RU2035130C1 - High-frequency generator of plasma - Google Patents
High-frequency generator of plasma Download PDFInfo
- Publication number
- RU2035130C1 RU2035130C1 RU92007715A RU92007715A RU2035130C1 RU 2035130 C1 RU2035130 C1 RU 2035130C1 RU 92007715 A RU92007715 A RU 92007715A RU 92007715 A RU92007715 A RU 92007715A RU 2035130 C1 RU2035130 C1 RU 2035130C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- circuit
- grid
- electrode
- inductance
- generator
- Prior art date
Links
Landscapes
- Circuit Arrangements For Discharge Lamps (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано для получения газоpазрядной плазмы при высоком и низком давлении. The invention relates to plasma technology and can be used to obtain gas-discharge plasma at high and low pressure.
При решении широкого круга практических задач требуется получение плазмы на относительно большом расстоянии от ее источника питания. Практическая реализация подобных решений представляется сложной из-за проблемы согласования разряда с источником питания. Особая сложность возникает при необходимости использования маломощных источников питания и получения устойчивого самовозбуждающего высокочастотного разряда, связанного с источником питания посредством передаточных элементов коаксиальных кабелей, или других электрических линий. In solving a wide range of practical problems, it is necessary to obtain plasma at a relatively large distance from its power source. The practical implementation of such solutions seems difficult due to the problem of matching the discharge with the power source. Particular difficulty arises when it is necessary to use low-power power sources and to obtain a stable self-exciting high-frequency discharge associated with the power source by means of transmission elements of coaxial cables or other electric lines.
Известно устройство для получения высокочастотной плазмы в инертных газах, в котором используют коаксиальный кабель в виде элемента автогенератора, построенного по трехточечной схеме. В схеме этот кабель установлен между активным элементом, например генераторной лампой, который совместно с высоковольтным источником расположен в отдельном корпусе, и параллельным колебательным контуром. Колебательный контур и дополнительный конденсатор, между пластинами которого расположена разрядная камера, установлены в другом отдельном корпусе (полости). В этом случае коаксиальный кабель является элементом автогенератора. Центральная жила коаксиального кабеля с одной стороны подключена к одному из выводов активного элемента, с другой стороны к катушке индуктивности колебательного контура. Благодаря такому схемному решению возбуждается и поддерживается высокочастотный разряд емкостного типа в нейтральных газах (аргон, гелий). A device for producing high-frequency plasma in inert gases is known, in which a coaxial cable is used in the form of a self-oscillator element constructed according to a three-point circuit. In the circuit, this cable is installed between an active element, for example, a generator lamp, which, together with a high-voltage source, is located in a separate housing, and a parallel oscillatory circuit. An oscillating circuit and an additional capacitor, between the plates of which a discharge chamber is located, are installed in another separate housing (cavity). In this case, the coaxial cable is an element of the oscillator. The central core of the coaxial cable is connected on one side to one of the terminals of the active element, and on the other hand, to the inductance coil of the oscillating circuit. Thanks to this circuit design, a high-frequency discharge of a capacitive type in neutral gases (argon, helium) is excited and maintained.
Существование разряда емкостного типа в плазмообразующих газах сложного химического состава становится проблематичной. Ближайшим из известных технических решений является высокочастотный генератор плазмы, построенный по трехточечной схеме с автотрансформаторной обратной связью. Данный тип высокочастотного генератора плазмы содержит плазмообразующий электрод, высоковольтный источник постоянного тока и автогенератор. Автогенератор, в свою очередь, включает колебательный контур, разделительную емкость, дроссель, согласующую индуктивность, RLC-цепь и генераторную лампу. В этом случае катод генеpаторной лампы соединен с корпусом (заземлен), постоянное смещение на управляющую сетку создается посредством постоянного резистора R, а обратная связь с управляющей сеткой по высокочастотному току осуществляется через последовательную СL-цепь, у которой один конец сеточной индуктивности заземлен (соединен с катодом) совместно с одним краем колебательного контура. Связь электрода с другим краем колебательного контура осуществляется посредством согласующей индуктивности. Этот же край колебательного контура связан с анодом генераторной лампы через разделительную емкость. В рабочем режиме возбуждение одноэлектродного разряда осуществляется принудительным образом. В частности, с помощью диэлектрического или металлического стержня, замыкаемого на электрод в момент формирования разряда. Самостоятельный разряд мощностью 10-40 Вт горит в открытой атмосфере при расположении острия электрода возле корпуса автогенератора на расстоянии 5-20 см. На большем расстоянии даже при принудительной предионизации разряд с одного электрода не формируется. The existence of a capacitive type discharge in plasma-forming gases of a complex chemical composition becomes problematic. The closest known technical solution is a high-frequency plasma generator constructed according to a three-point circuit with autotransformer feedback. This type of high-frequency plasma generator contains a plasma-forming electrode, a high-voltage direct current source and an oscillator. The oscillator, in turn, includes an oscillating circuit, a separation capacitor, a choke, a matching inductance, an RLC circuit and a generator lamp. In this case, the cathode of the generator lamp is connected to the housing (grounded), a constant bias to the control grid is created by a constant resistor R, and feedback to the control grid by high-frequency current is carried out through a serial CL circuit in which one end of the grid inductance is grounded (connected to cathode) together with one edge of the oscillatory circuit. The electrode is connected to the other edge of the oscillatory circuit by means of a matching inductance. The same edge of the oscillating circuit is connected to the anode of the generator lamp through a separation tank. In the operating mode, the excitation of a single electrode discharge is carried out by force. In particular, with the help of a dielectric or metal rod that closes on the electrode at the time of discharge formation. An independent discharge with a power of 10–40 W burns in an open atmosphere when the tip of the electrode is located near the oscillator body at a distance of 5–20 cm. At a greater distance, even with forced preionization, a discharge from one electrode is not formed.
Для получения устойчивого электродного разряда предлагается новый высокочастотный генератор плазмы. Предлагаемый высокочастотный генератор плазмы, как и известный, содержит плазмообразный электрод, высоковольтный источник постоянного тока и автогенератор. Автогенератор включает в себя колебательный контур, разделительную емкость, дроссель, согласующую индуктивность, RLC-цепь и генераторную лампу, анод которой через дроссель соединен с источником постоянного тока, а катод генераторной лампы заземлен. Сетка генераторной лампы соединена с катодом через RLC-цепь, включающую сопротивление и последовательно соединенные сеточную емкость и сеточную индуктивность. При этом электрод соединен с колебательным контуром через согласующую индуктивность. To obtain a stable electrode discharge, a new high-frequency plasma generator is proposed. The proposed high-frequency plasma generator, as well as the known one, contains a plasma-shaped electrode, a high-voltage direct current source and an oscillator. The self-oscillator includes an oscillating circuit, a separation capacitor, a choke, a matching inductance, an RLC circuit and a generator lamp, the anode of which is connected to a direct current source through the choke, and the cathode of the generator lamp is grounded. The grid of the generator lamp is connected to the cathode through an RLC circuit including resistance and series-connected grid capacitance and grid inductance. In this case, the electrode is connected to the oscillating circuit through a matching inductance.
В отличии от известного в предлагаемом решении электрод соединен с автогенератором посредством триаксиального кабеля, центральная жила которого одним концом подключена к электроду, другим концом к согласующей индуктивности, а наружный экран кабеля заземлен. Внутренний экран кабеля соединен с наружным экраном кабеля через первую дополнительную емкость. Точка соединения колебательного контура с сеточной индуктивностью соединена с катодом генераторной лампы через вторую дополнительную емкость. При этом длина триаксиального кабеля выбрана в диапазоне от 0,5 до 3,0 м, величина согласующей индуктивности выбрана в диапазоне от 0,5 до 6,0 мкГн, первая дополнительная емкость выбрана в диапазоне от 5 до 100 пФ, вторая дополнительная емкость выбрана в диапазоне от 10 до 200 пФ, а сопротивление в цепи сетки генераторной лампы выбрано в диапазоне от 4 до 200 МОм. In contrast to the known in the proposed solution, the electrode is connected to the oscillator via a triaxial cable, the central core of which is connected to the electrode at one end, and to the matching inductance at the other end, and the cable outer shield is grounded. The inner cable shield is connected to the outer cable shield through a first additional container. The connection point of the oscillatory circuit with the grid inductance is connected to the cathode of the generator lamp through a second additional capacitance. The length of the triaxial cable is selected in the range from 0.5 to 3.0 m, the value of the matching inductance is selected in the range from 0.5 to 6.0 μH, the first additional capacitance is selected in the range from 5 to 100 pF, the second additional capacitance is selected in the range from 10 to 200 pF, and the resistance in the grid circuit of the generator lamp is selected in the range from 4 to 200 MΩ.
В зависимости от значений сопротивлений в цепи сетки наблюдаются по меньшей мере два режима работы автогенератора. Один режим характеризуется типичной работой известных LC-генераторов, обеспечивающих колебания высокой частоты с постоянной амплитудой. Второй режим характеризуется установившимися колебаниями с автомодуляцией. Автомодуляция происходит спонтанно (без внешнего воздействия) и представляет собой наложение на несущую частоту 2-60 МГц импульсов напряжения длительностью 2-1000 мкс и частотой повторения 1-50 кГц. В промежутке между импульсами сохраняется высокочастотное напряжение соответствующее 3-6% от максимальной амплитуды в импульсе. При этих условиях с острия стержневого электрода самовозбуждается одноэлектродный разряд. Разряд удается возбуждать без принудительной предыонизации при длине триаксиального кабеля, равной 0,5-3,0. Важное значение для устойчивой генерации разряда имеют те или иные элементы автогенератора. Например, отсутствие согласующей индуктивности не обеспечивает возбуждение и непрерывную генерацию разряда в одноэлектродном варианте. Наличие согласующей индуктивности, выбранной с величинами в диапазоне 0,5-6 мкГн с учетом триаксиального кабеля, приводит к оптимальным режимам генерации разряда. В случае подключения средней точки напрямую к катоду (как сделано в прототипе), а не через вторую дополнительную емкость, получить разряд даже с предыонизацией не представляется возможным. Наилучшее согласование автогенератора с разрядом происходит при значении второй дополнительной емкости, равной 10-200 пФ. Если в предлагаемой схеме внутренний экран триаксиального кабеля заземлен, то возможно с предыонизацией получить разряд на воздухе в двухэлектродном варианте. В случае соединения внутреннего экрана кабеля с наружным экраном с помощью первой дополнительной емкости, выбранной в диапазоне от 5 до 100 пФ, заметно улучшается коэффициент передачи триаксиального кабеля, повышается стабильность работы генератора в целом. С помощью предлагаемой схемы осуществляется устойчивая генерация разряда на значительном расстоянии от корпуса генератора мощностью 1-40 Вт. Повышенная устойчивость работы генератора плазмы характеризуется сохранением генерации разряда в экстремальных условиях: в плазмообразующих средах сложного химического состава, включая пламена, и в сверхзвуковых потоках. На воздухе при атмосферном давлении разряд обладает сильной неравновесностью с температурой тяжелых частиц, равной 400-1000 К, и электронной температурой 6000-20000 К. Depending on the resistance values in the grid circuit, at least two modes of operation of the oscillator are observed. One mode is characterized by the typical operation of well-known LC oscillators providing high-frequency oscillations with constant amplitude. The second mode is characterized by steady-state oscillations with self-modulation. Self-modulation occurs spontaneously (without external influence) and is an overlap of 2-60 MHz voltage pulses with a duration of 2-1000 μs and a repetition rate of 1-50 kHz on the carrier frequency. In the interval between pulses, a high-frequency voltage corresponding to 3-6% of the maximum amplitude in the pulse is stored. Under these conditions, a single electrode discharge is self-excited from the tip of the rod electrode. The discharge can be excited without forced preionization with a triaxial cable length of 0.5-3.0. Important for the stable generation of the discharge are those or other elements of the oscillator. For example, the lack of matching inductance does not provide excitation and continuous generation of a discharge in a single-electrode version. The presence of a matching inductance, selected with values in the range of 0.5-6 μH, taking into account the triaxial cable, leads to optimal discharge generation modes. In the case of connecting the midpoint directly to the cathode (as done in the prototype), and not through a second additional capacity, it is not possible to obtain a discharge even with preionization. The best matching of the oscillator with the discharge occurs when the value of the second additional capacitance is equal to 10-200 pF. If in the proposed circuit the internal shield of the triaxial cable is grounded, then it is possible with preionization to obtain a discharge in air in a two-electrode version. In the case of connecting the inner screen of the cable with the outer screen using the first additional capacitance, selected in the range from 5 to 100 pF, the transmission coefficient of the triaxial cable is noticeably improved, the stability of the generator as a whole is increased. Using the proposed scheme, stable discharge generation is carried out at a considerable distance from the generator housing with a power of 1-40 watts. The increased stability of the plasma generator is characterized by the conservation of discharge generation under extreme conditions: in plasma-forming media of complex chemical composition, including flames, and in supersonic flows. In air at atmospheric pressure, the discharge has a strong nonequilibrium state with a temperature of heavy particles equal to 400-1000 K and an electronic temperature of 6000-20000 K.
На чертеже представлена эквивалентная схема высокочастотного генератора плазмы. The drawing shows an equivalent circuit of a high-frequency plasma generator.
Анод генераторной лампы 1 подсоединен к фильтру, состоящему из дросселя и емкости 3. Через разделительную емкость анод подключен к одному краю (к точке соединения индуктивности и емкости колебательного контура). Колебательный контур состоит из конденсатора 5 и индуктивности 6. К указанному краю также подключена согласующая индуктивность 7. Второй край колебательного контура С1L1 соединен с сеточной индуктивностью 8 и второй дополнительной емкостью 9. Другой вывод емкости 9 соединен с заземленным катодом 10. Сетка лампы 11 через емкость 12 соединена с сеточной индуктивностью 8. К сетке также подключен один вывод переменного резистора 13. Другой вывод резистора 13 через переключатель 14 соединен с блоком резисторов 15, состоящих из параллельно соединенных постоянных сопротивлений R2, R3,Rn-1, Rn 16. Переменный резистор и блок сопротивлений могут быть зашунтированы конденсаторами. Эти конденсаторы на схеме не указаны, так как не вносят принципиального изменения в работу генератора плазмы. Другой конец согласующей индуктивности 7 соединен с центральной жилой 17 триаксиального кабеля 18. В свою очередь, второй конец центральной жилы 17 соединен с электродом 19. Наружный экран 20 кабеля 18 соединен с заземленным корпусом 21, а внутренний экран 22 кабеля 18 соединен с внешним экраном 20 посредством первой дополнительной емкости 23.The anode of the generator lamp 1 is connected to a filter consisting of a choke and a capacitor 3. Through the separation capacitor, the anode is connected to one edge (to the point of connection of the inductance and capacitance of the oscillating circuit). The oscillating circuit consists of a capacitor 5 and inductance 6. A matching inductance 7 is also connected to the indicated edge 7. The second edge of the oscillating circuit C1L1 is connected to the grid inductance 8 and the second additional capacitance 9. The other output of the capacitance 9 is connected to the grounded cathode 10. The lamp grid 11 through the capacitance 12 is connected to the grid inductance 8. One terminal of a variable resistor 13 is also connected to the grid. Another terminal of the resistor 13 is connected via a switch 14 to a block of resistors 15, consisting of fixed resistances R 2 , R 3 , R n-1 , R n 16. The variable resistor and the resistance block can be shunted by capacitors. These capacitors are not indicated in the diagram, since they do not fundamentally change the operation of the plasma generator. The other end of the matching inductance 7 is connected to the central core 17 of the triaxial cable 18. In turn, the second end of the central core 17 is connected to the electrode 19. The outer shield 20 of the cable 18 is connected to the grounded housing 21, and the inner shield 22 of the cable 18 is connected to the external shield 20 by the first additional capacity 23.
Генератор плазмы работает следующим образом. The plasma generator operates as follows.
Включается накал лампы 1 триода. Затем подается от источника постоянного тока постоянное анодное напряжение Uо в диапазоне 2,0-4,0 кВ. В автогенераторе устанавливаются автоколебания, частота которых определяется резонансной частотой колебательного контура. С острия стержневого электрода 19 самовозбуждается одноэлектродный разряд 24. Изменяя сопротивление в цепи сетки с помощью переменного резистора R1 или переключателя 14 с электрода 19 генерируется разряд в различных формах (диффузной, кистевой, контрагированной и т.д. ). При этом разряд сохраняет устойчивость при резкой смене химического состава газа, при замыкании разряда на металлические или диэлектрические предметы, включая биологические ткани.Incandescent lamp 1 triode. Then, a constant anode voltage U о is supplied from a direct current source in the range of 2.0-4.0 kV. Self-oscillations are set in the oscillator, the frequency of which is determined by the resonant frequency of the oscillatory circuit. A single-electrode discharge 24 self-excites from the tip of the rod electrode 19. By changing the resistance in the grid circuit using a variable resistor R 1 or a switch 14 from the electrode 19, a discharge is generated in various forms (diffuse, wrist, contracted, etc.). In this case, the discharge remains stable during a sharp change in the chemical composition of the gas, when the discharge is closed on metal or dielectric objects, including biological tissues.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU92007715A RU2035130C1 (en) | 1992-11-24 | 1992-11-24 | High-frequency generator of plasma |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU92007715A RU2035130C1 (en) | 1992-11-24 | 1992-11-24 | High-frequency generator of plasma |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2035130C1 true RU2035130C1 (en) | 1995-05-10 |
| RU92007715A RU92007715A (en) | 1995-06-19 |
Family
ID=20132439
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU92007715A RU2035130C1 (en) | 1992-11-24 | 1992-11-24 | High-frequency generator of plasma |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2035130C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2473318C2 (en) * | 2010-03-23 | 2013-01-27 | Российская академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии) | Device of plasma tissue coagulation |
-
1992
- 1992-11-24 RU RU92007715A patent/RU2035130C1/en active
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 1. Патент Великобритании N 2183087, кл. H 05H 1/36, опублик. 1987. * |
| 2. Нетреба П.И., Тоболкин А.С. Области применения маломощного ВЧ факельного разряда. Тезисы докладов Всесоюзного семинара по высокочастотному пробою газов. Тарту. 1989, с.220. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2473318C2 (en) * | 2010-03-23 | 2013-01-27 | Российская академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии) | Device of plasma tissue coagulation |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US3903891A (en) | Method and apparatus for generating plasma | |
| EP1381257B1 (en) | Apparatus for producing and sustaining a glow discharge plasma under atmospheric conditions | |
| US4877999A (en) | Method and apparatus for producing an hf-induced noble-gas plasma | |
| Engelking | Corona excited supersonic expansion | |
| US5977715A (en) | Handheld atmospheric pressure glow discharge plasma source | |
| US3648015A (en) | Radio frequency generated electron beam torch | |
| EP1034747A1 (en) | Electrosurgery system and instrument | |
| EP2273632A3 (en) | Plasma generating spark plug with integrated inductance | |
| KR20150129832A (en) | Corona ignition with self-tuning power amplifier | |
| Kaeppelin et al. | Different operational regimes in a helicon plasma source | |
| JPH0160920B2 (en) | ||
| Kuo et al. | Design and electrical characteristics of a modular plasma torch | |
| JPH0787255B2 (en) | High frequency discharge excitation laser device | |
| Monge-Dauge et al. | Experimental study coupled with electrical modeling for the consideration of DBD-based plasma jet | |
| RU2035130C1 (en) | High-frequency generator of plasma | |
| US3653766A (en) | Current-injection spark source for emission spectroscopy | |
| US4597086A (en) | Coaxial type laser oscillator for excitation by silent discharge | |
| Pacheco-Sotelo et al. | A universal resonant converter for equilibrium and nonequilibrium plasma discharges | |
| US5841243A (en) | Load matched excitation circuit for an electrodeless lamp including a frequency swept RF excitation source | |
| RU2030849C1 (en) | High-frequency plasma generator | |
| Bliokh et al. | Characteristics of a high-power RF oscillator based on a pulsed hollow-cathode discharge | |
| Korolev et al. | Power supply for generation of low-temperature plasma jets | |
| Dubinov et al. | Generators of high-power high-frequency pulses based on sealed-off discharge chambers with hollow cathode | |
| Martínez-Montejano et al. | Construction of a power electronic source for cold plasma generation | |
| JP3271377B2 (en) | Inverter circuit and electrodeless discharge lamp lighting device using the same |