RU2461908C2

RU2461908C2 - Высокочастотный генератор для ионных и электронных источников

Info

Publication number: RU2461908C2
Application number: RU2008131500/07A
Authority: RU
Inventors: Вернер КАДРНОШКА (DE); Вернер КАДРНОШКА; Антон ЛЕБЕДА (DE); Антон ЛЕБЕДА; Райнер КИЛЛИНГЕР (DE); Райнер КИЛЛИНГЕР; Йоханн МЮЛЛЕР (DE); Йоханн МЮЛЛЕР; Штефан ВАЙС (DE); Штефан ВАЙС
Original assignee: Астриум Гмбх
Priority date: 2007-08-02
Filing date: 2008-07-31
Publication date: 2012-09-20
Also published as: EP2020672A2; DE102007036592B4; RU2008131500A; EP2020672A3; US8294370B2; EP2020672B1; US20090058303A1; DE102007036592A1

Abstract

Изобретение относится к устройствам для ввода энергии ионизации в ионный или электронный источник с индуктивным или индуктивно-емкостным возбуждением. Заявленное устройство включает в себя разрядную камеру для ионизируемого газа, намотанную вокруг разрядной камеры катушку связи для подвода высокочастотной энергии, необходимой для возбуждения плазмы, конденсатор связи, электрически связанный с катушкой связи, высокочастотный генератор, электрически связанный с катушкой связи. Высокочастотный генератор вместе по меньшей мере с одним конденсатором связи образует резонансный контур. Кроме того, высокочастотный генератор снабжен регулятором с фазовой автоподстройкой частоты для автоматического согласования полного сопротивления резонансного контура. Техническим результатом является обеспечение возможности работы резонансного контура с резонансной частотой. 25 з.п. ф-лы, 15 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к устройству для ввода энергии ионизации в ионный или электронный источник с индуктивным или индуктивно-емкостным возбуждением.

Уровень техники

В ионном двигателе плазма, возбуждаемая высокочастотным полем, находится внутри изолированной камеры, так называемой разрядной камеры. На разрядную камеру намотана катушка связи для подвода высокочастотной энергии, необходимой для возбуждения плазмы. Таким образом, плазма находится внутри катушки. Если вследствие изменения состояния, например изменения плотности или проводимости плазмы, происходят изменения полного сопротивления, то они вызывают расстройку резонансного контура.

В случае высокочастотных генераторов, работающих с постоянной частотой, например 13,56 МГц, необходимо компенсировать рассогласование, обусловленное изменяющимся вследствие изменения плазмы полным сопротивлением контура ввода, соединяющего высокочастотный генератор с катушкой связи, путем подстройки контура согласования полного сопротивления (так называемой схемы согласования) вручную или с помощью сервопривода. Следствием компенсации является то, что емкость конденсатора контура согласования полного сопротивления настраивается соответствующим образом, например путем изменения площади поверхности пластин, или изменяется индуктивность катушки контура согласования полного сопротивления путем ввода ферритового сердечника. Согласование полного сопротивления посредством контура согласования в большинстве случаев невозможно выполнить достаточно быстро путем подстройки или оно может быть оптимальным только в узком диапазоне частотных нагрузок. "Не быстро" означает, что подстройка осуществляется в пределах секунд. Вследствие этого в контурах согласования полного сопротивления иногда возникают значительные потери мощности.

Раскрытие изобретения

Поэтому задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить лишенное от перечисленных недостатков устройство для ввода энергии ионизации в ионный или электронный источник с индуктивным или индуктивно-емкостным возбуждением для использования в ионном двигателе.

Эта задача решается устройством, охарактеризованным в пункте 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты исполнения устройства описаны в зависимых пунктах формулы.

Предлагаемое в изобретении устройство для ввода энергии ионизации в ионный или электронный источник с индуктивным или индуктивно-емкостным возбуждением включает в себя разрядную камеру для ионизируемого газа, например Xe, Kr, Ar, Ne, He, H₂, O₂, Cs или Hg, намотанную вокруг разрядной камеры катушку связи для подвода высокочастотной энергии, необходимой для возбуждения плазмы, конденсатор связи, электрически связанный с катушкой связи, и высокочастотный генератор, электрически связанный с катушкой связи и вместе по меньшей мере с одним конденсатором связи образующий резонансный контур, причем высокочастотный генератор снабжен регулятором с фазовой подстройкой частоты (ФАПЧ) для автоматического согласования полного сопротивления резонансного контура, что обеспечивает возможность работы резонансного контура с резонансной частотой.

Катушка связи подключается к высокочастотному генератору и образует с конденсатором связи высокочастотного генератора параллельный или последовательный резонансный контур.

Предлагаемое в изобретении устройство исправляет фазовые ошибки по току и напряжению в выходном силовом каскаде высокочастотного генератора путем автоматического отслеживания частоты и фазы резонансной частоты цепи нагрузки. Принцип такого регулирования основан на том, что схема регулирования с ФАПЧ непрерывно сравнивает положение по фазе синусоидального высокочастотного выходного тока и положение по фазе выходного напряжения генератора посредством цифрового фазового детектора и исправляет возникающую фазовую ошибку путем подстройки частоты генератора с помощью генератора, управляемого напряжением (ГУН), на частоту резонансного контура, пока фазовая ошибка не станет равной нулю. Поскольку время реакции регулятора с ФАПЧ очень мало (в зависимости от исполнения <100 мкс), даже при быстрых изменениях резонансных частот не возникают долговременные фазовые ошибки. Благодаря этому согласование высокочастотного генератора с потребителем осуществляется с максимально возможным к.п.д. Очень быстрое отслеживание частоты и выравнивание фаз посредством цифрового фазового компаратора позволяют регулятору с ФАПЧ постоянно обеспечивать синфазность тока и напряжения и таким образом посредством катушки связи вводить в плазму максимальную энергию. Это может осуществляться без механического движения или иным образом. Предлагаемое в изобретении устройство отличается простотой, большой гибкостью и возможностью использования в широком диапазоне частот.

Таким образом, предлагаемый в изобретении подход к оптимальному согласованию полного сопротивления и мощности состоит в том, чтобы посредством контура регулирования с ФАПЧ настроить отдаваемую высокочастотным генератором мощность на резонанс и нулевую фазовую ошибку и передать ее в плазму. Передача мощности с нулевой фазовой ошибкой означает, что ток и напряжение в резонансном контуре синфазны и, следовательно, реактивные токи отсутствуют, поэтому потери реактивной мощности возникать не могут, что практически исключает коммутационные потери.

Для осуществления автоматического согласования полного сопротивления резонансного контура в резонансном контуре регистрируют ток и напряжение и вводят их в регулятор с ФАПЧ в качестве регулируемых величин.

Высокочастотный генератор отличается возможностью работы в резонансе и с оптимальным выравниванием фаз. Благодаря регулятору с ФАПЧ как в высокочастотном генераторе, так и в резонансном контуре, а значит и в катушке связи, текут только синусоидальные токи. Синусоидальный ток обеспечивает высокий к.п.д. высокочастотного генератора, который даже при высоких рабочих частотах, т.е. частотах выше 0,5 МГц, составляет от 90 до 95%.

Предлагаемое в изобретении устройство с высокочастотным генератором, регулируемым с ФАПЧ, всегда работает на резонансной частоте контура ввода (энергии) ионного или электронного источника. Согласно изобретению контур ввода образован резонансным контуром, состоящим из катушки связи и конденсатора связи. Это означает, что благодаря регулятору с ФАПЧ высокочастотный генератор точно по фазе следует за всеми изменениями частоты независимо от расстройки частоты и добротности контура в полосе частот. Согласование мощности высокочастотного генератора осуществляется в микросекундном диапазоне и благодаря точному фазовому выравниванию тока и напряжения в схемных элементах высокочастотного генератора и в резонансном контуре обеспечивает переключение практически без потерь и оптимальный ввод мощности в плазму.

Поэтому предлагаемое устройство особенно пригодно для высокочастотного энергоснабжения ионных источников (TWK) и электронных источников (NTR) с индуктивным возбуждением, а также для случаев, когда важно минимизировать потребление энергии.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения регулятор с ФАПЧ выполняет регулирование частоты и/или фазы для согласования полного сопротивления резонансного контура. Регулирование мощности высокочастотного генератора определяется установкой входного постоянного напряжения и входного тока высокочастотного генератора. Следовательно, высокочастотный генератор отличается тем, что из источника постоянного напряжения, управляемого по напряжению и силе тока, он формирует высокочастотное выходное напряжение. Этот источник переменного напряжения вместе с необходимой для индуктивного ввода энергии катушкой связи и дополнительным конденсатором связи образует резонансный контур.

В другом варианте осуществления изобретения высокочастотный генератор предлагаемого в изобретении устройства соединен с катушкой связи без промежуточного включения контура согласования полного сопротивления. Тем не менее, подключение высокочастотного генератора с регулятором с ФАПЧ позволяет вводить электрическую энергию непосредственно в плазму ионного или электронного источника в широком диапазоне мощностей и частот.

Резонансный контур, состоящий из катушки связи и конденсатора связи, может быть по выбору выполнен как последовательный или параллельный резонансный контур. В этом случае согласование полного сопротивления осуществляется за счет того, что катушка связи, а также конструктивные емкости связи включаются между плазмой и разрядной камерой, с одной стороны, и подводящими линиями последовательного или параллельного резонансного контура, с другой стороны, причем автоматическое регулирование по частоте и фазе осуществляется высокочастотным генератором с ФАПЧ-регулированием.

Еще в одном варианте осуществления изобретения катушка связи может иметь ответвление от средней точки, к которому подключен высокочастотный генератор. Это позволяет охлаждать катушку связи путем подачи хладагента без промежуточного включения изоляторов, так как концы катушки связи подключены к опорному потенциалу. В качестве хладагента предпочтительно использовать воду. Опорным потенциалом может быть, например, потенциал массы.

В другом варианте осуществления изобретения катушка связи может быть установлена между двумя или более конденсаторами связи. При этом целесообразно, чтобы образующийся резонансный контур генерировал резонансную частоту, которая находится в пределах так называемой синхронной частоты регулятора с ФАПЧ. Высокочастотный генератор, например посредством генератора, управляемого напряжением (ГУН), и цифрового фазового сравнения тока и напряжения в резонансном контуре подстраивает частоту до тех пор, пока фазовая ошибка не станет равной нулю.

Еще один вариант исполнения предусматривает, что высокочастотный генератор соединен с катушкой связи без промежуточного включения электронных компонентов для промежуточного преобразования. В альтернативном варианте исполнения предусматривается подключение к высокочастотному генератору через трансформатор по меньшей мере одного конденсатора связи и катушки связи. Это может оказаться целесообразным, например, в том случае, если требуется очень большое согласование полного сопротивления. При этом предусмотрено, что первичная обмотка трансформатора может иметь емкостную связь с высокочастотным генератором, а вторичная обмотка может образовывать резонансный контур по меньшей мере с одним конденсатором связи и катушкой связи. Целесообразно предусмотреть устройство для регистрации тока и напряжения в резонансном контуре, соединенное с регулятором с ФАПЧ для передачи ему измеряемого тока и измеряемого напряжения в качестве регулируемых величин.

Другой вариант осуществления изобретения предусматривает, что по меньшей мере один конденсатор связи может быть расположен внутри высокочастотного генератора или за его пределами (как внешний компонент).

Далее может быть предусмотрено одностороннее заземление катушки связи или ее работа с изоляцией от потенциала массы.

Еще в одном варианте исполнения предусматривается, что катушка связи и плазма могут образовывать трансформатор, причем плазма представляет собой вторичную обмотку такого трансформатора.

Высокочастотный генератор включает в себя выходной силовой каскад, который может быть по выбору выполнен в одном из следующих вариантов: полумостовой выходной каскад класса D, полномостовой выходной каскад класса D, двухтактный выходной каскад, выходной каскад класса Е, выходной каскад класса F, выходной каскад класса С. Выбор выходного силового каскада для высокочастотного генератора зависит по существу от требуемого диапазона частот и мощностей. Согласование полного сопротивления резонансного контура ввода во всех случаях осуществляется посредством регулятора с ФАПЧ.

В качестве выходных каскадов для высокочастотного генератора предпочтительно использовать выходные каскады классов D и Е, отличающиеся максимальным углом отсечки тока 180° в схемных элементах выходных каскадов (с биполярными транзисторами или полевыми МОП-транзисторами). Если использовать в сочетании с резонансными контурами выходные каскады класса D без регулятора с ФАПЧ, то уже при малейших фазочастотных рассогласованиях в зависимости от добротности резонансного контура возникают значительные реактивные токи как емкостного, так и индуктивного характера, определяемого направлением фазочастотного рассогласования. Следствием этого являются очень высокие токовые нагрузки выходного каскада и, соответственно, высокие потери в выходных каскадах и контурах связи. Потери возникают в виде потерь реактивного тока. Они ведут к сильному снижению передаваемой потребителю мощности. Использование регулятора с ФАПЧ полностью устраняет упомянутые проблемы, т.е. фазовые ошибки в выходных каскадах, даже в выходных каскадах классов D, Е и F. Регулятор позволяет полностью использовать возможности выходных каскадов этих типов, т.е. с углом отсечки тока 180°.

Высокочастотный генератор регулирует резонансную частоту в диапазоне от 0,5 до 30 МГц. Вводимая в высокочастотный генератор мощность составляет от 1 Вт до 10 кВт. Подключаемое к высокочастотному генератору полное сопротивление нагрузки находится в диапазоне от 0,1 до 1 Ом или от 1 до 50 Ом.

В другом варианте осуществления изобретения разрядная камера предлагаемого устройства содержит впускной газовый канал и расположенный напротив него выпускной канал по меньшей мере с двумя извлекающими решетками, каждая из которых имеет теневую маску, которая служит в качестве электрической линзы для фокусирования извлекаемых ионных лучей. Извлечение ионов осуществляется посредством электрического поля, приложенного к извлекающим решеткам. Разрядная камера выполнена из непроводящего материала с малыми высокочастотными потерями, например из кварца, керамики, материала "Веспел" или нитрида бора. Разрядная камера служит в качестве разрядного объема для ионизируемого газа.

Катушка связи согласно одному из вариантов исполнения имеет однослойную, или многослойную, или бифилярную обмотку. При этом катушка связи расположена вокруг разрядной камеры или внутри него. При этом катушка связи расположена вокруг разрядной камеры или внутри разрядной камеры. Катушка связи имеет цилиндрическую, коническую, сферическую или частично коническую с цилиндрическим переходом намотку на разрядную камеру соответствующей формы.

Краткое описание чертежей

Ниже сущность изобретения поясняется с помощью чертежей, где показаны:

на фиг.1 - схема предлагаемого в изобретении устройства для ввода энергии ионизации в ионный или электронный источник;

на фиг.2 - эквивалентная электрическая схема предлагаемого в изобретении устройства;

на фиг.3 - упрощенная эквивалентная схема предлагаемого в изобретении устройства;

на фиг.4 - принципиальная схема полумостового выходного каскада высокочастотного генератора с последовательным резонансным контуром;

на фиг.5 - принципиальная схема полномостового выходного каскада высокочастотного генератора с последовательным резонансным контуром;

на фиг.6 - схема необходимых компонентов предлагаемого в изобретении устройства;

на фиг.7 - зависимость тока и напряжения от времени на выходе высокочастотного генератора;

на фиг.8 - электрическая схема двух возможных вариантов подключения катушек связи к высокочастотному генератору;

на фиг.9 - пример подключения катушки связи к высокочастотному генератору через дополнительный трансформатор;

на фиг.10 - ширина полосы пропускания и добротность резонансного контура или расстройка частоты, а также фазовая характеристика ионного источника при различных состояниях плазмы;

на фиг.11 - эквивалентная электрическая схема устройства с высокочастотным генератором, имеющим полумостовой выходной каскад класса D с ФАПЧ-регулированием;

на фиг.12 - эквивалентная электрическая схема устройства с высокочастотным генератором, имеющим полномостовой выходной каскад класса D с ФАПЧ-регулированием;

на фиг.13 - эквивалентная электрическая схема устройства с высокочастотным генератором, имеющим выходной каскад класса Е с ФАПЧ-регулированием;

на фиг.14 - эквивалентная электрическая схема устройства с высокочастотным генератором, имеющим полумостовой выходной каскад класса D с ФАПЧ-регулированием и дополнительным трансформатором;

на фиг.15 - схема преобразователя полного сопротивления на выходе высокочастотного генератора.

Осуществление изобретения

На фиг.1 показана схема предлагаемого в изобретении устройства для ввода энергии ионизации в ионный или электронный источник. Газовый баллон 1, в котором под высоким давлением хранится ионизируемый газ, соединен трубопроводом с зоной 2 наполнения и отвода. Зона 2 наполнения и отвода другим трубопроводом соединена с блоком 3 управления потоком. Блок управления имеет два выхода. Первый выход соединен с впускным каналом 6 разрядной камеры 4 для ионизации газа. Второй выход блока 3 управления потоком соединен с нейтрализатором 10. Разрядная камера 4 выполнена из непроводящего материала, имеющего лишь незначительные потери на высоких частотах. Разрядная камера 4 может быть выполнена, например, из кварца, керамики, материала "Веспел" или нитрида бора. Разрядная камера 4 служит в качестве разрядного пространства для ионизируемого газа, например Xe, Kr, Ar, Ne, He, H₂, O₂, Cs или Hg.

На впускном канале 6 разрядной камеры 4 находятся изолятор 14 и ограничитель 15 потока. На цилиндрический участок разрядной камеры 4, соединенный с впускным каналом 6, намотана катушка 5 связи. Катушка 5 связи может иметь однослойную, многослойную или бифилярную обмотку. При этом форма обмотки катушки связи произвольна. Она может быть цилиндрической, конической, сферической или частично конической с цилиндрическим переходом. Разрядная камера 4 с намотанной на нее катушкой 5 связи, а также с нейтрализатором 10 помещена в корпус 21 двигателя.

Катушка 5 связи соединена с высокочастотным генератором 16, который из источника постоянного напряжения, управляемого по напряжению и силе тока, генерирует высокочастотное выходное напряжение. Вместе с предусмотренным в высокочастотном генераторе 16 конденсатором связи (на чертеже не показан) катушка 5 связи образует резонансный контур. Высокочастотный генератор, который может обеспечивать индуктивный или комбинированный индуктивный и емкостный ввод энергии поля, предназначен для использования в диапазоне частот от 0,5 до 30 МГц. При этом к.п.д. высокочастотного генератора может достигать 90-95%.

На выпускном канале 7 разрядной камеры 4 расположены по меньшей мере две, предпочтительно две или три, извлекающих решетки 8, имеющих по меньшей мере по одной теневой маске. Извлекающие решетки 8 служат в качестве электрической линзы для фокусирования извлекаемых ионных лучей. Извлечение осуществляется посредством электрического поля, приложенного к извлекающим решеткам 8. С этой целью извлекающие решетки 8 соединены с ускорителем 18 и плазмодержателем 17, имеющими различные потенциалы. В то время как плазмодержатель 17 выполняет функцию анода и генерирует напряжение +1200 В, ускоритель 18 выдает напряжение -250 В. Помимо этого к извлекающим решеткам подключен замедлитель 19. Цифрой 9 обозначено направление выхода положительно заряженного ионного луча e⁺ из извлекающей решетки 8. Положительно заряженный ионный луч на выходе разрядной камеры 4 компенсируется отрицательно заряженными электронами во избежание накопления электрического заряда устройством. Цифрой 13 обозначено направление выхода электронов е^-, причем они испускаются нейтрализатором 10.

Нейтрализатор 10 включает в себя подогреватель 11 катода, а также блок 12 нейтрализации. Один электрод подогревателя 11 катода соединен с электродом блока 12 нейтрализации. Другой электрод подогревателя 11 катода и блока 12 нейтрализации соединен с нейтрализатором 10. Между электродами подогревателя 11 катода существует разность потенциалов 9 В, в то время как разность потенциалов между электродами блока 12 нейтрализации равна 15 В.

Простая эквивалентная электрическая схема предлагаемого в изобретении устройства представлена на фиг.2. Наряду с устройством схема содержит заключенную в разрядную камеру плазму. Катушка 5 связи и плазма в упрощенном смысле работают как трансформатор (обозначен позицией 36), причем плазма соответствует вторичной обмотке 37 трансформатора 36. Первичной обмоткой служит катушка 5 связи. Сопротивления 35 и 38 представляют собой активные сопротивления линии. Цифрой 22 обозначен конденсатор связи, который с катушкой 5 связи образует резонансный контур. В резонансном контуре содержатся паразитные элементы (сопротивление 35 и конденсатор 46). Паразитный конденсатор 46 представляет, например, емкости (коаксиального) кабеля и выходных транзисторов. При малой длине кабелей и частотах ниже 3 МГц емкостью паразитного конденсатора 46 можно пренебречь. Высокочастотный генератор 16 соединен с источником напряжения питания, получая от него входное напряжение Uin и входной ток Jin. На выходной стороне высокочастотный генератор 16 подключен к конденсатору 22 связи. Высокочастотный генератор имеет на чертежах также обозначение RFG (генератор радиочастот).

На фиг.3 показана упрощенная эквивалентная схема предлагаемого в изобретении устройства. Высокочастотный генератор 16 соединен с источником напряжения питания, получая от него входное напряжение Uin и входной ток Jin. На выходной стороне высокочастотный генератор 16 конденсатором 22 связи последовательно соединен с катушкой 5 связи. Сопротивление 35 - это активное сопротивление линии. В простом виде это означает, что катушка 5 связи, которая обычно наматывается на разрядную камеру, образует с конденсатором связи последовательный или параллельный резонансный контур.

На фиг.6 схематически показаны компоненты, необходимые для предлагаемого в изобретении устройства. Устройство отличается тем, что высокочастотный генератор 16 из управляемого по напряжению и силе тока источника постоянного напряжения (источника питания 33) генерирует высокочастотное выходное напряжение. Высокочастотный генератор 16 с использованием катушки 5 связи, необходимой для индуктивного ввода энергии, и дополнительного резонансного конденсатора, так называемого конденсатора 22 связи, образует резонансный контур. Для оптимального согласования полного сопротивления и мощностей мощность, генерируемая высокочастотным генератором 16, передается после настройки на резонанс и нулевую фазовую ошибка посредством управляемого по частоте и по фазе контура регулирования. Это подтверждается, например, временными характеристиками тока и напряжения на выходе высокочастотного генератора, показанными на фиг.7. Верхняя (прямоугольная) кривая отражает напряжение U, средняя (синусоидальная) кривая - ток I, а нижняя - управление выходным каскадом. На верхней диаграмме дополнительно представлен ток, чтобы показать синфазность. Нулевая фазовая ошибка означает, что ток и напряжение в резонансном контуре синфазны и, следовательно, реактивные токи отсутствуют. При этом не могут возникать потери реактивной мощности, что практически исключает коммутационные потери. При работе в резонансе и при оптимальном выравнивании фаз, обеспечиваемом регулятором с ФАПЧ, как в схемных элементах высокочастотного генератора 16, так и в резонансном контуре и, следовательно, в катушке 5 связи текут только синусоидальные токи. Синусоидальный ток позволяет переключать схемные (коммутационные) элементы при прохождении тока через нуль. Этим достигается высокий к.п.д. в пределах от 90 до 95%.

Как уже пояснялось, контур регулирования образуется катушкой 5 связи и конденсатором 22 связи, который в примере исполнения, показанном на фиг.6, расположен внутри высокочастотного генератора 16. В альтернативном, не представленном здесь, варианте исполнения конденсатор 22 связи мог бы представлять собой также внешний компонент. Помимо этого в резонансный контур включены два сопротивления 35 и 40, являющиеся активными сопротивлениями линии. Конденсатор 22 соединен кабелем с силовым (выходным) каскадом 24, причем проходящий по этому кабелю ток регистрируется измерителем тока 23. Выходной каскад 24 выполнен, например, как выходной каскад класса D и управляется схемой 25 возбуждения, включающей в себя мультивибратор 47 с двумя устойчивыми состояниями и возбуждающие каскады 48, 49. Возбуждающие каскады 48, 49 через трансформаторы запускают выходные каскады 52, 53 выходного каскада 24. Схема 25 возбуждения в свою очередь соединена с регулятором 34 с ФАПЧ. Он включает в себя генератор, управляемый напряжением (ГУН), связанный с ним фильтр 27 и связанный с фильтром 27 цифровой фазовый компаратор 28. Регулятор 34 с ФАПЧ через входной фильтр 31 соединен с внешним источником питания 33. Через входной фильтр 32 с источником питания соединен также выходной каскад 24. Регулятор 34 с ФАПЧ, точнее цифровой фазовый компаратор 28, получает в качестве входного сигнала ток, регистрируемый измерителем тока 23 и усиленный усилителем 29 сигнала. Далее напряжение, приложенное к выходу выходного каскада 24, через другой усилитель 30 сигнала подается на вход цифрового фазового компаратора 28. Согласование мощностей может осуществляться в микросекундном диапазоне путем точного выравнивания фаз тока и напряжения в схемных элементах схемы 25 возбуждения и в резонансном контуре и обеспечивает переключение выходного каскада 24 практически без потерь и, следовательно, оптимальный подвод мощности в плазму, вводимую в разрядную камеру 4.

Поэтому такой высокочастотный генератор с регулятором с ФАПЧ особенно пригоден для высокочастотного энергоснабжения ионных источников (TWK) и электронных источников (NTR) с индуктивным возбуждением, а также для случаев, когда важно минимизировать потребление энергии.

Согласно изобретению в качестве выходного каскада в высокочастотном генераторе 16 можно использовать полумосты в сочетании с ФАПЧ-регулированием частоты и фазы и подключением резонансного контура. В примере исполнения, показанном на фиг.4, последовательный резонансный контур может работать в диапазоне частот от 600 кГц до 14 МГц и в диапазоне мощностей от 1 Вт до 3 кВт. Выполненный в виде полумоста выходной каскад 24 включен между контактом питания и контактом опорного потенциала и включает в себя, как известно, два последовательно соединенных своими нагрузочными линиями схемных элемента 44, в данном примере исполнения в виде полевых МОП-транзисторов. Они управляются схемой 25 возбуждения. Конденсатор 22 связи соединен с узловой точкой 38, которая подключена к каждому из главных контактов схемных элементов 44. Сопротивление 45 резонансного контура, представляющее собой активное сопротивление катушки, подключено к опорному потенциалу, например массе. Схемные элементы 44 управляются схемой 25 возбуждения, соединенной с источником питания переменным током и напряжением.

На фиг.5 показана принципиальная схема полномостового выходного каскада 24 высокочастотного генератора. Полномостовой выходной каскад предназначен для работы в диапазоне частот от 600 кГц до 5 МГц и в диапазоне мощностей от 2 кВт до 10 кВт. Как известно, выходной каскад 24 включает в себя два параллельно включенных полумоста между контактом питания и контактом опорного потенциала и два последовательно соединенных своими нагрузочными линиями схемных элемента 44 в виде полевых МОП-транзисторов. Резонансный контур, состоящий из катушки 5 связи, конденсатора 22 связи и активного сопротивления линии 35, соединен с узловой точкой 39 первого полумоста и с узловой точкой 41 второго полумоста выходного каскада 24. Далее параллельно источнику питания 33 включен сглаживающий конденсатор 54.

Для упрощения на фиг.4 и 5 не показаны ни схема возбуждения для управления схемными элементами 44, ни регулятор с ФАПЧ для согласования частоты и фазы.

На фиг.8 показана электрическая схема возможного подключения катушек связи к высокочастотному генератору. Подключение высокочастотного генератора 16 к ионному или электронному источнику может осуществляться посредством простых последовательных резонансных контуров в сочетании с регулированием фазы с ФАПЧ. Возможно также подключение посредством последовательно-параллельного резонансного контура, причем катушка 5 связи имеет ответвление от средней точки (левая часть фиг.8). Каждый из двух свободных концов катушки может быть подключен к опорному потенциалу, в данном примере исполнения - на массу. Параллельно катушке включен конденсатор 55. Для простоты здесь не показан регулятор частоты/фазы с ФАПЧ. Помимо этого резонансный контур включает в себя конденсатор 22 связи и активное сопротивление линии 35. Подаваемое на контур регулирования с ФАПЧ напряжение снимается сопротивлением 35, причем эти точки имеют обозначение v. Подводимый к этому контуру регулирования ток в качестве регулируемой величины снимается в точке с обозначением I. В правой части фиг.8 выбрана схема, при которой катушка 5 связи расположена между двумя конденсаторами 22а и 22b связи. Оба конца катушки 5 связи имеют емкостное подключение. Не показано активное сопротивление линии. Кроме того, не представлены предусмотренные согласно идее изобретения регулятор с ФАПЧ и высокочастотный генератор. Описанный способ подключения значительно повышает к.п.д. высокочастотного генератора и ионного или электронного источника. В обоих узлах не возникают реактивные токи, вследствие чего снижается мощность потерь. Оптимальный выбор числа витков катушки позволяет оптимизировать как ввод энергии в плазму, так и рабочие параметры (рабочее напряжение и ток) высокочастотного генератора.

На фиг.9 в качестве примера показана схема подключения катушки связи к высокочастотному генератору 16 через дополнительный трансформатор 42. Дополнительный трансформатор 42 обеспечивает дополнительное индуктивное согласование полного сопротивления, в частности в диапазоне частот от 600 кГц до 5 МГц и в диапазоне мощностей от 1 Вт до 1 кВт. Дополнительный трансформатор 42 в данном примере исполнения имеет ответвление от средней точки. Включенный после высокочастотного генератора 16 конденсатор 54 служит для развязки постоянного напряжения дополнительного трансформатора 42.

На фиг.10 представлены ширина полосы частот и добротность резонансного контура или расстройка частоты, а также фазовая характеристика ионного источника при различных состояниях плазмы. Различные кривые добротности резонансного контура обусловлены различными полными сопротивлениями плазмы из-за разной степени ее ионизации. Так, самая крутая кривая на нижней диаграмме соответствует наибольшей добротности и наименьшей ширине полосы. Диаграммы показывают, что предлагаемый в изобретении контур регулирования реагирует на добротности различного вида и обеспечивает стабильный режим. Кривые на верхней диаграмме показывают, что изменение полного сопротивления плазмы дает потоки ионов с различным положением по фазе, которые компенсируются контуром регулирования по фазе.

На фиг.11 показана еще одна принципиальная схема, отражающая использование регулятора с ФАПЧ для управления высокочастотным генератором. Выходной каскад 24 в этом примере выполнен как полумост класса D, причем резонансный контур соединен с узловой точкой 39. Между узловой точкой 39 и сопротивлением 35 предусмотрен измеритель тока. Сопротивление 35 представляет собой активное сопротивление линии. Включенное последовательно с ним сопротивление 45 представляет собой активное сопротивление катушки. Между узловой точкой 39 и опорным потенциалом снимается напряжение. Это напряжение и ток, регистрируемый измерителем тока 23, подаются на входы фазового компаратора 28. Приложенное к фазовому детектору 28 выходное напряжение фильтруется и подается на вход управляемого по напряжению задающего генератора 26. Это управляющее напряжение изменяется фазовым компаратором, выполняющим функцию усилителя ошибки, до тех пор, пока на его входах не установится равенство частот и фаз. Мультивибратор 47 с двумя устойчивыми состояниями управляет возбуждающими каскадами 48, 49, которые через трансформаторы 50, 51 запускают выходные каскады 52, 53 или управляют ими.

На фиг.12 показано устройство с высокочастотным генератором, имеющим полномостовой выходной каскад класса D с регулятором с ФАПЧ. Резонансный контур выполнен как последовательный контур. Прочие компоненты и их соединения соответствуют описанию к фиг.11.

На фиг.13 показано устройство с высокочастотным генератором, имеющим выходной каскад класса Е с регулятором с ФАПЧ. Резонансный контур выполнен как последовательный контур и включает в себя конденсатор 22 связи, катушку 5 связи, а также активное сопротивление линии 35 и активное сопротивление катушки 45. Выходной каскад класса Е для высокочастотного генератора с регулятором с ФАПЧ и подключенным резонансным контуром, в частности последовательно-параллельным резонансным контуром, содержащим катушку связи, предпочтительно используется в диапазоне частот от 600 кГц до 30 МГц и в диапазоне мощностей от 1 Вт до 500 Вт. Катушка 56 является составной частью усилителя и в несколько раз больше по размеру, чем катушка 5. Она служит в качестве аккумулятора энергии, если выходной каскад 52 заперт. Прочие компоненты и их соединения соответствуют описанию к фиг.11.

На фиг.14 показана эквивалентная электрическая схема устройства с высокочастотным генератором, имеющим полумостовой выходной каскад класса D с регулятором с ФАПЧ и дополнительным трансформатором. Трансформатор 57 и конденсатор 58 подключены к выходу выходных каскадов 52, 53. При этом конденсатор 58 известным образом соединен с ответвлением средней точки трансформатора 57. Прочие компоненты и их соединения соответствуют описанию к фиг.11.

Наконец, на фиг.15 показан пример исполнения возможного емкостного преобразователя полного сопротивления, который можно использовать для всех классов усилителей (классов C, D, E, F). Подобный преобразователь полного сопротивления позволяет изменять полное сопротивление плазмы или входное полное сопротивление Zi резонансного контура и тем самым оптимизировать эффективность, диапазон частот, а также область напряжений (для сдвиговой дискретизации). Сопротивление 38 представляет сопротивление плазмы. Параллельно сопротивлению 38 может быть подключен конденсатор 59. Сопротивление 60 и включенный параллельно ему конденсатор 61 являются элементами высокочастотного генератора. Конденсаторы 22, 61 представляют собой резонансные конденсаторы, катушка 5 - катушку связи.

Преимущество всех описанных вариантов состоит в том, что они позволяют вводить генерируемую высокочастотным генератором энергию в широком диапазоне мощностей и частот без промежуточного преобразователя и контура согласования полного сопротивления непосредственно в плазму ионного или электронного источника. Основными элементами согласования мощности при этом являются катушка связи, обусловленные конструкцией конденсаторы связи между плазмой и корпусом разрядной камеры, их кабельное соединение в последовательный или параллельный резонансный контур, а также автоматический частоты и фазы высокочастотного генератора.

Claims

1. Устройство для ввода энергии ионизации в ионный или электронный источник с индуктивным или индуктивно-емкостным возбуждением, включающее в себя:
- разрядную камеру (4) для ионизируемого газа;
- намотанную вокруг разрядной камеры (4) катушку (5) связи для подвода высокочастотной энергии, необходимой для возбуждения плазмы;
- конденсатор (22) связи, электрически связанный с катушкой (5) связи;
- высокочастотный генератор (16), электрически связанный с катушкой (5) связи и вместе по меньшей мере с одним конденсатором (22) связи образующий резонансный контур, причем высокочастотный генератор (16) снабжен регулятором (34) с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ) для автоматического согласования полного сопротивления резонансного контура, что обеспечивает возможность работы резонансного контура с резонансной частотой.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что регулятор (34) с ФАПЧ выполняет регулирование частоты и/или фазы для согласования полного сопротивления резонансного контура.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что регулирование мощности высокочастотного генератора (16) осуществляется путем установки входного постоянного напряжения (Uin) и входного тока (Jin) высокочастотного генератора (16).

4. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что высокочастотный генератор (16) соединен с катушкой связи с промежуточным включением или без промежуточного включения контура согласования полного сопротивления.

5. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что резонансный контур выполнен как последовательный или параллельный резонансный контур.

6. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что катушка (5) связи имеет ответвление (41) от средней точки, к которому подключен высокочастотный генератор (16).

7. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что катушка (5) связи расположена между двумя или несколькими конденсаторами (22а, 22b) связи.

8. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что высокочастотный генератор (16) соединен с катушкой (5) связи без промежуточного включения электронных компонентов для промежуточного преобразования.

9. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что по меньшей мере один конденсатор (22) связи и катушка связи подключены к высокочастотному генератору через трансформатор (42).

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что первичная обмотка трансформатора (42) имеет емкостную связь с высокочастотным генератором, а вторичная обмотка образует резонансный контур по меньшей мере с одним конденсатором (22) связи и катушкой (5) связи.

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что оно содержит устройство для регистрации тока и напряжения в резонансном контуре, соединенное с регулятором (34) с ФАПЧ для передачи ему измеряемого тока и измеряемого напряжения в качестве регулируемых величин.

12. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что по меньшей мере один конденсатор (22) связи расположен в высокочастотном генераторе (16) или за его пределами.

13. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что катушка (5) связи имеет одностороннее заземление.

14. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что катушка (5) связи имеет изолированное подключение к опорному потенциалу через резонансный контур.

15. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что катушка (5) связи и плазма образуют трансформатор, причем плазма представляет собой вторичную обмотку трансформатора.

16. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что высокочастотный генератор (16) включает в себя выходной силовой каскад (24).

17. Устройство по п.16, отличающееся тем, что выходной силовой каскад (24) выполнен в одном из следующих вариантов:
- полумостовой выходной каскад класса D;
- полномостовой выходной каскад класса D;
- двухтактный выходной каскад;
- выходной каскад класса Е;
- выходной каскад класса F;
- выходной каскад класса С.

18. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что высокочастотный генератор (16) обеспечивает регулирование резонансной частоты в диапазоне от 0,5 до 30 МГц.

19. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что вводимая в высокочастотный генератор (16) мощность находится в диапазоне от 1 Вт до 10 кВт.

20. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что связанное с высокочастотном генератором (16) полное сопротивление нагрузки находится в диапазоне от 0,1 до 1 Ом или в диапазоне от 1 до 50 Ом.

21. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что разрядная камера (4) содержит впускной газовый канал (6) и расположенный напротив него выпускной канал (7) по меньшей мере с двумя извлекающими решетками (8), каждая из которых имеет теневую маску, которая служит в качестве электрической линзы для фокусирования извлекаемых ионных лучей.

22. Устройство по п.21, отличающееся тем, что к извлекающей решетке (8) прикладывается электрическое поле.

23. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что разрядная камера (4) выполнена из непроводящего материала с низкими высокочастотными потерями.

24. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что катушка (5) связи имеет однослойную, или многослойную, или бифилярную обмотку.

25. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что катушка (5) связи расположена вокруг разрядной камеры (4) или внутри разрядной камеры.

26. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что катушка (5) связи имеет цилиндрическую, коническую, сферическую или частично коническую с цилиндрическим переходом намотку на разрядную камеру соответствующей формы.