RU2171554C2 - Способ генерации плазмы и устройство для его осуществления - Google Patents

Способ генерации плазмы и устройство для его осуществления Download PDF

Info

Publication number
RU2171554C2
RU2171554C2 RU99110864A RU99110864A RU2171554C2 RU 2171554 C2 RU2171554 C2 RU 2171554C2 RU 99110864 A RU99110864 A RU 99110864A RU 99110864 A RU99110864 A RU 99110864A RU 2171554 C2 RU2171554 C2 RU 2171554C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
resonator
initiator
discharge chamber
plasma
discharge
Prior art date
Application number
RU99110864A
Other languages
English (en)
Inventor
Ю.В. Корчагин
Original Assignee
Корчагин Юрий Владимирович
Товарищество с ограниченной ответственностью "Комаров и Ко., Лтд."
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Корчагин Юрий Владимирович, Товарищество с ограниченной ответственностью "Комаров и Ко., Лтд." filed Critical Корчагин Юрий Владимирович
Priority to RU99110864A priority Critical patent/RU2171554C2/ru
Priority to AU13013/00A priority patent/AU1301300A/en
Priority to PCT/RU1999/000428 priority patent/WO2000060910A1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2171554C2 publication Critical patent/RU2171554C2/ru

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32192—Microwave generated discharge
    • H01J37/32211—Means for coupling power to the plasma
    • H01J37/32247—Resonators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32357—Generation remote from the workpiece, e.g. down-stream
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/30—Plasma torches using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/46—Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy

Abstract

Изобретение относится к плазменной технике, а точнее к средствам для генерирования плазмы с использованием внешних электромагнитных полей сверхвысокой частоты и предназначено для использования в маломощных и легко транспортируемых, создающих СВЧ-плазму установках, которые могут быть использованы в самых разных отраслях, например плазменная обработка поверхности материалов, экологическая очистка от вредных примесей выбросов промышленных и бытового характера, в медицинских и биологических приложениях и т.д. Сущность изобретения заключаются в том, что возбуждают колебания на частоте, соответствующей резонансной частоте системы, образованной источником СВЧ-излучения (магнетроном) 1 и резонатором 3, определяют области пучности установившейся стоячей волны и направление колебаний электрического вектора в резонаторе, который соединяют с разрядной камерой 6, устанавливают между ними сильную связь, в разрядной камере исследуют распределение электромагнитного поля, фиксируя области пучности, размещают инициатор 4 в области пучности резонатора и разрядной камеры, при этом ориентируют его относительно направления колебаний электрического вектора в резонаторе, после чего возбуждают колебания на частоте, соответствующей резонансной частоте системы источник СВЧ-излучения - резонатор - инициатор - разрядная камера, увеличивая напряженность электромагнитного поля до величины, превышающей пробойную напряженность для газа, заполняющего разрядную камеру, инициируя тем самым разряд, и воздействием СВЧ-излучения генерируют плазму. Технический результат - обеспечение стабильности и устойчивости генерации разряда для формирования непрерывного потока плазмы в любой газовой среде. 2 с. и 12 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

Изобретение относится к плазменной технике, а точнее к средствам для генерирования плазмы с использованием внешних электромагнитных полей сверхвысокой частоты, и предназначено для использования в маломощных и легко транспортируемых, создающих СВЧ-плазму установках, которые могут быть использованы в самых разных отраслях, например, таких как плазменная обработка поверхности материалов, экологическая очистка от вредных примесей выбросов промышленных и бытового характера, в медицинских и биологических приложениях и т.д.
Важнейшей предпосылкой эффективного практического использования плазмы СВЧ-разряда является стабильность ее генерации при возможно более низких уровнях напряженности электрического поля волны как в импульсных, так и в непрерывных режимах генерации. Отсутствие стабильности генерации плазмы практически полностью закрывает возможности ее применения в технологиях, а работа при высоких уровнях электрических полей приводит к необходимости использования мощных и дорогостоящих СВЧ-установок, имеющих к тому же пониженный ресурс работы и работающих, как правило, в изолированных боксах, защищающих персонал от рентгеновских и СВЧ-излучений.
Как правило, для осуществления этих способов используются плазмотроны, содержащие генератор СВЧ, волновод для передачи мощности к области где образуется и поддерживается плазма [Порошковая металлургия и напыление покрытий/Под ред. д. т.н. проф. Б.С. Митина.- М.: Металлургия, 1987, с. 631-635; патент США N 4370539, МКИ6 В 23 К 9/16, НКИ 219/121PW, заяв. 07.10.80, опуб. 25.10.83; патент США N 5210392, МКИ6 В 23 К 9/00, НКИ 219/125.52, заяв. 07.11.90, опуб. 11.05.93].
В качестве такой области может быть использованы вакуумная камера, резонатор или просто трубка, пересекающая волновод.
Подобные установки требуют специальных средств для инициации плазменного разряда, например понижение давления газа до пробойного, сближение электродов, внешняя подача искры в зону образования плазмы или непосредственное замыкание электродов. Все эти средства позволяют получить многократную инициацию, но использование их приводит к быстрому разрушению электродов.
Горение плазмы в таких установках неустойчиво, в том случае, если она погаснет, для ее поджига нужна новая внешняя инициация разряда.
Кроме того, большинство таких устройств громоздки, и для их использования необходимо наличие таких средств, как вакуумная система, силовая установка для установления высокой напряженности СВЧ, а также средства защиты от СВЧ-излучения, что значительно усложняет использование, особенно для таких областей, как медицина, ювелирное дело и т.п.
Известен способ генерации плазмы, заключающийся в том, что с помощью электромагнитной волны СВЧ-диапазона в газовой среде создают инициированный разряд и генерируют плазму. Стабильная генерация плазмы в газовой среде при воздействии на нее электромагнитной СВЧ-волной происходит при превышении напряженности электрического поля волны порога зажигания самостоятельного разряда (Сборник научных трудов/Под ред. Л.Г. Литвака. СВЧ-разряд высокого давления в пучках электромагнитных волн.- Горький, 1988, с. 141-142).
Для реализации этого способа в области плазмообразования размещают инициатор. Использование инициатора в несколько раз понижает порог генерации плазмы в зависимости от давления газа. Вместе с тем пространственно-временная стабильность воспроизведения СВЧ-разряда во многих случаях оказывается весьма неудовлетворительной. Это нежелательное свойство инициированного разряда особенно ярко проявляется при понижении напряженности электрического поля СВЧ-излучения и препятствует практическому использования плазмы разряда с характеристиками, находящимися в области нестабильной генерации плазмы.
Известен способ генерации плазмы, заключающийся в том, что в газовой среде с помощью электромагнитной волны СВЧ-диапазона создают инициированный разряд, генерирующий плазму, после создания разряда фиксируют полученную структуру разряда, выделяют периодически повторяющийся элемент структуры и размещают в область плазмообразования инициатор, геометрические параметры и форма которого идентичны периодически повторяющемуся элементу структуры разряда при его фиксации.
Для осуществления способа использовано устройство, содержащее СВЧ-излучатель, заполненную газом разрядную камеру и размещенный в ней инициатор, форма и геометрические параметры которого подобраны идентичными элементам структуры разряда [патент РФ N 2046559, МКИ6 H 05 H 1/46, заяв. 30.12.92, публ. 20.10.95. БИ N 29].
Этот способ позволяет достаточно хорошо понизить порог пробоя, но если давление в газоразрядной камере порядка или выше атмосферного, требуется очень высокая напряженность электрического поля и соответственно очень большая подводимая мощность для инициации разряда в газе при высоком давлении.
Кроме того, каждый раз при изменении используемого газа или его рабочего давления необходимо менять конфигурацию инициатора, что значительно усложняет его практическое использование.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение стабильности и устойчивости генерации разряда для формировании непрерывного потока плазмы в любой газовой среде путем автоматического возобновления инициации плазмы при любом давлении газа и использовании маломощных источников СВЧ-излучения.
Поставленная задача решается тем, что в известном способе генерации плазмы, заключающемся в инициировании разряда в газовой среде с помощью электромагнитной волны СВЧ-диапазона, используют маломощный источник СВЧ-излучения, напряженность электромагнитного поля которого повышают, для чего используют объемный резонатор, устанавливают сильную связь между источником СВЧ-излучения и резонатором, возбуждают колебания на частоте, соответствующей резонансной частоте системы, образованной источником СВЧ-излучения и резонатором, определяют области пучности установившейся стоячей волны и направление колебаний электрического вектора в резонаторе, который соединяют с разрядной камерой, устанавливают между ними сильную связь, в разрядной камере исследуют распределение электромагнитного поля, фиксируя области пучности, размещают инициатор в области пучности резонатора и разрядной камеры, при этом ориентируют его относительно направления колебаний электрического вектора в резонаторе, после чего возбуждают колебания на частоте, соответствующей резонансной частоте системы источник СВЧ-излучения - резонатор - инициатор - разрядная камера, увеличивая напряженность электромагнитного поля до величины, превышающей пробойную напряженность для газа, заполняющего разрядную камеру, инициируя тем самым разряд, и воздействием СВЧ-излучения генерируют плазму.
Кроме того, поставленная задача решается тем, что устройство для осуществления способа генерации плазмы, содержащее источник СВЧ-излучения, заполненную газом разрядную камеру и размещенный в ней инициатор, выполненный из токопроводящего материала, дополнено объемным резонатором, а инициатор установлен одновременно в полостях разрядной камеры и резонатора, при этом конец инициатора, расположенный в разрядной камере, размещен в области пучности, установившейся внутри разрядной камеры стоячей волны, а другой - помещен внутри резонатора в область пучности, установившейся в нем стоячей волны, а в качестве источника СВЧ-излучения использован СВЧ-магнетрон, рабочая частота которого соответствует резонансной частоте объемного резонатора, при этом излучающий элемент СВЧ-магнетрона расположен внутри объемного резонатора.
Оптимальное увеличениe напряженности электрического поля может быть получено, если конец инициатора, находящийся в резонаторе, ориентирован параллельно направлению колебаний электрического вектора.
При этом инициатор может быть выполнен так, что конец инициатора, находящийся в резонаторе, либо соединен, либо не соединен с его проводящей поверхностью, во втором случае диаметр его как минимум в 2 раза больше диаметра конца инициатора, находящегося в разрядной камере, а длина его выбрана из соотношения
L = nλ/2+λ/4,
где L - общая длина инициатора;
λ - длина волны СВЧ-излучения в свободном пространстве;
n = 0,1,2...
Форма инициатора может быть практически любой, но для упрощения изготовления инициатор может быть выполнен прямолинейным или изогнутым, например, в виде U-образной петли связи, при этом в области пучности, установившейся внутри резонатора стоячей волны параллельно электрическому вектору, расположен участок петли связи, соединяющий параллельные ее части, и его длина равна λ/4.
Инициатор может быть выполнен в виде двух перпендикулярно соединенных прямолинейных отрезков, и длина его отрезка, размещенного внутри резонатора параллельно электрическому вектору, равна λ/4.
Для использования устройства, например в качестве средства для плазменного нанесения покрытий, например на поверхность режущего инструмента, инициатор может быть выполнен в виде трубопровода, и конец его, находящийся резонаторе, выведен из него и подключен к системе подачи газа.
Для формирования струи плазмы конец выполненного в виде трубопровода инициатора, размещенный внутри разрядной камеры, может быть снабжен соплом из тугоплавкого материала и/или надета трубка из диэлектрического материала с высокой температурой плавления и низкими потерями энергии на СВЧ, например из кварца.
Для упрощения конструкции разрядная камера может быть выполнена в виде цилиндра, коаксиального с частью инициатора, расположенной в ней.
Сопоставительный анализ показал, что заявляемое решение отличается от прототипа тем, что возбуждают колебания на частоте, соответствующей резонансной частоте системы, образованной источником СВЧ-излучения и резонатором, определяют области пучности установившейся стоячей волны и направление колебаний электрического вектора в резонаторе, который соединяют с разрядной камерой, устанавливают между ними сильную связь, в разрядной камере исследуют распределение электромагнитного поля, фиксируя области пучности, размещают инициатор в области пучности резонатора и разрядной камеры, при этом ориентируют его относительно направления колебаний электрического вектора в резонаторе.
А в устройстве в качестве источника СВЧ-излучения используется СВЧ-магнетрон, и инициатор расположен одновременно в полостях резонатора и разрядной камеры, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "новизна".
Сущность изобретения заключается в следующем.
Как известно, для инициации разряда требуется значительно большая напряженность электрического поля, иногда на несколько порядков, чем для поддержания горения разряда, и поэтому обычно для генерации плазмы используются довольно мощные источники СВЧ-излучения.
Если же использовать маломощный источник СВЧ-излучения, например СВЧ-магнетрон, то на этапе, предшествующем инициации разряда, нужно поднять напряженность до необходимого уровня. Для этого установку нужно дополнить накопителем энергии в диапазоне СВЧ, в качестве которого может быть использован объемный резонатор.
Однако в этом случае возникает проблема настройки резонатора и источника СВЧ-излучения на одну и ту же резонансную частоту.
Известны методы настройки и стабилизации частоты магнетрона полым резонатором, при этом в резонансной системе магнетрона появляются дополнительные резонансные состоянии при любом характере связи анодного блока магнетрона с резонатором [Самсонов Д.B. Основы расчета и конструирования магнетронов.- М.: Советское радио, 1974, с. 167-194].
При этом в соответствии с принципом "минимального рассеяния" колебания системы "магнетрон - резонатор" возбуждаются на той частоте, на которой достигается наибольшее отношение запасенной энергии к общей энергии потерь за период, то есть на частоте, на которой добротность системы максимальна. Так как добротность собственной резонансной системы магнетрона много меньше добротности объемного резонатора, колебания будут возбуждаться на резонансной частоте системы, образованной магнетроном и резонатором. При этом, конечно, должна быть обеспечена "близость" этой частоты к собственной рабочей частоте магнетрона. Степень этой близости зависит от конкретного типа использованного магнетрона и степени связи его с резонатором.
Это означает, что если магнетрон сильно связан с объемным резонатором, и их собственные резонансные частоты с точностью порядка нескольких (не более 10%) совпадают, колебания будут возбуждаться на резонансной частоте системы без использования каких-либо механических элементов настройки частоты.
Для понижения порога генерации плазмы и снижения уровня мощности в области плазмообразования размещают инициатор, который используют также для обеспечения сильной связи в системе СВЧ-магнетрон - резонатор и разрядная камера. Для этого его устанавливают одновременно в полостях резонатора и разрядной камеры.
Сильная связь в системе СВЧ-магнетрон-резонатор может быть установлена, например, если излучающий элемент СВЧ-магнетрона будет размещен в резонаторе.
Этот режим работы системы может поддерживаться только в том случае, если будет обеспечена высокая добротность всей системы: магнетрон - объемный резонатор - разрядная камера в целом, для чего необходимо исключить какие-либо потери энергии из системы (например на излучение во внешнее пространство), за исключением неизбежных потерь из-за конечной проводимости стенок резонатора на этапе накопления энергии.
В случае обеспечения всех этих условий внутри объемного резонатора начинается накопление энергии и образуется стоячая волна, имеющая максимум и минимум напряженности электрического поля, пространственное распределение которых зависит от конкретного типа объемного резонатора (цилиндрический, коаксиальный, прямоугольный и т.д.) и типа возбуждаемых колебаний.
При этом напряженность электрического поля в местах расположения максимумов (так называемых "пучностей") значительно превышает напряженность поля, которую развивает магнетрон при излучении в свободном пространстве. Для высокодобротных резонаторов усиление напряженности поля может достигать очень больших величин, порядка 100 и более.
В обычных схемах использования объемных резонаторов для СВЧ-пробоя после достижения пробойной напряженности начинается газовый разряд, который распространяется на весь объем резонатора.
Расположение инициатора в полостях резонатора и разрядной камеры позволяет исключить излучение из разрядной камеры во внешнее пространство на предразрядной стадии и обеспечить сильную связь между резонатором и разрядной камерой, в результате чего внутри разрядной камеры устанавливается своя стоячая волна.
Многочисленные эксперименты показали, что если конец инициатора, расположенный в разрядной камере, попадает в область пучности образовавшейся в ней стоячей волны, то происходит разряд вблизи конца инициатора, то есть там, где неоднородность поля максимальная.
Пространственное расположение пучностей электрического поля внутри разрядной камеры определяется формой и размерами разрядной камеры.
Так как конец инициатора, находящийся внутри резонатора расположен в области высокой напряженности поля, необходимо предпринять специальные меры для недопущения возникновения разряда вблизи этого конца инициатора. Для этого можно, например, диаметр конца инициатора, находящегося внутри резонатора, увеличить как минимум вдвое по сравнению с диаметром конца инициатора, находящегося в разрядной камере.
Увеличение диаметра позволяет понизить градиент поля вблизи поверхности инициатора и увеличить пропорционально напряженность поля, необходимую для пробоя газа внутри резонатора, т.е. повысить электрическую прочность резонатора.
После инициации разряд локализируется вблизи конца инициатора и не распространяется на другие области разрядной камеры или резонатора.
Наличие инициатора и разрядной камеры несколько меняет собственную резонансную частоту системы магнетрон - объемный резонатор, но так как практически отсутствует излучение из системы, добротность системы, образованной магнетроном, резонатором, инициатором и разрядной камерой, остается высокой.
СВЧ-магнетрон "самонастраивается" на частоту, соответствующую резонансной частоте системы магнетрон - резонатор - инициатор - разрядная камера. Так как установлена сильная связь между СВЧ-магнетроном и резонатором, с одной стороны, и резонатором и разрядной камерой, с другой стороны, излучаемая энергия эффективно передается в зону горения плазмы.
После возбуждения разряда образовавшаяся плазма начинает интенсивно поглощать энергию, в результате чего добротность всей системы резко падает, энергетически более выгодными для магнетрона становятся колебания на своей рабочей частоте, магнетрон перестраивается на эту частоту, и дальнейшее излучение энергии происходит на этой частоте.
При этом, если в силу каких-либо причин разряд погаснет, добротность всей системы через очень короткое время восстановится, магнетрон перестроится, произойдет новое накопление энергии и сразу же появится разряд. Промежуток времени для возобновления разряда так мал (~10-6 с), что не влияет на стабильность работы устройства в целом, практически автоматически происходит инициация разряда, что позволяет получить устойчивый самоиницирующийся плазменный разряд, при этом он может быть получен в воздухе при атмосферном давлении и не требует СВЧ-генератора высокого уровня мощности.
Для локализации разряда во внешнем по отношению к резонатору объеме, каковым является заполненная газом разрядная камера, в резонатор в область пучности электрического поля параллельно электрическому вектору размещен инициатор, второй конец которого выведен в разрядную камеру.
Такое расположение инициатора позволяет понизить порог пробоя и добиться инициации разряда вблизи конца инициатора, находящегося в разрядной камере.
Работа устройства для реализации способа поясняется чертежами, где на фиг. 1 - вариант устройства, когда инициатор выполнен в виде прямолинейного проводника; на фиг. 2 - вариант устройства, когда инициатор выполнен в виде U-образной петли связи; на фиг. 3 - вариант устройства, когда инициатор изогнут в виде двух перпендикулярно соединенных прямолинейных отрезков; на фиг. 4 - вариант устройства, когда разрядная камера установлена коаксиально с концом инициатора, находящегося в ней; на фиг. 5 - вариант устройства, когда конец инициатора, находящийся в резонаторе, не соединен с его проводящей поверхностью, а диаметр его как минимум в 2 раза больше диаметра конца инициатора, находящегося в разрядной камере.
Устройство содержит СВЧ-магнетрон 1, излучающий элемент 2 которого размещен в полости объемного резонатора 3, в его полости установлен также инициатор 4, один конец которого 5 находится в разрядной камере 6 и на него надето сопло 7 и трубка 8 из диэлектрического материала с высокой температурой плавления и низкими потерями энергии на СВЧ-излучении, другой конец инициатора 9 выведен из полости резонатора и подсоединен к системе подачи газа, d2 и d1 - диаметры концов инициатора, расположенные соответственно в резонаторе 3 и разрядной камере 6 (фиг. 5).
Варианты осуществления изобретения
Работает устройство следующим образом.
После подачи напряжения питания на магнетрон 1 за очень короткое время (~ 10-8 с) происходит установление частоты, соответствующей резонансной частоте системы магнетрон 1 - резонатор 3 - инициатор 4 - разрядная камера 6.
Далее происходит накопление энергии в течениe ~10-6 с до достижения пробойной напряженности. Вблизи конца 5 инициатора 4, находящегося в разрядной камере 6, зажигается разряд, энергия СВЧ, излучаемая источником излучения 2 магнетрона 1, поглощается образовавшейся плазмой. Сопло 7 и диэлектрическая трубка 8 вместе с системой подачи газа формируют плазменную струю. В случае если разряд погаснет, процесс инициации автоматически повторится.
Так как инициатор выполняет одновременно роль элемента, обеспечивающего сильную связь между резонатором и разрядной камерой, его размеры должны обеспечивать оптимальные условия передачи энергии в зону горения разряда после инициации. Многочисленные эксперименты показали, что наилучшие результаты достигаются, если длина инициатора выбрана из соотношения
L = nλ/2+λ/4 (1),
где
L - общая длина инициатора;
λ - длина волны СВЧ-излучения в свободном пространстве;
n - 1, 2, 3...
При этом инициатор может быть выполнен в виде прямолинейного проводника, ориентированного параллельно электрическому вектору.
Так как расположение пучностей электрического поля внутри разрядной камеры зависит от формы и размеров разрядной камеры и в общем случае не совпадает с месторасположением конца инициатора, для разрядной камеры произвольной формы необходима подгонка длины инициатора, что для прямолинейного инициатора может вступить в противоречие с требованием оптимальной длины L.
Наилучшим вариантом является тот, в котором инициатор выполнен в виде U-образной петли связи или изогнут в виде двух перпендикулярно соединенных прямолинейных отрезков, при этом длина его отрезка, расположенного внутри резонатора параллельно электрическому вектору, равна λ/4.
Оптимальные условия передачи энергии достигаются, если длина участка инициатора, находящегося в пучности электрического поля резонатора параллельно электрическому вектору, составит λ/4.
При использовании устройства для ионизации, нагрева и вывода во внешнюю среду потока плазмы в виде плазменной струи металлический инициатор может быть выполнен в виде трубопровода, при этом его конец, электрически соединенный с поверхностью резонатора, выведен через стенку резонатора и подключен к системе подачи газа.
Для того чтобы задать скорость и форму струи плазмы на конце инициатора, находящемся в разрядной камере, может быть установлено сопло из тугоплавкого металла, которое одновременно предупреждает разрушение конца инициатора образующейся высокотемпературной плазмой.
Для того чтобы сформировать струю плазмы, на него может быть надета трубка из диэлектрического материала с высокой температурой плавления и низкими потерями энергии на СВЧ-излучении, например из кварца. Такая трубка может быть размещена на этом конце и в том варианте, когда на конце инициатора надето сопло.
Проблема тепловых нагрузок на стенки диэлектрической трубки со стороны плазменной струи может быть решена стандартными способами, например, закручиванием плазменной струи вокруг своей оси, внешним обдувом трубки и другими.
Промышленная применимость.
В обычно используемых цилиндрических резонаторах, возбуждаемых на моде колебаний ТМ 010, напряженность электрического поля в центре резонатора согласно [Мак-Доналд А. СВЧ пробой в газах.- M.: Мир, 1969, с. 167] составляет
Figure 00000002

где P0 - мощность излучения СВЧ-магнетрона;
Q - добротность резонатора;
Figure 00000003
- угловая частота СВЧ-излучения, а
η = 0,27•εo•V (3),
где εo = 8,85 • 10-12 ф/м - диэлектрическая проницаемость в вакууме;
V - объем резонатора, который обычно выбирается как V ~ λ3,
где λ - длина волны СВЧ-излучения в свободном пространстве.
Используя формулу (2) для расчета, можно подобрать объемный резонатор с относительно невысокой добротностью (Q) и при этом достичь довольно высокой напряженности в центре резонатора.
Например, при P0 = 1 кВт,
Figure 00000004
= 2,45 Г Гц, V = 1 л, Q = 103, напряженность электрического поля Е0 ~ 160 кВ/см. Для примера пробойная напряженность для воздуха при атмосферном давлении составляет около 30 кВ/см.
Пример конкретного использования.
Использовался магнетрон с блоком питания от бытовых СВЧ-печей, имеющий мощность P = 800 Вт и частоту f =
Figure 00000005
=2,45 ГГц, это позволило при λ = 12 см использовать резонатор, изготовленный, например, из меди, объемом V = 0,7 л.
Разрядная камера была выполнена в виде цилиндра, коаксиального с расположенным в нем концом инициатора с молибденовым соплом и диэлектрической трубкой из кварца. В качестве рабочего газа использовался воздух при атмосферном давлении.
Температура образовавшейся в такой конфигурации плазменной струи достигала 4500oC. При этом в течение 2 ч работы устройства эрозии инициатора не наблюдалось.
Устройство отличается высокой стабильностью в работе, инициация разряда в случае гашения плазмы происходит автоматически при небольшой потребляемой мощности. Такое устройство может работать от обычной бытовой электросети.
Кроме того, устройство отличается компактностью и простотой конструкции, в нем отсутствуют какие-либо механически перемещаемые детали.
Все это позволяет реализовать способ, используя устройство во многих отраслях, например для сварки, резки любых металлов, даже таких, как вольфрам, для нанесения покрытий из тугоплавких материалов, а компактность и малогабаритность устройства позволяют применять его в таких отраслях, как медицина, стоматология, ювелирное дело.

Claims (14)

1. Способ генерации плазмы, заключающийся в инициировании разряда в газовой среде с помощью электромагнитной волны СВЧ-диапазона, отличающийся тем, что используют маломощный источник СВЧ-излучения, напряженность электромагнитного поля которого повышают, для чего используют объемный резонатор, устанавливают сильную связь между источником СВЧ-излучения и резонатором, возбуждают колебания на частоте, соответствующей резонансной частоте системы, образованной источником СВЧ-излучения и резонатором, определяют области пучности установившейся стоячей волны и направление колебаний электрического вектора в резонаторе, который соединяют с разрядной камерой, устанавливают между ними сильную связь, в разрядной камере исследуют распределение электромагнитного поля, фиксируя области пучности, размещают инициатор в области пучности резонатора и разрядной камеры, при этом ориентируют его относительно направления колебаний электрического вектора в резонаторе, после чего возбуждают колебания на частоте, соответствующей резонансной частоте системы; источник СВЧ-излучения - резонатор - инициатор - разрядная камера, увеличивая напряженность электромагнитного поля до величины, превышающей пробойную напряженность для газа, заполняющего разрядную камеру, инициируя тем самым разряд, и воздействием СВЧ-излучения генерируют плазму.
2. Устройство для осуществления способа генерации плазмы по п.1, содержащее источник СВЧ-излучения, заполненную газом разрядную камеру, размещенный в ней инициатор, выполненный из токопроводящего материала, отличающееся тем, что устройство дополнено объемным резонатором, а инициатор установлен одновременно в полостях разрядной камеры и резонатора, при этом конец инициатора, расположенный в разрядной камере, размещен в области пучности, установившейся внутри разрядной камеры стоячей волны, а другой помещен внутри резонатора в область пучности установившейся в нем стоячей волны, а в качестве источника СВЧ-излучения использован СВЧ-магнетрон, рабочая частота которого соответствует резонансной частоте объемного резонатора, при этом излучающий элемент СВЧ-магнетрона расположен внутри объемного резонатора.
3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что конец инициатора, находящийся в резонаторе, электрически соединен с проводящей поверхностью резонатора.
4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что конец инициатора, находящийся в резонаторе, не соединен с его проводящей поверхностью, а диаметр его, как минимум, в 2 раза больше диаметра конца инициатора, находящегося в разрядной камере.
5. Устройство по любому из пп.2 - 4, отличающееся тем, что длина инициатора выбрана из соотношения
L = nλ/2+λ/4,
где L - общая длина инициатора;
λ - длина волны СВЧ-излучения в свободном пространстве;
n = 0, 1, 2....
6. Устройство по любому из пп.2 - 5, отличающееся тем, что инициатор выполнен прямолинейным.
7. Устройство по любому из пп.2 - 5, отличающееся тем, что инициатор выполнен изогнутым.
8. Устройство по любому из пп.2 - 5 и 7, отличающееся тем, что инициатор выполнен в виде U-образной петли связи, при этом в области пучности установившейся внутри резонатора стоячей волны параллельно электрическому вектору расположен участок петли связи, соединяющий параллельные ее части, и его длина равна λ/4.
9. Устройство по любому из пп.2 - 5 и 7, отличающееся тем, что инициатор изогнут в виде двух перпендикулярно соединенных прямолинейных отрезков, при этом длина его отрезка, расположенного внутри резонатора параллельно электрическому вектору, равна λ/4.
10. Устройство по любому из пп.2 - 9, отличающееся тем, что инициатор выполнен в виде трубопровода и конец его, находящийся в резонаторе, выведен из него и подключен к системе подачи газа.
11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что конец инициатора, размещенный внутри разрядной камеры, снабжен соплом из тугоплавкого материала.
12. Устройство по п.10 или 11, отличающееся тем, что на конец инициатора, размещенный внутри разрядной камеры, надета трубка из диэлектрического материала с высокой температурой плавления и низкими потерями энергии на СВЧ.
13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что трубка, надетая на размещенный внутри разрядной камеры конец инициатора, выполнена из кварца.
14. Устройство по любому из пп.2 - 12, отличающееся тем, что разрядная камера выполнена в виде цилиндра, коаксиального с частью инициатора, расположенной в ней.
Приоритет по пунктам:
25.05.99 по пп.1, 2, 4, 7;
07.04.99 по пп.3, 5, 6, 8 - 14.
RU99110864A 1999-04-07 1999-05-25 Способ генерации плазмы и устройство для его осуществления RU2171554C2 (ru)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU99110864A RU2171554C2 (ru) 1999-04-07 1999-05-25 Способ генерации плазмы и устройство для его осуществления
AU13013/00A AU1301300A (en) 1999-04-07 1999-11-11 The method and the apparatus for plasma generation
PCT/RU1999/000428 WO2000060910A1 (en) 1999-04-07 1999-11-11 The method and the apparatus for plasma generation

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU99106909 1999-04-07
RU99106909 1999-04-07
RU99110864A RU2171554C2 (ru) 1999-04-07 1999-05-25 Способ генерации плазмы и устройство для его осуществления

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2171554C2 true RU2171554C2 (ru) 2001-07-27

Family

ID=26654009

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU99110864A RU2171554C2 (ru) 1999-04-07 1999-05-25 Способ генерации плазмы и устройство для его осуществления

Country Status (3)

Country Link
AU (1) AU1301300A (ru)
RU (1) RU2171554C2 (ru)
WO (1) WO2000060910A1 (ru)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004029325A1 (en) * 2002-09-30 2004-04-08 Institute Of Applied Physics Ras High velocity method for deposing diamond films from a gaseous phase in shf discharge plasma and a plasma reactor for carrying out said method
WO2009128741A1 (ru) * 2008-04-14 2009-10-22 Закрытое Акционерное Общество "Kotэc-Cибиpь" Свч-плазмотрон
RU2564426C2 (ru) * 2010-12-29 2015-09-27 Шлюмбергер Текнолоджи Б.В. Способ (варианты) и система для заканчивания скважины с использованием плазменных зарядов
CN109761304A (zh) * 2019-03-05 2019-05-17 成都科衡环保技术有限公司 用于水处理的微波等离子体发生模块、反应器及其应用

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR19990068381A (ko) * 1999-05-11 1999-09-06 허방욱 마이크로웨이브플라즈마버너
AUPQ861500A0 (en) * 2000-07-06 2000-08-03 Varian Australia Pty Ltd Plasma source for spectrometry
AU6884501A (en) * 2000-07-06 2002-01-21 Varian Australia Plasma source for spectrometry
FR2832022B1 (fr) * 2001-11-06 2003-12-19 Christian Lincot Procede et dispositif d'application in situ d'un champ electrique intense a puissance variable pour des traitements localises
WO2007086875A1 (en) * 2006-01-30 2007-08-02 Amarante Technologies, Inc. Work processing system and plasma generating apparatus
JP6323849B2 (ja) 2012-08-28 2018-05-16 アジレント・テクノロジーズ・インクＡｇｉｌｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ， Ｉｎｃ． 電磁導波路およびプラズマ源を含む機器、プラズマ生成方法
CN116419464A (zh) * 2023-06-09 2023-07-11 安徽农业大学 一种等离子体炬装置

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3712971A1 (de) * 1987-04-16 1988-11-03 Plasonic Oberflaechentechnik G Verfahren und vorrichtung zum erzeugen eines plasmas
DE3905303C2 (de) * 1988-02-24 1996-07-04 Hitachi Ltd Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas durch Mikrowellen
JPH0216732A (ja) * 1988-07-05 1990-01-19 Mitsubishi Electric Corp プラズマ反応装置
RU2046559C1 (ru) * 1992-12-30 1995-10-20 Вадим Генадиевич Бровкин Способ генерации плазмы и устройства для его осуществления

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
2046559 А, 20.10.1995. *
МИТИН Б.С. Порошковая металлургия и напыление покрытий. - М.: Металлургия, 1987, с.632 - 635. ЛИТВАК Л.Г. СВЧ-разряд высокого давления в пучках электромагнитных волн: Сборник научных трудов. - Горький, 1988, с.141 - 142. *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004029325A1 (en) * 2002-09-30 2004-04-08 Institute Of Applied Physics Ras High velocity method for deposing diamond films from a gaseous phase in shf discharge plasma and a plasma reactor for carrying out said method
CN100523288C (zh) * 2002-09-30 2009-08-05 范应用物理研究院 在微波放电等离子体中从气相沉积金刚石薄膜的高速方法和实施所述方法的装置
US7694651B2 (en) 2002-09-30 2010-04-13 Institute Of Applied Physics Ras High velocity method for deposing diamond films from a gaseous phase in SHF discharge plasma and device for carrying out said method
US8091506B2 (en) 2002-09-30 2012-01-10 Institute Of Applied Physics Ras High velocity method for depositing diamond films from a gaseous phase in SHF discharge plasma and a plasma reactor for carrying out said method
WO2009128741A1 (ru) * 2008-04-14 2009-10-22 Закрытое Акционерное Общество "Kotэc-Cибиpь" Свч-плазмотрон
RU2564426C2 (ru) * 2010-12-29 2015-09-27 Шлюмбергер Текнолоджи Б.В. Способ (варианты) и система для заканчивания скважины с использованием плазменных зарядов
CN109761304A (zh) * 2019-03-05 2019-05-17 成都科衡环保技术有限公司 用于水处理的微波等离子体发生模块、反应器及其应用

Also Published As

Publication number Publication date
WO2000060910A1 (en) 2000-10-12
AU1301300A (en) 2000-10-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Conrads et al. Plasma generation and plasma sources
CN107801286B (zh) 一种基于介质阻挡放电预电离的微波等离子体激发系统
US5748663A (en) Retangular discharge gas laser
US5468296A (en) Apparatus for igniting low pressure inductively coupled plasma
JP4339588B2 (ja) プラズマを用いた処理用ガスのための装置
US4609808A (en) Plasma generator
US3577207A (en) Microwave plasmatron
EP1305604B1 (en) Plasma source for spectrometry
RU2171554C2 (ru) Способ генерации плазмы и устройство для его осуществления
KR19990029132A (ko) 플라즈마 발생 장치
JPS6335117B2 (ru)
JPH06295797A (ja) プラズマの発生装置及び発生方法
US6734385B1 (en) Microwave plasma burner
Kaeppelin et al. Different operational regimes in a helicon plasma source
Al-Shamma'a et al. Atmospheric microwave plasma jet for material processing
KR100394994B1 (ko) 전자파를 이용한 플라즈마토치
EP0776073B1 (en) Gas laser having a rectangular discharge space
JPH11260593A (ja) プラズマ生成装置
JPH06502959A (ja) ガス・プラズマ発生装置
KR100500360B1 (ko) 고효율 상압 마이크로웨이브 플라즈마시스템
EP2208264A2 (en) Laser having distributed inductances
RU2153781C1 (ru) Микроволновый плазматрон
KR20090011059A (ko) 플라즈마 발생장치
RU2164048C1 (ru) Устройство для свч возбуждения и поддержания генерации газоразрядного лазера при помощи создания плазменной коаксиальной линии
JP2001357999A (ja) プラズマ発生装置