CZ17940U1

CZ17940U1 - Aplikátor mikrovlnného generátoru plazmatu, a mikrovlnný generátor plazmatu zahrnující tento aplikátor

Info

Publication number: CZ17940U1
Application number: CZ200719202U
Authority: CZ
Inventors: Špatenka@Petr; Vozáb@Jaroslav
Original assignee: Špatenka@Petr; Vozáb@Jaroslav
Priority date: 2007-09-13
Filing date: 2007-09-13
Publication date: 2007-10-15
Also published as: EP2189047A1; ATE555639T1; EP2189047B1; US8299714B2; US20100301753A1; WO2009033437A1

Description

Aplikátor mikrovlnného generátoru plazmatu, a mikrovlnný generátor plazmatu zahrnující tento aplikátor

Oblast techniky

Technické řešení se týká aplikátoru mikrovlnného generátoru plazmatu, sloužícího k přenosu elektromagnetického pole do plazmatu, a mikrovlnného generátoru plazmatu zahrnujícího řešený aplikátor.

Dosavadní stav techniky

Je známa celá řada typů mikrovlnných generátorů plazmatu, které lze v zásadě charakterizovat jako uzavřené generátory, kde plazmová komora je obklopena kovovými stěnami, tvořící mikro10 vinný rezonátor, nebo jako otevřené generátory, mezi které patří např. mikrovlnné zářiče, struktury s pomalými vlnami a surfatrony, popř. elektronové rezonanční generátory s magnetickými polem, označované často zkratkou ECR (electron cyclotron resonance).

Známý mikrovlnný generátor plazmatu sestává v podstatě z mikrovlnného zdroje (magnetronu), z vlnovodu, z cirkulátoru,a z aplikátoru, který zajišťuje přenos mikrovlnné energie do plazmové náplně (plazmového oblaku).

Jako aplikátor se u dosavadních mikrovlnných generátorů plazmatu užívá nejčastěji trychtýřová (Hom) anténa, což je vlastně skříň se vstupem na jedné straně a se zvětšujícím se čtyřúhelníkovým průřezem směrem k výstupu opatřenému přepážkou z dielektrika na druhé straně. Aplikátor šíří lineárně polarizované vlny. Je napojen na vlnovod, ve kterém je připojen také cirkulátor, po20 třebný k odvodu odražených vln.

Jedním z obecných problémů při přenosu elektromagnetického pole do plazmatu je to, že určitá část dodávaného výkonu, se odráží zpět. Generované plazma má určitou elektrickou vodivost, a proto neabsorbuje všechny vlny, a část vlnění se odráží zpět. Tento problém je obzvláště výrazný u mikrovlnných generátorů, protože odražené vlnění se šíří vlnovodem zpět ke zdroji (magne25 tronu). Při dlouhodobém zatížení magnetronu odraženým vlněním může dojít k jeho zničení. Aby k tomu nedošlo, musí se odražené vlnění odvádět mimo magnetron. Z tohoto důvodu se zařazuje mezi magnetron a aplikátor do dráhy vlnovodu navíc ještě cirkulátor, kteiý zajišťuje odvod odraženého vlnění a jeho přeměnu v teplo. Cirkulátor je zařízení sice účinné, ale také poměrně komplikované a především drahé, které značně zvyšuje rozměry, složitost a cenu dosud známých mi30 krovlnných generátorů plazmatu. Navíc pro naladění aplikátoru musí být mikrovlnné vedení zakončeno posuvným zkratem (pohyblivý píst), který slouží k vyladění vedení za účelem maximální účinnosti aplikátoru.

Úkolem technického řešení je vytvoření takového mikrovlnného generátoru plazmatu, který by odstraňoval výše uvedené nedostatky a umožňoval účinnou eliminaci části odraženého vlnění bez nutnosti použití výše popsaných složitých, drahých a rozměrných prvků.

Podstata technického řešení

Tento úkol je vyřešen vytvořením aplikátoru a mikrovlnného generátoru plazmatu, zahrnujícího řečený aplikátor, podle tohoto technického řešení.

Podstata technického řešení spočívá v tom, že je možné odražené vlny interferenčně vyrušit ji40 nými odraženými vlnami stejné vlnové délky, ale s patřičným fázovým posuvem. Toto je dosaženo vytvořením aplikátoru s vodicí částí uzavřeného profilu a se dvěma výstupy na protilehlých koncích. Na rozhraních obou výstupů a plazmového pole vznikají odražené vlny, a odrážejí se zpět proti sobě do vodicí části, kde se setkávají a interferují. Účinné eliminace působení odražených vln na zdroj mikrovlnného vlnění (magnetron) je dosaženo překvapivě tak, že magnetron se umístí přímo na vstup aplikátoru, který je umístěn ve stěně jeho vodicí části, a to ve vzdálenosti A od rozhraní prvého výstupu a ve vzdálenosti B od rozhraní druhého výstupu, přičemž absolutní hodnota rozdílu vzdáleností A-B nebo B-A je rovna λ/2, kde λ je vlnová délka mikrovlnného

-1 CZ 17940 Ul vlnění z mikrovlnného zdroje (magnetronu). Vzdálenosti A a B přitom odpovídají trajektorii šíření mikrovlnného vlnění.

Pak se odražené vlny z protilehlých výstupů setkávají ve vodicí části v místě vstupu zdroje mikrovlnného záření (magnetronu) přesně s opačnou polaritou, a jejich účinek se ruší, takže samotný magnetron není zatěžován žádným odraženým vlněním.

V jednom výhodném provedení aplikátoru je vodicí část upevněná z jedné strany ke kovové vakuové přírubě, která je opatřena otvory uspořádanými na přivrácené straně proti výstupům vodicí části. Na odvrácené straně jsou tyto otvory překryty krytem z dielektrika.

Rovněž je výhodné, když vodicí část má tvar dutého tělesa, dosedajícího na přírubu a překrývají10 čího otvory svými výstupy.

Toto řešení se vyznačuje velmi malými vnějšími rozměry a značnou variabilitou - lze jej namontovat do jakéhokoli zařízení, které má otvor odpovídající kruhové přírubě.

V jiném výhodném provedení aplikátoru podle technického řešení má vodicí část v půdorysu přibližně tvar písmene „U“, jehož ramena jsou na koncích opatřena výstupy, a vstup je uspořádán v jednom z ramen. Toto řešení je charakterizováno delší drahou, větší přesností a stabilitou.

Předmětem technického řešení je rovněž mikrovlnný generátor plazmatu, zahrnující mikrovlnný zdroj (magnetron) a aplikátor, kde mikrovlnný zdroj je připojen na vstup vodicí části aplikátoru, která je na jednom svém konci opatřena prvým výstupem, na druhém svém konci druhým výstupem, a vstup je uspořádán ve stěně vodicí části ve vzdálenosti A od rozhraní prvého výstupu a ve vzdálenosti B od rozhraní druhého výstupu, přičemž absolutní hodnota rozdílu vzdáleností A-B nebo B-A je rovna λ/2, kde λ je vlnová délka mikrovlnného vlnění mikrovlnného zdroje.

Výhoda výše popsaného aplikátoru a mikrovlnného generátoru plazmatu zahrnujícího tento aplikátor spočívá především v tom, že je možné vynechat při konstrukci zařízení drahý a rozměrný cirkulátor včetně vlnovodu event. laditelného zkratu mikrovlnného vedení, a vytvořit tak mikro25 vinný generátor jednoduchý, kompaktní, snadno přemístitelný s malými vnějšími rozměry a s nízkými výrobními náklady.

Přehled obrázků na výkresech

Technické řešení bude blíže objasněno s pomocí výkresů, na nichž znázorňují obr. 1 schematický řez otevřeným mikrovlnným generátorem plazmatu včetně aplikátoru s vodicí částí ve tvaru du30 tého tělesa, obr. 2 schematický řez otevřeným mikrovlnným generátorem plazmatu včetně aplikátoru s vodicí částí mající v řezu přibližně tvar písmene „U“.

Příklady provedení technického řešení

Rozumí se, že dále popsané a zobrazené konkrétní příklady uskutečnění technického řešení jsou představovány pro ilustraci, nikoli jako omezení příkladů provedení technického řešení na uve35 děné případy. Odborníci znalí stavu techniky najdou nebo budou schopni zjistit za použití rutinního experimentování větší či menší počet ekvivalentů ke specifickým uskutečněním technického řešení, která jsou zde speciálně popsána. I tyto ekvivalenty budou zahrnuty v rozsahu následujících nároků na ochranu.

V jednom konkrétním příkladu provedení technického řešení, schematicky znázorněném na obr. 1, je znázorněn otevřený mikrovlnný generátor plazmatu, napájený z nezobrazeného zdroje pulsního napětí 3 kV, a určený pro plazmovou modifikaci práškových materiálů na bázi polyetylénu.

Mikrovlnný zdroj (magnetron) 5 je magnetron Panasonic o výkonu 1 kW, s pulsním řízením výkonu, a je zasazen do stěny vodicí části 3 aplikátoru 1, která je vytvořena z mosazného plechu.

Vodicí část 3 má tvar dutého tělesa s prvým výstupem 4 a s druhým výstupem 4Λ Těmito výstupy 4, 41 dosedá vodicí část 3 na otvory 11, 11' v kruhové vakuové hliníkové přírubě 8, a je k ní přišroubována. Na odvrácené straně příruby 8 jsou otvory 11, 11' překryty kryty 6 z dielektrika,

-2CZ 17940 Ul např. z korundu nebo z křemenného skla. Strany krytů 6, odvrácené od výstupů 4, 4/ tvoří rozhraní 10, 10', na kterých se odráží mikrovlnné vlnění, a za kterými je u každého výstupu 4, 41 vytvářen plazmový oblak 9. Celý aplikátor I lze pomocí příruby 8 vyrobené v rozměrové řadě ISO namontovat na libovolný nezobrazený recipient, kterým je zpravidla komora z nerezového plechu. Podstatné je, aby vstup 2 mikrovlnného vlnění z mikrovlnného zdroje 5 byl uspořádán ve vodicí části 3 např. v její stěně ve vzdálenosti A od rozhraní K) prvého výstupu 4 a ve vzdálenosti B od rozhraní 10' druhého výstupu 41, přičemž musí platit, že absolutní hodnota rozdílu vzdáleností A-B nebo B-A je rovna λ/2, tedy polovině vlnové délky mikrovlnného vlnění zdroje 5, a vzdálenosti A a B odpovídají trajektorii šíření mikrovlnného vlnění.

ío Na obr. 2 je dále schematicky znázorněn stejný otevřený mikrovlnný generátor plazmatu, ovšem s malou modifikací v tom, že vodicí část 3 má v řezu přibližně tvar písmene „U“, jehož ramena 7, 71 jsou na koncích opatřena výstupy 4,4', a vstup 2 je uspořádán v jednom z ramen 7, T_. Průmyslová využitelnost

Aplikátor mikrovlnného generátoru plazmatu a mikrovlnný generátor plazmatu zahrnující tento aplikátor, podle tohoto technického řešení, lze využít v mnoha oblastech lidské činnosti, ve kterých se pracuje s plazmatem, a je potřeba mít k dispozici kompaktní generátor malých rozměrů s eliminací negativních účinků odrážené složky mikrovlnného vlnění.

Claims

1. Aplikátor (1) mikrovlnného generátoru plazmatu, zahrnující vstup (2) mikrovlnného vlnění

20 od mikrovlnného zdroje (5), vodicí část (3) uzavřeného průřezu, a alespoň jeden výstup (4, 4') mikrovlnného vlnění, překrytý krytem (6) z dielektrika jehož strana odvrácená od výstupu (4, 4') tvoří rozhraní (10, 10') mezi aplikátorem (1) a plazmovým oblakem (9), vyznačující se tím, že vodicí část (3) je na jednom svém konci opatřena prvým výstupem (4), na druhém svém konci druhým výstupem (4'), a vstup (2) je uspořádán ve vodicí části (3) ve vzdálenosti (A)

25 od rozhraní (10) prvého výstupu (4) a ve vzdálenosti (B) od rozhraní (10') druhého výstupu (4'), přičemž absolutní hodnota rozdílu vzdáleností A-B nebo B-A je rovna λ/2, kde λ je vlnová délka mikrovlnného vlnění, a vzdálenosti A a B odpovídají trajektorii šíření mikrovlnného vlnění.

2. Aplikátor podle nároku 1, vyznačující se tím, že vodicí část (3) je upevněna ke kovové vakuové přírubě (8), která je opatřena otvory (11,11') uspořádanými na přivrácené straně

30 proti výstupům (4, 4') vodicí části (3) a překrytými na odvrácené straně alespoň jedním krytem (6) z dielektrika.

3. Aplikátor podle nároku 2, v y z n a č u j í c í se tí m , že vodicí část (3) má tvar dutého tělesa, které dosedá na přírubu (8) a překiývá otvory (11, 1 Γ) svými výstupy (

4, 4'), a vstup (2) je uspořádán ve stěně vodicí části (3).

35 4. Aplikátor podle nároku 1 nebo 2 nebo 3, vyznačující se tím, že vodicí část (3) má v řezu přibližně tvar písmene „U“, jehož ramena (7, 7') jsou na koncích opatřena výstupy (4, 4'), a vstup (2) je uspořádán v jednom z ramen (7, 7').

5. Mikrovlnný generátor plazmatu, zahrnující mikrovlnný zdroj (magnetron) (5) a aplikátor (1), vyznačující se tím, že mikrovlnný zdroj (5) je připojen na vstup (2) vodicí části

40 (3) aplikátoru (1), která je na jednom svém konci opatřena prvým výstupem (4), na druhém svém konci druhým výstupem (4'), přičemž oba výstupy (4, 4') jsou překryty kryty (6) z dielektrika, jejichž odvrácené strany od výstupů (4, 4') tvoří rozhraní (10, 10') mezi aplikátorem (1) a plazmovými oblaky (9), a vstup (2) je uspořádán ve vodicí části (3) ve vzdálenosti (A) od rozhraní (10) prvého výstupu (4) a ve vzdálenosti (B) od rozhraní (10') druhého výstupu (4'), přičemž

45 absolutní rozdíl vzdáleností A-B nebo B-A je roven λ/2, kde λ je vlnová délka mikrovlnného

- J CZ 17940 Ul vlnění mikrovlnného zdroje (5), a vzdálenosti A a B odpovídají trajektorii šíření mikrovlnného vlnění.