнера и через первый электрический контур. Технический результат - обеспечение возможности моделирования магнитогидродинамики плазмы в нежидкостной среде. 19 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано для ускорения плазмы до гиперскоростей и получения нанодисперсных порошков титана и меди. Коаксиальный магнитоплазменный ускоритель содержит соленоид, цилиндрический титановый ствол, цепь питания. Титановый ствол содержит плавкие перемычки, титановые проволочки, титановый центральный электрод, цилиндрическую медную вставку. Корпус узла центрального электрода выполнен из магнитного материала и перекрывает зону размещения плавкой перемычки на 40-50 мм. Медная вставка выполнена в виде продольно размещённых медных шин круглого сечения. Длина медных шин равна длине титанового ствола, а площадь поверхности составляет 30% от площади поверхности титанового ствола. Изобретение позволяет получить шихты сверхтвердых порошкообразных материалов на основе титана со связующим компонентом из меди. 1 ил.

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано для инициирования высокочастотной плазмы. Устройство для возбуждения высокочастотного факельного разряда содержит диэлектрическую трубку, установленную в пазу диэлектрического фланца, в осевом отверстии которого размещен полый силовой электрод так, что его глухой заостренный конец расположен внутри цилиндрической диэлектрической трубки, а другой конец силового электрода размещен за пределами диэлектрической трубки и электрически связан с высоковольтным электродом высокочастотного генератора. Конец силового электрода, расположенный за пределами диэлектрической трубки, снабжен двумя штуцерами. Первый штуцер, расположенный на наружном конце силового электрода, соединен с системой водоснабжения. Второй штуцер, ориентированный перпендикулярно оси силового электрода, соединен с системой канализации. На силовом электроде радиально, под острым углом к его оси, установлен дополнительный электрод, конец которого заострен и направлен к месту соприкосновения диэлектрической трубки и внешнего электрода, который своей вогнутой стороной охватывает часть внешней поверхности диэлектрической трубки. Внешний электрод установлен на первом конце штанги, имеющем возможность перемещения параллельно оси диэлектрической трубки, а второй конец штанги, через закрепленную на ней электроизолирующую вставку, соединен с приводом. Технический результат: уменьшение напряжения, необходимого для возбуждения барьерного разряда, инициирующего высокочастотный факельный разряд. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области плазменной техники, а именно к катодам-компенсаторам, работающим на газообразных рабочих телах. Технический результат - увеличение ресурса надежной работы и снижение трудоемкости изготовления. Плазменный катод содержит полый держатель 1 с торцевыми стенками 2, 3 и проходными отверстиями 4, 5 рабочего тела, внутри которого размещен эмиттер 6, между которыми расположен барьерный слой 7 химически пассивного материала, между внутренними поверхностями 8 полого держателя и наружными поверхностями 9 эмиттера образованы зазоры 10, 10а, 10б, между которыми размещен экран 11. Поверхности экрана покрыты барьерными слоями 7а. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для обработки материалов в среде низкотемпературной плазмы газового разряда, а именно к индукционным генераторам плазмы, размещаемым внутри технологического объема (рабочей камеры). Технический результат - повышение КПД устройства; повышение надежности работы устройства, повышение чистоты плазменной среды и увеличение плотности генерируемой плазмы; увеличение срока службы устройства; снижение уровня помех; уменьшение габаритов устройства. В генераторе плазмы по первому варианту выполнения, содержащем спиральную катушку, помещенную внутрь проводящего экрана, внутренняя поверхность которого имеет близкую к цилиндрической форму, причем пространство между витками катушки и между катушкой и экраном заполнено диэлектриком, катушка выполнена плоской, расстояние от плоскости катушки до внешней поверхности диэлектрика меньше удвоенной толщины катушки, а расстояние от плоскости катушки до основания внутренней поверхности экрана больше удвоенного расстояния от плоскости катушки до внешней поверхности диэлектрика. В генераторе плазмы по второму варианту выполнения катушка выполнена плоской, экран выполнен в виде кольца, ось которого перпендикулярна плоскости катушки, край кольца, обращенный к объему, в котором требуется создание плазмы закрыт диэлектриком. В генераторе плазмы по третьему варианту выполнения экран электрически соединен с одним из концов катушки, а диэлектрическая проницаемость диэлектрика находится в пределах от 2,5 до 50. 3 н. и 30 з.п. ф-лы, 7 ил.

Заявленная группа изобретений относятся к области электрофизики, в частности к технике диагностики плазмы, и может быть использована для измерения электронной концентрации и температуры нестационарной плазмы в широком диапазоне исследуемых параметров. Заявленный способ включает установку зонда в плазму, приложение к зонду дискретных ступенчатых импульсов напряжения, регистрацию вольтамперной характеристики, измеряют потенциал пространства плазмы, напряжение каждой последующей ступени в импульсе задают большим по сравнению с предыдущей, ступени формируют с временными интервалами между ними, во время которых потенциал на зонде устанавливают равным потенциалу пространства плазмы. При этом длительность каждой ступени и интервалы времени между ними устанавливают не менее времени восстановления квазинейтральности плазмы. Устройство для зондовой диагностики плазмы содержит источник питания, зонд, генератор дискретных ступенчатых импульсов напряжения и блок измерения, генератор запускающих импульсов, соединенный с генератором дискретных ступенчатых импульсов. Генератор дискретных ступенчатых импульсов состоит из блока коммутации, источников постоянной ЭДС и микропроцессора, управляющего блоком коммутации, а блок измерения включает набор переключаемых резисторов. Технический результат заключается в повышении точности определения параметров плазмы (концентрации и температуры). 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области плазменной техники. Предложены варианты систем для сжатия плазмы и способов сжатия плазмы, в которых могут быть достигнуты давления плазмы выше предела прочности твердого материала, за счет впрыска плазмы в воронку жидкого металла, в которой плазма сжимается и/или нагревается. Технический результат - повышение плотности плазмы. 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к области плазменной обработки поверхности. Способ заключается в том, что придают конструктивному элементу или конструктивным элементам (1), по меньшей мере, одно вращательное движение относительно, по меньшей мере, одного ряда неподвижно расположенных в линию элементарных источников (2), причем ряд или ряды расположенных в линию элементарных источников (2) размещают параллельно оси конструктивного элемента или осям вращения конструктивных элементов. Технический результат - повышение однородности обработки на множестве поверхностей конструктивных элементов. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к области плазменной техники. Генератор дуговой плазмы с многоступенчатой подачей газа содержит катод и анод. Анод выполнен, по меньшей мере, из двух участков, причем любые два соседних анодных участка электрически соединены друг с другом. Между любыми двумя соседними анодными участками обеспечены направляющие газ отверстия, которые являются тангенциальными отверстиями или отверстиями, которые обеспечивают газовый поток, направление скорости которого одновременно имеет тангенциальную и осевую составляющие. Технический результат - повышение надежности работы генератора плазмы. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к трансформаторным плазмотронам низкого давления, и может быть использовано в микроэлектронике для обработки полупроводниковых материалов (плазменное травление, оксидирование, очистка поверхности и т.д.), осаждения тонких пленок, в металлообработке для плазмохимического модифицирования поверхности металлов (ионно-плазменное азотирование, плазменное оксидирование и т.д.), для плазменной обработки полимерных материалов (уменьшение пористости, изменение гидрофобных свойств и т.д.). Трансформаторный плазматрон содержит замкнутую газоразрядную камеру с системой магнитопроводов с первичными обмотками, держатель для фиксирования обрабатываемого материала, источник питания, при этом газоразрядная камера включает рабочую камеру и одну или более одинаковых П-образных камер с меньшим внутренним диаметром и меньшей либо равной длиной, каждая из которых имеет систему разборных магнитопроводов с первичными обмотками и установлена так, что вместе с рабочей камерой образует замкнутый путь для тока газового разряда. В данном изобретении достигается существенное увеличение скорости и качества процесса, коэффициента полезного действия устройства. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.
Наверх