Способ интегральной диагностики вч индукционного газоразрядного устройства



Способ интегральной диагностики вч индукционного газоразрядного устройства
Способ интегральной диагностики вч индукционного газоразрядного устройства

 

H05H1/46 - 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 2601947:

Обухов Владимир Алексеевич (RU)
Годяк Валерий Антонович (US)
Рябый Валентин Анатольевич (RU)
Могулкин Андрей Игоревич (RU)
Машеров Павел Евгеньевич (RU)

Изобретение относится к газоразрядным источникам плазмы, в частности к ВЧ индукционным (ВЧИ) устройствам, применяемым в составе технологических источников плазмы или ионов, а также в составе ионных двигателей или недвигательных ионных систем типа ионных «пушек» для удаления космического мусора с рабочих орбит. Технический результат- детализация баланса ВЧ мощности ВЧИ устройства через определение потерь энергии в вихревых токах, возбуждаемых в конструкции устройства, и на линии электропитания разряда, что позволяет выявить качество конструктивного и схемотехнического решений устройства. Поставленная цель достигается тем, что при проведении интегральной диагностики ВЧИ газоразрядного устройства путем предварительного измерения на рабочей частоте электрических параметров индуктора в составе газоразрядного узла, регистрации тока индуктора без разряда и с разрядом с помощью двух измерителей - главного прибора, установленного на заземляющем выводе индуктора, и контрольного прибора, установленного на линии электропитания разряда, при точном согласовании ВЧ генератора с нагрузкой, и последующего определения утечки ВЧ мощности в системе электропитания разряда по разности показаний обоих приборов вводят предварительный этап измерений. На этом этапе диагностики проводят дополнительное измерение активного сопротивления индуктора в свободном пространстве, исключающем возникновение вихревых токов в электропроводящих деталях конструкции, а контрольный измеритель тока индуктора, регистрирующий утечку ВЧ мощности, устанавливают на выходном выводе ВЧ генератора. Указанные дополнительные операции способа определяют потери ВЧ мощности в вихревых токах, возбуждаемых в электропроводящих элементах конструкции, расположенных вблизи индуктора. Полученная информация позволяет выделить чистые потери в индукторе, т.е. детализировать баланс мощности устройства. А в части размещения контрольного измерителя тока индуктора на выходном выводе ВЧ генератора появляется возможность учесть также потери ВЧ мощности в линии электропитания разряда, включающей соединительный коаксиальный кабель и согласующее устройство. 1 ил.

 

Изобретение относится к газоразрядным источникам плазмы, в частности к ВЧ индукционным устройствам, применяемым в составе технологических источников плазмы, ионных двигателей или иных недвигательных ионных систем типа технологических источников ионов или орбитальных ионно-пучковых сервисных устройств, например для удаления с рабочей орбиты вышедших из строя изделий. Решаемая задача актуальна для микроэлектронного производства чипов, где удельный вес плазменных технологических процессов в маршрутах изготовления интегральных схем непрерывно возрастает, а также и для космического использования, где проблема очистки рабочих орбит от космического «мусора» становится все более острой.

Известен классический способ интегральной диагностики ВЧ индукционного газоразрядного устройства путем предварительного измерения на рабочей частоте активного сопротивления, индуктивности и связывающей их добротности индуктора в составе газоразрядного узла, измерения тока индуктора с разрядом и без него и последующего определения ВЧ мощности, поглощаемой плазмой разряда при заданных операционных параметрах [1]. Полученная информация характеризует баланс ВЧ мощности устройства в первом приближении и при известных локальных характеристиках плазмы позволяет найти также усредненные ток разряда и его геометрические параметры. Однако данный способ не позволяет оценить конструкцию и схемотехническое решение газоразрядного устройства, а также выявить баланс его мощности в более высоком приближении.

Известен также способ интегральной диагностики ВЧ индукционного газоразрядного устройства, дополняющий известное техническое решение измерением тока индуктора с помощью двух приборов - главного, установленного на заземляющем выводе индуктора и контрольного прибора, установленного на высоковольтном выводе индуктора, при точном согласовании ВЧ генератора с нагрузкой, с последующим нахождением утечки ВЧ мощности вокруг индуктора и его выводов по разности токов, измеренных обоими приборами [2]. Точное согласование ВЧ генератора с нагрузкой сводит к нулю отраженную от нагрузки ВЧ мощность и обеспечивает максимум передачи ВЧ мощности от генератора в разряд. Таким образом, это условие, обычно требующее для его осуществления дополнительных усилий, обеспечивает максимальную энергоэффективность ВЧИ системы, безопасность ВЧ генератора и простоту вычислений электротехнических параметров линии электропитания разряда на основе закона Ома.

Данный способ позволяет рассчитать активное сопротивление линии электропитания системы на основе измерения тока индуктора без разряда и определяет баланс мощности устройства во втором приближении, включающем потери ВЧ мощности на линии электропитания, в индукторе и измеренную утечку ВЧ мощности вокруг индуктора и его выводов. Однако он не дает информации о потерях ВЧ мощности в вихревых токах, которые характеризуют конструкцию ВЧИ устройства, а также об утечках ВЧ мощности на линии электропитания разряда, определяющих качество исполнения этой линии и оптимальность схемотехнического решения согласующего устройства.

Данный способ, как наиболее близкий к заявленному техническому решению, принят в качестве прототипа предлагаемого изобретения.

Его целями являются детализация баланса ВЧ мощности через определение потерь энергии в вихревых токах, возбуждаемых в конструкции устройства, и на линии электропитания разряда. Решение этой задачи позволит выявить качество конструктивного и схемотехнического решений устройства.

Поставленные цели достигаются тем, что на предварительном этапе диагностики помимо регистрации параметров индуктора в составе собранного ВЧИ газоразрядного устройства измеряют также активное сопротивление индуктора в свободном пространстве, исключающем возникновение вихревых токов в электропроводящих деталях конструкции, а контрольный измеритель тока индуктора, регистрирующий утечку ВЧ мощности, устанавливают на выходном выводе ВЧ генератора. Согласно трансформаторной модели ВЧИ разряда [1] разность активных сопротивлений индуктора в сборе и в свободном пространстве определит эквивалентное активное сопротивление вихревых токов в электропроводящих деталях устройства вблизи индуктора. Данный результат характеризует, во-первых, конструктивное решение устройства, а во-вторых, он позволяет разделить суммарные потери ВЧ мощности в индукторе на потери в вихревых токах и на потери непосредственно в витках индуктора. Размещение же контрольного измерителя тока индуктора на выходной линии ВЧ генератора позволяет дополнить потери ВЧ мощности вокруг индуктора и его выводов потерями в линии электропитания разряда и в согласующем устройстве. Последние определяются схемотехническим решением согласующего устройства и его практическим исполнением, имея в виду возможное применение деталей различного качества. Величины уточненного полного тока утечки ВЧ мощности находятся как разность токов, измеренных на выходной линии ВЧ генератора и на заземляющем выводе индуктора.

Примером реализации предложенного способа может послужить интегральная диагностика ВЧИ источника плазмы в модельном ВЧ ионном двигателе с плоским индуктором и ферритовым сердечником, схема которого представлена на чертеже. Здесь 1 - главный измеритель тока индуктора, размещенный на заземленном выводе индуктора, 2 - контрольный измеритель, установленный на выходной линии ВЧ генератора, 3 - индуктор, 4 - согласующее устройство (трансформаторного типа), 5 - ВЧ генератор, 6 - ферритовый сердечник, 7 - подача рабочего газа, 8 - вакуумная камера, 9 - смотровое окно, 10 - ионно-оптическая система, 11 - зонд Ленгмюра, 12 - датчик давления, 13 - диэлектрическое окно, отделяющее индуктор от вакуумного пространства и плазмы ВЧИ разряда.

Для кварцевого окна 13 толщины 10 мм предварительные измерения показали, что в свободном пространстве активное сопротивление индуктора Rисв=1,06 Ом, в составе газоразрядного узла Rи=2,13 Ом. Это означает, что эквивалентное сопротивление вихревых токов в данном изделии Rвэ=l,07 Ом. Следовательно, потери ВЧ мощности в вихревых токах составили около 100% от потерь непосредственно в индукторе. Цифра немалая, но при отсутствии ферритового сердечника она была бы много больше, т.к. феррит ликвидирует электромагнитное поле и вихревые токи в тыльной части индуктора. Данный результат, характеризуя конструкцию устройства, представляет собой детализацию общих потерь в индукторе. Измерения тока индуктора без разряда и при горении разряда показали полное отсутствие токов утечки как вокруг индуктора, так и в согласующем устройстве. На режиме без разряда было найдено активное сопротивление линии электропитания разряда, которое на верхнем пределе ВЧ мощности Р=200 Вт оказалось равным Rл=0,138 Ом, а на режиме ВЧИ разряда в ксеноне при его объемном расходе q=4 смл/мин и давлении в газоразрядном пространстве р≈2·10-3 Торр эквивалентное активное сопротивление плазмы ксенона составило Rпэ=25,2 Ом, т.е. КПД передачи ВЧ мощности в разряд достиг уровня 25,2/(1,06+1,07+0,138+25,2)≈0,917. Таким образом, при падающей мощности ВЧ генератора Р=200 Вт баланс ВЧ мощности (затраты мощности в процентах) выглядит следующим образом: линия электропитания 0,51%, непосредственно индуктор 3,86%, вихревые токи 3,89%, плазма разряда 91,74%.

Данный результат, полученный согласно предлагаемому изобретению, позволил детализировать баланс ВЧ мощности на индукторе и, следовательно, по устройству в целом, выявил качество конструктивного решения и исполнения данного источника плазмы вместе со схемотехникой трансформаторного согласующего устройства [2] путем уточнения потерь ВЧ мощности на линии электропитания разряда (в данном конкретном случае они были нулевыми). Если в каких-либо элементах этой линии имелись бы токи утечки, они были бы зафиксированы контрольным измерителем тока 2 (чертеж), поскольку он установлен в самом начале линии, фиксируя все добавки к результату измерений прибором 1. На практике такие утечки возникают при размещении индуктора и газоразрядной камеры в вакууме, а всей электрической системы - в атмосферных условиях, как это имело место в системе, описанной в прототипе [2].

В целом интегральная диагностика ВЧИ устройства согласно предполагаемому изобретению с достаточной полнотой характеризует технический облик изучаемого объекта и в случае технической необходимости определяет пути его дальнейшего совершенствования.

На основании изложенного можно сделать вывод, что заявленное техническое решение ново и полезно.

Источники информации

1. Piejak R.B., Godyak V.A., Alexandrovich В.М., A simple analysis of an inductive RF discharge, Plasma Sources Science and Technology, 1992, v. 1, p. 179-186.

2. Рябый B.A., Обухов B.A., Машеров П.Е., Могулкин А.И., Сертификация технологического ВЧ индукционного источника ионов RIM-20, Труды 24-й Международной конференции «Радиационная физика твердого тела» (Севастополь, июль 2014 г.). - М.: Минобразования РФ, 2014, с. 407-417.

Способ интегральной диагностики ВЧ индукционного газоразрядного устройства путем предварительного измерения на рабочей частоте электрических параметров индуктора в составе газоразрядного узла, регистрации тока индуктора без разряда и с разрядом с помощью двух измерителей - главного прибора, установленного на заземляющем выводе индуктора, и контрольного прибора, установленного на линии электропитания разряда, при точном согласовании ВЧ генератора с нагрузкой, и последующего определения утечки ВЧ мощности в системе электропитания разряда по разности показаний обоих приборов, отличающийся тем, что на предварительном этапе диагностики измеряют активное сопротивление индуктора в свободном пространстве, исключающем возникновение вихревых токов в электропроводящих деталях конструкции, а контрольный измеритель тока индуктора, регистрирующий утечку ВЧ мощности, устанавливают на выходном выводе ВЧ генератора.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу изготовления электродов для вакуумных нейтронных трубок (ВНТ) и может быть использовано в ускорительной технике, в геофизическом приборостроении, например в импульсных генераторах нейтронов, предназначенных для исследования скважин методами импульсного нейтронного каротажа.

Изобретение относится к физике плазмы, преимущественно к физике и технике процессов, сопутствующих сверхзвуковому обтеканию тел высокоскоростными потоками плазмы, и может быть использовано, в частности, при моделировании структуры и излучения ударно сжатого слоя потока при движении космических аппаратов, планетных зондов, метеоритов и других космических объектов (КО) в атмосфере Земли на высотах 30-200 км и выше.

Изобретение относится к области генерирования в атмосферном воздухе низкотемпературной плазмы. Способ генерирования модулированного коронного разряда заключается в том, что в разрядном промежутке, образованном анодом и катодом, с резко неоднородным распределением электрического поля как в области анода, так и катода, создают линейный коронный факельный разряд.

Изобретение относится к устройствам для генерации плазмы, конкретно к электроразрядным импульсным источникам ионов плазмы для работы в составе вакуумных нейтронных трубок, и может быть использовано в ускорительной технике или в геофизическом приборостроении, например в импульсных генераторах нейтронов народно-хозяйственного назначения, предназначенных для исследования скважин методами импульсного нейтронного каротажа.

Изобретение относится к области измерений оптическими методами электрофизических параметров плазмы, в том числе плотности электронов и напряженности электрического поля и их распределений Способ измерения пространственного распределения электронной плотности плазмы включает измерение интенсивности излучения плазмы из различных по координате областей межэлектродного промежутка на длине волны, соответствующей спектральной атомарной линии или молекулярной полосе, которую выбирают таким образом, чтобы интенсивность излучения такой линии или полосы преимущественно определялась возбуждением излучающего состояния прямым электронным ударом или быстрыми по сравнению с периодом ВЧ-поля каскадными процессами, с последующим определением пространственного распределения электронной плотности плазмы методом численного моделирования плазмы.

Изобретение может быть применено как импульсный источник нейтронов и рентгеновского излучения. Устройство состоит из импульсного источника питания и газоразрядной камеры с электродами и изотопами водорода.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к электротермической технике. Плазменно-дуговая сталеплавильная печь постоянного тока содержит керамический тигель с ванной металла, вертикальный плазмотрон, установленный в своде печи, и подовый электрод, установленный соосно вертикальному плазмотрону.

Изобретение относится к плазмотронам. Плазмотрон содержит корпус 1, изоляционную втулку 2, сопло 3, электрод 4, размещенный в конической полости 18 электрододержателя 5, завихритель 17 с канавками и газоподводящим каналом 6, направленным в кольцевую конусообразную полость 7, где установлен многоступенчатый газодинамический фильтр 8 (ГДФ), выполненный в виде двух расположенных соосно один за другим дефлекторов - непроницаемый дефлектор 9 и перфорированный дефлектор 10 и трех кольцевых камер - кольцевая цилиндрическая камера 11, кольцевая распределительная камера 12 и кольцевая вихревая камера 13.

Изобретение относится к антенной технике. Плазменная антенна содержит плазменный генератор, формирующий плазменное образование, и первичный источник электромагнитных волн, при этом анод плазменного генератора выполнен в виде конического диффузора, состоящего из корпуса и конической вставки, диэлектрически соединенной с подводящим патрубком, поверхность которого выполнена перфорированной, кроме того, первичный источник радиоволн установлен на оси антенны на расстоянии от точки генерации плазменного образования, где γ=2,8…3,0 - постоянная величина, k - волновое число, b - максимальное расстояние от плазменного генератора до границы области с критической концентрацией электронов, θк - угол между осью антенны и направлением распространения плазмы с максимальной скоростью.

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к устройствам для плазменного осаждения пленок, и может быть использовано для изготовления тонкопленочных солнечных элементов, фоточувствительных материалов для оптических сенсоров и тонкопленочных транзисторов большеразмерных дисплеев, для нанесения защитных покрытий.

Изобретение относится к плазменной технике, в частности к способам и устройствам с излучающей плазмой, и может быть использовано для решения широкого круга технических задач, например при испытаниях приборов и материалов на устойчивость к облучению световым излучением, аналогичным излучению природных и техногенных факторов. Технический результат - расширение функциональных возможностей, обеспечение получения мощных световых излучений, аналогичных по временной форме техногенным и природным световым излучениям, при сохранении высокой надежности их функционирования. В способе получения плазменного источника светового излучения на основе магнитоприжатого дугового разряда эрозионного типа путем формирования в межэлектродном промежутке после установления в нем заданного значения величины магнитного поля непрерывного и импульсного разрядов с временным интервалом между ними новым является то, что при заданном значении величины магнитного поля определяют минимальное напряжение горения дугового разряда и соответствующий этому напряжению ток дугового разряда, величину временного интервала между формированием непрерывного и импульсного разрядов находят из установленного соотношения, последовательность формирования непрерывного и импульсного разрядов определяют по знаку найденного временного интервала: при положительном знаке первым формируют непрерывный разряд, при отрицательном - импульсный разряд, при нулевом значении временного интервала формирование разрядов начинают одновременно, при этом формирование непрерывного разряда осуществляют при напряжении на выходе его источника питания не менее напряжения горения дугового разряда, а суммарный ток импульсного и непрерывного разрядов поддерживают на уровне не менее тока дугового разряда, соответствующего минимальному напряжению горения дугового разряда. Раскрыт также плазменный источник светового излучения, включающий формирователь излучающей плазмы, реализующий способ. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
Наверх