ITFI940194A1 - Sorgente di plasma a radiofrequenza - Google Patents
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Abstract
Viene descritta una sorgente di plasma comprendente una camera di scarica (1) delimitata da una parete di fondo (5) e da una parete laterale (3), un sistema (7) di adduzione di gas in detta camera di scarica, un sistema di elettrodi (13, 15) associati e detta camera di scarica (1), collegati ad un generatore di radiofrequenza (17), i quali applicano un campo elettrico oscillante all'interno della camera di scarica, e mezzi generatori (9, 11) di un campo magnetico statico in detta camera di scarica. Coassialmente a detta camera di scarica (1), sono disposti un primo ed un secondo elettrodo (15; 13; 13A), uno almeno dei quali ha uno sviluppo anulare ed è disposto in una posizione intermedia lungo lo sviluppo assiale della camera di scarica. detti due elettrodi (15; 13; 13A) essendo collegati a due poli del generatore di radiofrequenza.(Fig. 1).
Description
Sorgente di plasma a radiofrequenza
Descrizione
Campo tecnico
L'invenzione riguarda una sorgente di plasma comprendente una camera di scarica delimitata da una parete di fondo e da una parete laterale, un sistema di adduzione di gas in detta camera di scarica, un sistema di elettrodi associati a detta camera di scarica, collegati ad un generatore di radiofrequenza, i quali applicano un campo elettrico oscillante nella camera di scarica, e mezzi generatori di un campo magnetico statico in detta camera di scarica.
L'invenzione riguarda, inoltre, un generatore di fascio ionico incorporante una sorgente di plasma di questo tipo.
L'invenzione riguarda, infine, un metodo per la generazione di plasma in una camera di scarica, nella quale viene addotto un gas e nella quale viene generato un campo magnetico statico ed un campo elettrico oscillante a radiofrequenza.
Questi sistemi trovano impiego in campo industriale, ad esempio per impianti di ion etching, per processi di lavorazione nella produzione di disposit micro-elettronici ed altro. In questi impieghi è vantaggioso disporre di sorgenti di plasma particolarmente efficienti per ridurre i costi di lavorazione.
Sistemi analoghi trovano impiego in campo spaziale, per la realizzazione di motori ionici od altri dispositivi incorporanti una sorgente di plasma. In queste applicazioni si ha la necessità di produrre fasci ionici intensi con basso consumo di gas propellente e di potenza elettrica, in quanto è necessario sia minimizzare il peso dei dispositivi montati sui satelliti, sia ottenere la massima durata del motore, determinata dal quantitativo di gas propellente imbarcato e dal consumo.
Stato della tecnica
Attualmente, i sistemi più conosciuti per la generazione di plasma si possono classificare come segue:
I) sorgenti di plasma basate sull'emissione continua di elettroni emessi da un catodo eventualmente riscaldato, che vengono accelerati e raggiungono un anodo. Durante la loro accelerazione gli elettroni ionizzano le molecole gassose generando il plasma. Queste sorgenti basano la loro efficienza sulla possibilità di accelerare in maniera continua e diretta un elevato numero di elettroni emessi dal catodo, grazie al campo elettrico D.C. che viene generato tra catodo ed anodo. Sorgenti di questo tipo sono descritte, ad esempio, in US-A-5.241.243, US-A-5.075.594, ‘ US-A- 4.749.912, US-A-4.714.831;
2) sorgenti di plasma basate su scariche Q radiofrequenza (rf). In queste sorgenti l'energia viene trasferita agli elettroni in maniera efficiente grazie ad un'opportuna scelta della pressione nella camera di scarica. Talvolta viene sovraimposto un campo magnetico statico allo scopo di migliorare il confinamento del plasma nella camera di scarica e di limitare così le perdite di ioni ed elettroni sulle pareti. Infatti, come noto agli esperti del ramo, quando un elettrone ed uno ione urtano insieme su di una parete, hanno alta probabilità di ricombinarsi dando origine ad una molecola neutra(vedasi US-A- 5,036,252);
3) sorgenti a microonde che utilizzano il campo magnetico statico per generare un effetto di risonanza ciclotronica (effetto ECR“Electron Cyclotron Resonance) . Si tratta di sorgenti che utilizzano una combinazione del campo elettrico a radiofrequenza con un opportuno valore del campo magnetico statico. Sorgenti di questo tipo sono descritte ad esempio in US-A-5,241 ,244, US-A-4,739,169 e US-A-4,438,368.
Scopo della presente invenzione è la realizzazione di una sorgente di plasma che permetta la generazione di plasma in modo particolarmente efficiente, con vantaggi in termini di risparmio di gas e di potenza rispetto alle sorgenti note. Questi vantaggi sono particolarmente importanti in campo spaziale, dove è necessario ridurre al minimo i consumi sia di gas propellente che di potenza.
Descrizione dell'invenzione
Questi ed altri scopi, che appariranno chiari agli esperti del ramo dalla lettura del testo che segue, sono ottenuti con un dispositivo!in cui; coassialmente a detta camera di scarica, sono disposti un primo ed un secondo elettrodo, uno almeno dei quali ha uno sviluppo anulare ed è disposto in una posizione intermedia lungo lo sviluppo assiale della camera di scarica, detti due elettrodi essendo collegati a due poli del generatore di radiofrequenza· ed in cui i mezzi generatori del campo magnetico statico generano un campo magnetico Bo circa parallelo all'asse della camera di scarica con un'intensità media nella camera di scarica tale per cui la corrispondente frequenza elettronica di ciclotrone fc soddisfa la condizione
f<fc<7f (1) preferibilmente
f<fc<3f
dove f è la frequenza del campo elettrico. La frequenza di ciclotrone fo è legata al campo magnetico Bo dalla relazione
(2)
dove e è la carica elettrica dell'elettrone (1,602■10“<19>C) e me è la massa dell'elettrone (9,1■10-<3 x>kg). Esplicitando la condizione (1) rispetto al campo magnetico Bo si has
(„
Secondo una possibile forma di realizzazione, entrambi gli elettrodi sono anulari e sono disposti coassialmente alla camera di scarica in due diverse posizioni .
Preferibilmente, però, il primo elettrodo è di forma discoidale ed applicato in corrispondenza del fondo della camera di scarica, internamente ed esternamente da essa.
L'invenzione si basa sul riconoscimento del fatto che l'utilizzo sinergico e contemporaneo di un'opportuna configurazione degli elettrodi, i quali generano un opportuno campo elettrico nella camera di scarica; e la realizzazione di un opportuno profilo del campo magnetico statico, determina una condizione estremamente favorevole per generare il plasma. Si ottiene, infatti, un notevole aumento della densità di plasma a parità di condizioni di pressione di gas nella camera di scarica (e quindi di consumo di propellente) e di potenza a radiofrequenza fornita agli elettrodi.
Ulteriori vantaggiose caratteristiche della sorgente di plasma secondo l'invenzione, e del relativo metodo di generazione di plasma sono indicate nelle allegate rivendicazioni. In particolare, il campo magnetico statico può essere generato da uno o più elettromagneti, da una o più bobine o da una disposizione anulare di magneti permanenti, o da una combinazione di detti mezzi, che circonda la camera di scarica coassialmente ad essa almeno in prossimità della parete di fondo. Si possono anche utilizzare due bobine di eccitazione, una in prossimità del fondo ed una in prossimità dell'apertura della camera di scarica.
Disponendo un sistema di griglie di estrazione con relativi mezzi di polarizzazione delle griglie stesse davanti alla bocca della camera di scarica ed un elettrodo all'interno della camera di scarica (con mezzi di polarizzazione relativi) , la sorgente di plasma può essere utilizzata per la generazione di un fascio ionico e quindi in funzione di motore ionico per la generazione di spinta su satelliti.
E' stato verificato sperimentalmente che l'utilizzo degli elettrodi nella configurazione sopra indicata e la scelta del profilo del campo magnetico Bo permettono di aumentare di un fattore anche superiore a cinque la densità di plasma a parità di flusso del campo magnetico statico e di potenza in radiofrequenza rispetto a quanto si ottiene in diverse condizioni di campo magnetico .
Le prove sperimentali sono state eseguite con una frequenza f^lOOMHz. Tuttavia, la scelta del valore della frequenza del campo magnetico oscillante non è limitato a tale valore.
E' noto agli esperti del settore che vi sono opportune combinazioni di frequenza f di campo elettrico e di intensità di campo magnetico Bo tali da rendere possibile la penetrazione del campo elettrico a radiofrequenza Erf nel plasma attraverso la propagazione di onde nel plasma stesso.
Dalla teoria è noto che in assenza di campo magnetico si possono propagare solo onde longitudinali (elettrostatiche) a frequenza f«fpi, fpe ed onde trasverse con f*fpe, dove fpi (frequenza ionica di plasma) ed fpe (frequenza elettronica di plasma) sono definiti da
(4)
dove Co è la costante dielettrica nel vuoto, Ne è la densità di plasma, mi ed me sono rispettivamente la massa degli ioni e degli elettroni. Tipicamente, per plasmi generati con scariche in gas a basse pressioni (<10<- 3>mbar), in cui la densità di plasma di plasma è compreso tra IO<10 >e IO<12 >era-<3>, si ha fpe>lGHz e fpi<20MHz .
La presenza di un campo magnetico statico di opportuno profilo e di opportuna intensità tali da soddisfare la condizione (1) sopra riportata, permette la propagazione di onde sia elettromagnetiche che elettrostatiche nel plasma anche con frequenze f diverse da fpi ed fpe. Inoltre, come è noto agli esperti del ramo, le curve di dispersione dei campi elettromagnetici nel plasma ed i profili dei campi elettromagnetici dei modi trasversi e longitudinali in cui è ammesso un valore di f tale da soddisfare la (1) risultano sostanzialmente indipendenti da altri parametri, almeno fino a che fpi<f<fpe.
Da quest'ultima considerazione si può estendere i risultati sperimentali ottenuti a f=100MHz anche a valori di frequenza del campo elettrico oscillante diversi, ad esempio, ma non esclusivamente, nell'intera banda VHF (30-300MHZ), in quanto per questa banda di frequenze e per le densità di plasma normalmente impiegate in questi dispositivi è possibile soddisfare agevolmente la condizione fpi<f<fpe.
La possibilità di innescare una o più onde elettromagnetiche nel plasma facilita la penetrazione del campo elettrico in tutto il volume occupato dal plasma. Infatti, è noto che se non vengono eccitate onde, i campi elettrici risultano confinati in vicinanza delle pareti della camera di scarica e non si propagano nell'intero volume, a causa del cosiddetto "skin effect" (schermaggio da parte del plasma del campo elettrico). Lo "skin effect" limita l'efficienza della scarica in quanto il campo elettrico può fornire energia agli elettroni per la ionizzazione solo nella regione della camera di scarica più prossima alla parete.
Viceversa, la possibilità di innescare onde nell'intero volume in cui è confinato il plasma consente di utilizzare tutto il volume della camera di scarica per fornire energia agli elettroni presenti nel plasma. Questi, una volta raggiunta un'energia cinetica almeno pari a quella di ionizzazione del gas, urtando i neutri danno origine a nuove coppie ione-elettrone, attuando il processo di ionizzazione del propellente. La condizione di utilizzo dell'intero volume di scarica, ottenibile con la combinazione di elettrodi e di profilo del campo magnetico secondo la presente invenzione, è quindi quella che consente di ottenere elevate efficienze di ionizzazione, intese come rapporto tra densità di plasma Ne e densità di neutri No.
La sorgente secondo l'invenzione presenta i seguenti vantaggi:
a) rispetto alle sorgenti di plasma a catodo riscaldato essa non utilizza né catodi né filamenti caldi. Questo elimina gli inconvenienti derivanti dalla sensibilità di questi elementi all'erosione dovuta al bombardamento da parte delle particelle caricate elettricamente. Inoltre, si ha una maggiore semplicità costruttiva;
b) rispetto alle sorgenti a radiofrequenza di tipo noto, la configurazione secondo la presente invenzione consente di ottenere un'efficienza nella produzione di plasma molto maggiore, grazie al fatto di riuscire ad eccitare un'onda nel plasma, che consente di utilizzare l'intero volume del plasma, anziché la sola zona in prossimità delle pareti, per fornire e nergia agli elettroni. Di conseguenza, questi ultimi possono acquisire più velocemente ed in numero maggiore l'energia necessaria a ionizzare gli atomi neutri del gas ed attuare il processo di ionizzazione.
Breve descrizione dei disegni
Il trovato verrà meglio compreso seguendo la descrizione e l'unito disegno, il quale mostra una possibile forma di realizzazione non limitativa del trovato stesso. In particolarei la
Fig.l mostra una vista laterale schematica e parziale sezione di una sorgente di plasma secondo l'invenzione; le
Figg.2 a 4 mostrano configurazioni alternative degli elettrodi; la
Fig.5 mostra un diagramma sperimentale della variazione della corrente estratta dalla sorgente di plasma al variare del campo magnetico statico; la
Fig.6 mostra il profilo del campo magnetico statico lungo lo sviluppo assiale della camera di scarica, nella condizione ottimale di Flg.5, e la
Fig.7 mostra una forma di realizzazione modificata. Descrizione della forma di realizzazione preferita Con riferimento alla Fig.l, con 1 è indicata genericamente la camera di scarica, delimitata da una parete laterale 3 e da una parete di fondo 5. La camera di scarica 1 presenta generalmente una configurazione cilindrica con asse A-A. Alla camera di scarica è associato un condotto di adduzione di gas, schematicamente indicato con 7, attraverso il quale viene alimentato il gas propellente.
Attorno alla parete laterale cilindrica 3, in vetro, quarzo od altro materiale preferibilmente ma non necessariamente dielettrico, definente la camera di scarica 1 sono disposte due bobine 9 ed 11 anulari, la prima in corrispondenza della parete di fondo 5 e la seconda in corrispondenza dell'apertura frontale o bocca della camera di scarica. Le bobine 9 ed 11 generano il campo magnetico statico Bo.
La parete della camera 1 potrebbe essere anche metallica.
In corrispondenza della parete di fondo 5 è disposto un primo elettrodo 13, ad esempio in forma di dischetto, posto in asse con la camera di scarica 1 cioè con il proprio asse coincidente con l'asse A-A. Nell'esempio di Fig.l l'elettrodo 13 è posto internamente alla camera di scarica, cioè a contatto diretto con il plasma.
Con 15 è indicato un secondo elettrodo, di forma anulare, posto (nell'esempio di Fig.l) all'esterno della parete laterale 3 della camera di scarica 1.
I due elettrodi 13 e 15 sono collegati, ad esempio tramite un cavo coassiale 16, ad un generatore di radiofrequenza, di tipo noto agli esperti del settore e schematicamente indicato con 17.
In una possibile configurazione (non limitativa) lo spessore di del primo elettrodo 13 può essere pari a 1 cm il suo diametro 5 cm , il diametro interno del secondo elettrodo anulare è funzione della dimensione della camera e può essere pari a 10 cm e la dimensione assiale da può essere di circa 1 cm.
La distanza di tra elettrodo 15 e parete di fondo 5 può essere compresa tra 0 e 2,5 cm , preferibilmente 1,5 cm .
Con 19 è genericamente indicato un sistema di griglie di estrazione di tipo di per sè noto, polarizzato tramite un generatore di tensione 21. Con 23 è indicato un anodo polarizzato, con segno opposto alle griglie, tramite un generatore 25.
Le Figg.2 a 4, in cui parti uguali o corrispondenti sono indicate con gli stessi numeri di riferimento, mostrano varianti di configurazione. In Fig.2 è mostrata una forma di realizzazione modificata, dove anche l'elettrodo 13 è posto al di fuori della camera di scarica 1. In Fig.3 è mostrata una forma di realizzazione in cui entrambi gli elettrodi 13 e 15 sono disposti all'interno della camera di scarica 1, e la Fig.4 mostra una configurazione in cui l'elettrodo 13 è posto esternamente alla camera di scarica e l'elettrodo 15 internamente alla camera stessa.
Le Figg.5 e 6 mostrano i risultati sperimentali ottenuti con un generatore di fascio ionico utilizzante una sorgente di plasma realizzata secondo l'invenzione. Più in particolare, in Fig.5 è mostrato un diagramma che riporta in ascisse la corrente Ibi nella bobina 11 (ampere) ed in ordinate la corrente estratta dalla sorgente di plasma corredata del sistema di griglie 19. La corrente nella bobina 9 è assunta fissa e pari a 1.1A. Come si rileva dal diagramma, la corrente estratta dalla sorgente di plasma presenta un valore ottimale, caratterizzato da un forte picco, in corrispondenza di un valore opportuno della corrente Ibi, e quindi del campo magnetico Bo, mantenendo costanti gli altri parametri di funzionamento, che nell'esempio sono assunti come seguet
- flusso di gas propellente (Xenon)« 1,7 sccm
- potenza in radiofrequenza erogata dall'alimentatore 17i 50W
- frequenza (f) del campo elettrico Erf: 100MHz.
In Fig.6 è riportato il profilo sull'asse della sorgente del campo magnetico Bo nelle condizioni ottimali di Fig.5. In ascisse è riportata la posizione lungo lo sviluppo assiale della camera di scarica, il cui profilo è riportato in grafico. In ordinate è riportata l'intensità Bo del campo magnetico. Sono inoltre indicate le posizioni delle bobine 9 ed 11. Per f=100MHz, si ha f<fc<2f, non uniforme lungo l'asse della camera.
La Fig.7 mostra una forma di realizzazione modificata, in cui l'elettrodo 13 è sostituito da un elettrodo 13A di forma anulare e sostanzialmente analogo all'elettrodo 15.
L'elettrodo 13A è disposto lungo lo sviluppo assiale della camera di scarica 1, come l'elettrodo 15, quest'ultimo essendo compreso tra il fondo 5 e l'elettrodo 13A.
E' inteso che il disegno non mostra che possibili forme di attuazione dell'invenzione, la quale può variare in forme e configurazioni, senza uscire dal concetto inventivo. Ad esempio, come precedentemente accennato, la bobina 11 può essere omessa. Inoltre una od entrambe le bobine 9 e 11 possono essere sostituite da magneti permanenti.
L'eventuale presenza di numeri di riferimento nelle allegate rivendicazioni non ne limita l'ambito di protezione .
Claims (9)
- RIVENDICAZIONI 1. Una sorgente di plasma comprendente una camera di scarica (1) delimitata da una parete di fondo (5) e da una parete laterale (3), un sistema (7) di adduzione di gas in detta camera di scarica, un sistema di elettrodi (13, 15) associati a detta camera di scarica (1), collegati ad un generatore di radiofrequenza (17), i quali applicano un campo elettrico oscillante all'interno della camera di scarica, e mezzi generatori (9, 11) di un campo magnetico statico in detta camera di scarica , caratterizzata dal fatto; - che coassialmente a detta camera di scarica (1), sono disposti un primo ed un secondo elettrodo (15; 13; 13A) , uno almeno dei quali ha uno sviluppo anulare ed è disposto in una posizione intermedia lungo lo sviluppo assiale della camera di scarica, detti due elettrodi (15; 13; 13A) essendo collegati a due poli del generatore di radiofrequenza; - e che i mezzi generatori (9, 11) del campo magnetico statico generano un campo magnetico (Bo) circa parallelo all'asse (A-A) della camera di scarica, con un'intensità media nella camera di scarica tale per cui la corrispondente frequenza elettronica di ciclotrone fa soddisfa la condizione f<fc<7f (1) dove f è la frequenza del campo elettrico.
- 2. Sorgente di plasma come da rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che entrambi detti elettrodi (13A, 15) hanno uno sviluppo anulare e sono disposti in due distinte posizioni intermedie lungo lo sviluppo assiale della camera di scarica (1).
- 3. Sorgente di plasma come da rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto primo elettrodo (13) è applicato in corrispondenza della parete di fondo (5) della camera di scarica (1).
- 4. Sorgente di plasma come da rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detto primo elettrodo (13) è a forma di dischetto disposto sulla parete di fondo (5) della camera di scarica (1).
- 5. Sorgente di plasma come da rivendicazione 3 o 4, caratterizzata dal fatto che detto secondo elettrodo (15) è disposto in una posizione intermedia lungo lo sviluppo assiale della camera di scarica (1), tra la parete di fondo (5) e la metà dell'altezza della camera di scarica.
- 6. Sorgente di plasma come da una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto di comprendere un sistema di griglie di estrazione (19) associate ad un mezzo di polarizzazione (21), ed un elettrodo di polarizzazione (23) con relativi mezzi di polarizzazione (25) per generare un fascio ionico.
- 7. Metodo per la generazione di plasma in una camera di scarica (1) comprendente una parete di fondo (5) ed una parete laterale (3), in cui in detta camera viene generato un campo magnetico statico (Bo)> e viene disposto un sistema di elettrodi (13, 15) i quali applicano un campo elettrico (Erf) a radiofrequenza all'interno della camera di scarica (1), caratterizzato dal fatto; - di disporre un primo elettrodo (13) ed un secondo elettrodo (15) coassialmente a detta camera (1), almeno uno di detti elettrodi essendo a sviluppo anulare; - e di generare un campo magnetico statico (Bo) circa parallelo all'asse (A-A) della camera di scarica, il campo magnetico presentando un'intensità media nella camera di scarica tale per cui la corrispondente frequenza elettronica di ciclotrone fc soddisfa la condizione f<fc<7f (1) dove f è la frequenza del campo elettrico.
- 8. Metodo come da rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto di disporre detto primo elettrodo (13) in prossimità della parete di fondo (5) della camera di scarica (1) e detto secondo elettrodo in una posizione intermedia lungo lo sviluppo assiale della camera di scarica, detto secondo elettrodo essendo a sviluppo anulare.
- 9. Un propulsore ionico comprendente una o più sorgenti di plasma come da una o più delle rivendicazioni 1 a 6.
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