WO2020009611A1 - Устройство ввода энергии в газоразрядную плазму - Google Patents
Устройство ввода энергии в газоразрядную плазму Download PDFInfo
- Publication number
- WO2020009611A1 WO2020009611A1 PCT/RU2019/000437 RU2019000437W WO2020009611A1 WO 2020009611 A1 WO2020009611 A1 WO 2020009611A1 RU 2019000437 W RU2019000437 W RU 2019000437W WO 2020009611 A1 WO2020009611 A1 WO 2020009611A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- circuit
- plasma
- inductor
- amplifier
- frequency
- Prior art date
Links
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
- H01J37/32082—Radio frequency generated discharge
- H01J37/321—Radio frequency generated discharge the radio frequency energy being inductively coupled to the plasma
Definitions
- the invention relates to devices for high-frequency excitation and maintenance of a discharge of a gas discharge plasma in ion sources, ion engines of spacecraft with the conversion of the energy of a constant voltage source into radio frequency electromagnetic energy of an inductor field interacting with a plasma volume through mutual inductance.
- the well-known "Control system for an electric rocket engine” (Patent for the invention of the Russian Federation JM ° 2564154 IPC F03H 1/00 (2006.01), publ. 09/27/2015 Bull. JTs 27).
- the system contains a microcontroller, a power amplifier, a power source of the power amplifier.
- the microcontroller is made with an analog-to-digital converter of input control signals, a digital-to-analog converter of output signals and a clock signal generator with a tunable frequency.
- the outputs of the power amplifier are connected via a communication line with an energy input device, which is made in the form of an inductor.
- the device is installed on the outside of the walls of the gas discharge chamber.
- Current and voltage sensors are included in the communication line with the energy input device.
- the outputs of the sensors are connected to the inputs of the phase detector and to the signal inputs of the microcontroller.
- the output of the phase detector is connected to the signal input of the microcontroller.
- An analog-to-digital phase locked loop including current and voltage sensors, a phase detector, an analog-to-digital converter, internal microprocessor units, a software-closing phase feedback loop between the inductor current and voltage on the inductor circuit, and a signal generator with tunable frequency. It is known that any system with an analog or analog-to-digital PLL for the stability of its operation requires a loop filter with a certain delay in time and corresponding amplitude-frequency and phase-frequency characteristics.
- the specified delay leads to a delayed response of the frequency and phase of the clock generator from the phase mismatch signal between the current and voltage of the respective sensors connected to the inductor circuit.
- a random or functionally caused mismatch in frequency and phase can significantly change the amplitude of the current in the inductor circuit, as a rule, reducing it due to departure from the resonance frequency, leading to undesirable consequences in the form, for example, of plasma quenching.
- the prototype device consists of a discharge chamber for ionizable gas, wound around the discharge chamber of a coupling coil for supplying the high-frequency energy necessary to excite the plasma, a coupling capacitor electrically connected to the coupling coil, and a high-frequency generator electrically connected to the coupling coil and at least together with one coupling capacitor forming a resonant circuit, and the high-frequency generator is equipped with a phase-locked loop (PLL) for automatic matching impedance of the resonant circuit, which makes it possible to operate the resonant circuit with a resonant frequency.
- PLL phase-locked loop
- the coupling coil is connected to the high-frequency generator and forms a parallel or series resonant circuit with the coupling capacitor of the high-frequency generator.
- the device corrects phase errors in current and voltage in the output power stage of the high-frequency generator by automatically tracking the frequency and phase of the resonant frequency of the load circuit.
- the principle of such regulation is based on the fact that the PLL control circuit continuously compares the phase position of the sinusoidal high-frequency output current and the phase position of the generator output voltage using a digital phase detector and corrects the resulting phase error by adjusting the generator frequency using a voltage-controlled generator (VCO) , to the frequency of the resonant circuit, until the phase error becomes zero.
- VCO voltage-controlled generator
- a phase error feedback system in the form of a PLL loop has a known inertia of frequency and phase adjustment, which is stated in the patent description up to 100 ⁇ s.
- a sharp change in plasma density which can be caused by various reasons, leads to a change in the resonant frequency of the circuit and its difference from a delayed change in the frequency of the master VCO.
- In the presence of a plasma means a decrease in the current amplitude A ⁇ in the resonant circuit 4000 times or more in accordance with the exponential dependence
- a (t) A 0 e ⁇ 1 t ,
- t is the time from the beginning of the transition process.
- the technical result of the invention is to increase the reaction rate of the device for introducing energy into a gas-discharge plasma to a change in the resonant frequency of the circuit with the inductor associated with the plasma volume through mutual inductance and stabilization of the field strength inside the volume filled by the working gas covered by the inductor, with variations in the plasma density or changes in the feed rate working fluid in the plasma with high efficiency of energy input into the plasma, with a small number of elements.
- a device for inputting energy into a gas-discharge plasma containing at least one power source connected to the first input of the amplifier, the output of which is connected to a parallel LC circuit, 5 an inductor of this circuit interacting through mutual inductance with the plasma inside the volume of the inductor of the LC circuit, according to the invention, the second input of the amplifier through at least one coupling element is connected to a parallel LC circuit, and the combination of amplifier, LC circuit, element The links of the LC circuit with the u amplifier together form a self-oscillator.
- Embodiments of the device for introducing energy into a gas-discharge plasma of the present invention are illustrated by the equivalent 15 circuits shown in FIG. 1 to 3, where indicated:
- a capacitor connected in series to the resonant circuit of a parallel LC circuit or a transformer, in parallel can act as an element of communication with the LC circuit from which the positive feedback signal is taken connected to the inductor of the LC circuit, either the tap from a part of the turns of the inductor of the LC circuit can be used, or inductive coupling with the powerful field of the inductor can be used by arranging in its near field an inductive component with nonzero mutual inductance to the LC inductor.
- the gas plasma input device of the present invention works as follows.
- the voltage 3 is supplied to the amplifier 3, the amplifier then smoothly switches from the off state to the active class A mode with a smooth increase in the transfer coefficient from input to output.
- oscillations with increasing amplitude begin to appear in the LC circuit 4 due to the positive feedback from the LC circuit 4 through the communication element 7 to the second input of the amplifier 3.
- the growing amplitude of the oscillations sequentially transfers the amplifier 3 from mode A to mode AB, then B, then C (or E, or F, or DE).
- the sequence of changing the classes of operation of the amplifier from A to B is insignificant, but it is only important that in the steady state oscillation mode the amplifier operates in classes C, DE, E, F.
- a gas discharge (plasma 6) is initiated inside the volume filled with the working gas enclosed by the inductor L.
- the method of initiating a discharge is not the subject of this invention.
- the plasma density 6 and its conductivity increases, an electric current arises in the plasma volume 6 and at the same time, this plasma current interacts with the inductor L through the mutual inductance 5, a transformer energy transfer process occurs from the LC circuit 4 through the inductor L to the plasma 6 inside the volume enclosed by the inductor L.
- the oscillator 2 instantly responds to an increase in losses in the LC circuit 4, providing an increase in portions of energy from the source at least once during the period of the oscillator frequency for single-cycle amplifier circuit 3 or twice during the period of the oscillator frequency for push-pull amplifier circuit 3. Also, the oscillator is fast 2 responds to a decrease in the inductance of the inductor L, ensuring that oscillations are maintained precisely at the resonant frequency of the circuit without delay.
- Figure 4 shows the process of the effect of the resulting connection through the mutual inductance of the inductor L with the plasma 6 at the time of its formation.
- Graphic images of the current in the inductor and the current in the plasma which are the result of mathematical SPICE modeling of the electrical processes of the oscillator, demonstrate the absence of delays during the transient frequency change at the moment of plasma formation 6.
- a gas discharge is conditionally “ignited” in the model, plasma 6 and is changing frequency / period of the oscillator in a very short time, almost instantly, i.e. for less than one period of oscillation.
- the oscillator amplifier 3 is shown as a push-pull circuit on MOSFET high-speed field effect transistors with n and p conduction channels.
- the coupling element 7 with the circuit is a capacitor C2.
- the capacitor C3, connected in series with the inductor L, can act as an isolation capacitor and have a larger capacitance than the capacitor C1, thereby not significantly affect the tuning frequency of the LC circuit. Or, on the contrary, when choosing the capacitance of the capacitor C3, approximately equal to the capacitance C1 within the order, to act as an element of the transformation of the impedance from the side of the inductor L to the output of the amplifier 3.
- the series connection of capacitors C1-C3 according to this embodiment form the resonant capacitance of the LC circuit 4.
- the capacitor C2 has a dual function - as a coupling element 7 and as an element of the LC circuit 4. Self-excitation of such a self-oscillator is not provided.
- the generation of undamped oscillations of a given oscillator can be started by the “shock method,” for example, by abruptly charging or discharging one or several capacitors C1-C3 or otherwise, for example, connected between the coupling element 7 (capacitor C2) in the direction of the gates of field-effect transistors auxiliary generator of the initial 15 excitation.
- the oscillator amplifier 3 is shown as a push-pull circuit on high-speed MOSFET field effect transistors of the same conductivity type.
- single-ended circuits with additional power supply circuit elements can be used as amplifier 3.
- any circuit can be used on any components suitable for this task to amplify the power of 25 oscillations at the resonant frequency of the LC circuit, taking into account the influence of the plasma, but preferably the amplifier should operate in the energy-efficient amplification class C, DE, E, F during steady-state oscillations .
- a device for introducing energy into a gas-discharge plasma can be used for high-frequency excitation and maintenance of a gas-discharge plasma discharge in ion sources, ion engines of spacecraft with the conversion of the energy of a constant voltage source into the radio frequency electromagnetic energy of an inductor field interacting with the plasma volume through mutual inductance.
- variants of a device for introducing energy into a gas-discharge plasma always operate at the resonant frequency of the energy input circuit or close to it.
- High efficiency of energy input into the plasma is ensured by the fact that the main reactive current of the LC circuit, which is 10 times or more the active current of equivalent losses in the plasma, flows only inside this circuit and does not close through the active elements of the amplifier and the power source.
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
Изобретение относится к устройствам высокочастотного возбуждения и поддержания разряда газоразрядной плазмы в ионных источниках, ионных двигателях космических аппаратов. Технический результат - повышение скорости реакции устройства ввода энергии в газоразрядную плазму на изменение резонансной частоты контура с индуктором, связанного с объемом плазмы через взаимную индуктивность. Устройство ввода энергии в газоразрядную плазму содержит источник питания, соединенный с первым входом усилителя, выходы которого подключены параллельно к конденсатору LC-контура. Индуктор этого контура взаимодействует через взаимную индуктивность с плазмой. Совокупность усилителя, LC-контура, плазмы, индуктивно взаимосвязанной с индуктором LC-контура, элемента связи LC-контура с усилителем совместно образуют автогенератор.
Description
Устройство ввода энергии в газоразрядную плазму
Область техники
Изобретение относится к устройствам высокочастотного возбуждения и поддержания разряда газоразрядной плазмы в ионных источниках, ионных двигателях космических аппаратов с преобразованием энергии источника постоянного напряжения в радиочастотную электромагнитную энергию поля индуктора, взаимодействующего с объемом плазмы через взаимную индуктивность.
Предшествующий уровень техники
Известна «Система управления электрическим ракетным двигателем» (Патент на изобретение РФ JM°2564154 МПК F03H 1/00 (2006.01), опубл. 27.09.2015 Бюл. JTs 27). Система содержит микроконтроллер, усилитель мощности, источник электропитания усилителя мощности. Микроконтроллер выполнен с аналого-цифровым преобразователем входных управляющих сигналов, цифроаналоговым преобразователем выходных сигналов и тактовым генератором сигнала с перестраиваемой частотой. Выходы усилителя мощности соединены через линию связи с устройством ввода энергии, которое выполнено в виде индуктора. Устройство установлено с внешней стороны стенок газоразрядной камеры. В линию связи с устройством ввода энергии включены датчики тока и напряжения. Выходы датчиков подключены к входам фазового детектора и к сигнальным входам микроконтроллера. Выход фазового детектора подключен к сигнальному входу микроконтроллера.
Данная система обладает двумя существенными недостатками:
1) Для обеспечения настройки встроенного в микроконтроллер тактового генератора сигнала с перестраиваемой частотой в резонанс с последовательным контуром из конденсатора связи и индуктора
применена аналого-цифровая фазовая автоподстройка частоты (ФАПЧ), включающая в себя датчики тока и напряжения, фазовый детектор, аналого-цифровой преобразователь, внутренние узлы микропроцессора, программно замыкающую петлю обратной связи по фазе между током индуктора и напряжением на контуре индуктора, генератор сигнала с перестраиваемой частотой. Известно, что любая система с аналоговой или аналогово-цифровой ФАПЧ для устойчивости её работы требует наличия петлевого фильтра, обладающего определенной задержкой во времени и соответствующей амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристиками. Указанная задержка приводит к запаздывающей реакции частоты и фазы тактового генератора от сигнала рассогласования по фазе между током и напряжением соответствующих датчиков, подключенных к контуру индуктора. Случайное или функционально вызванное рассогласование по частоте и фазе, даже кратковременное, способно в значительной мере изменить амплитуду тока в контуре индуктора, как правило, уменьшив её из-за ухода с частоты резонанса, приводя к нежелательным последствиям в виде, например, гашения плазмы.
2) Для обеспечения «эффективного ввода энергии в газоразрядную камеру двигателя», для максимизации КПД, кроме «синфазности тока и напряжения в резонансном контуре» требуется выполнение условия соотношения сопротивлений: выходного сопротивления усилителя мощности Явых и эквивалентного сопротивления плазмы и потерь проводимости индуктора Япл+Ri, приведенного к выходу усилителя. Общепринятым фактом считается, что должно выполняться соотношение Явых«Япл+ . С другой стороны, в связи с изменением плотности плазмы, значение Rroi+Ri может изменяться в значительных пределах, приводя к соответствующему изменению тока в цепи последовательного резонансного контура индуктора и пропорциональному изменению потребляемой мощности от источника
питания, что особенно ярко проявляется при отсутствии разряда в плазме, когда приведенное значение Кпл равно нулю. Для предотвращения нежелательных значительных вариаций потребляемого тока от источника питания применено «автоматическое программно- расчетное регулирование мощности ВЧ сигнала» изменением напряжения источника питания усилителя мощности, что является усложнением системы и не исключает резких изменений тока индуктора и потребляемого тока при переходных процессах, как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является «Высокочастотный генератор для ионных и электронных источников» (патент на изобретение РФ N° 2461908 МПК H01J27/00, опублик. 20.09.2012 Бюл. 26), принятый за прототип.
Устройство-прототип состоит из разрядной камеры для ионизируемого газа, намотанной вокруг разрядной камеры катушки связи для подвода высокочастотной энергии, необходимой для возбуждения плазмы, конденсатора связи, электрически связанного с катушкой связи, и высокочастотного генератора, электрически связанного с катушкой связи и вместе по меньшей мере с одним конденсатором связи образующего 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.
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.
Устройство-прототип имеет три существенных недостатка:
1) Система с обратной связью по фазовой ошибке в виде петли ФАПЧ обладает известной инерционностью подстройки частоты и фазы, которая в описании патента заявлена значением до 100 мкс. Резкое изменение плотности плазмы, которое может быть вызвано разными причинами, приводит к изменению резонансной частоты контура и отличию её от запаздывающего изменения частоты задающего ГУН. Для высокочастотного генератора с частотой порядка 1-2 МГц задержка 100 мкс эквивалентна 100-200 периодам этой частоты, что с учетом реальной практической добротности нагруженного резонансного контура QL=10...20 В присутствии плазмы означает падение амплитуды тока Aϋ в резонансном контуре в 4000 раз и более в соответствии с экспоненциальной зависимостью A (t) = А0е~1 т ,
где
t - время от начала переходного процесса.
Несмотря на рост добротности контура при падении амплитуды тока в контуре из-за возникающего при этом падения плотности плазмы, результирующее падение амплитуды тока контура остается значительным на указанном интервале времени и может сопровождаться гашением плазменного разряда. Описанный в этом пункте недостаток
имеет место в первую очередь для варианта с последовательным резонансным контуром, который в патенте описан наиболее полно и имеет пояснения в большинстве фигур.
2) Для варианта исполнения генератора, нагруженного на параллельный колебательный контур, по описанию патента имеется несколько противоречий, затрудняющих реальное осуществление изобретения. Например, упоминается «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». Для параллельного колебательного контура, на который может быть нагружен генератор (в соответствии с п. 5 формулы изобретения-прототипа), для которого обязательным условием резонанса является синусоидальная форма напряжения на нем, данное пояснение означает и синусоидальность напряжения на выходе генератора, однако, при одновременном синусоидальном токе и синусоидальном напряжении выходной каскад генератора может работать лишь в классах А, АВ и В (угол проводимости > 180°), которые в патенте не используются и не упоминаются, но в любом случае КПД такого выходного каскада генератора не может превысить теоретический предел в 78,5%, что не согласуется с упоминаемыми в патенте значениями в 90-95% КПД. Указанные в патенте (п.17 формулы) классы С, Е, F не работают с синусоидальными выходными токами усилительного элемента, спектр тока таких высокоэффективных каскадов содержит широкий набор гармоник, резко отличающийся от спектра напряжения на колебательном контуре. Во временной области требуется разделение фаз тока и напряжения для классов С, Е, F для выполнения условий, определенных для работы в этих классах (см. Sokal, N. Class-E RF Power Ampl fiers // QEX.— 2001).
3) Для устройства, содержащего контур подстройки частоты и фазы и регулируемые источники энергии для регулировки мощности ВЧ генератора, не предусмотрены элементы, обеспечивающие стабильность напряженности поля внутри разрядной камеры во время переходных процессов, например, при зажигании разряда, даже при условии условно идеальной отработки схемы ФАПЧ по поддержанию согласования полного сопротивления резонансного контура, приведенного к выходу высокочастотного генератора. Известно, что полное сопротивление последовательного резонансного контура может изменяться в несколько раз в условиях идеального согласования при вариации плотности плазмы или в момент ее зажигания, вызывая пропорциональное изменение напряженности поля, что является недостатком.
Ни одно из известных технических решений не позволяет действительно быстро в реальном времени отрабатывать изменение резонансной частоты контура связи с объемом плазмы в совокупности с поддержанием стабильной напряженности поля внутри разрядной камеры при вариациях плотности плазмы или изменениях в скорости подачи рабочего тела в плазму.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом изобретения является повышение скорости реакции устройства ввода энергии в газоразрядную плазму на изменение резонансной частоты контура с индуктором, связанного с объемом плазмы через взаимную индуктивность и стабилизация напряженности поля внутри заполненного рабочим газом объема, охваченного индуктором, при вариациях плотности плазмы или изменениях в скорости подачи рабочего тела в плазму при высокой эффективности ввода энергии в плазму, при незначительном количестве элементов.
Для достижения вышеуказанного технического результата в устройство ввода энергии в газоразрядную плазму, содержащее, по крайней мере, один источник питания, соединенный с первым входом усилителя, выход которого подключен к параллельному LC-контуру, 5 индуктор этого контура, взаимодействующий через взаимную индуктивность с плазмой внутри объема индуктора LC-контура, согласно изобретению, второй вход усилителя, по крайней мере, через один элемент связи соединен с параллельным LC-контуром, причем совокупность усилителя, LC-контура, элемента связи LC-контура с ю усилителем совместно образуют автогенератор.
Краткое описание чертежей
Варианты выполнения устройства ввода энергии в газоразрядную плазму по настоящему изобретению поясняются эквивалентными 15 схемами, представленными на фиг. 1 - 3, где обозначено:
1 - источник питания;
2 - автогенератор;
3 - усилитель;
4 - LC-контур;
20 5 - взаимная индуктивность;
6 - плазма;
7 - элемент связи.
На фиг. 4. показаны два примера влияния на частоту автогенератора в зависимости от плотности плазмы.
25
Варианты осуществления изобретения
В качестве элемента связи с LC-контуром, с которого снимается сигнал положительной обратной связи, может выступать, например, конденсатор, последовательно включенный в резонансную цепь зо параллельного LC-контура или трансформатор, параллельно
включенный к индуктору LC-контура, или может быть использован отвод от части витков индуктора LC-контура, или использована индуктивная связь с мощным полем индуктора посредством расположения в его ближнем поле индуктивного компонента с ненулевой взаимной индуктивностью к индуктору LC-контура.
Устройство ввода энергии в газоразрядную плазму по настоящему изобретению, один из вариантов выполнения которого представлен на фиг. 1 , работает следующим образом.
От источника питания 1 на усилитель 3 поступает напряжение питания, усилитель после этого плавно переходит из выключенного состояния в активный режим класса А с плавным нарастанием коэффициента передачи от входа на выход. По достижении необходимого минимального коэффициента передачи, требуемого по условиям самовозбуждения, в LC-контуре 4 начинают возникать колебания с нарастающей амплитудой благодаря действию положительной обратной связи от LC-контура 4 через элемент связи 7 на второй вход усилителя 3. Нарастающая амплитуда колебаний последовательно переводит усилитель 3 из режима А в режим АВ, затем В, далее С (или Е, или F, или DE). Для предлагаемого устройства является несущественной последовательность смены классов работы усилителя от А до В, а существенно только то, что в установившемся режиме колебаний усилитель работает в классах С, DE, Е, F. После момента установления амплитуды колебаний в LC-контуре 4, одним из известных способов (например, как описано в патенте РФ Ne 2564154) инициируется газовый разряд (плазма 6) внутри заполненного рабочим газом объема, охваченного индуктором L.
Способ инициации разряда не является предметом данного изобретения. После зажигания плазмы 6 она развивается лавинообразно при достаточной расчетной напряженности поля внутри объема, охваченного индуктором L. При этом увеличивается плотность плазмы 6
и растет ее проводимость, возникает электрический ток в объеме плазмы 6 и одновременно с этим возникает взаимодействие этого тока плазмы с индуктором L через взаимную индуктивность 5, возникает процесс трансформаторной передачи энергии из LC-контура 4 через индуктор L в плазму 6 внутри объема, охваченного индуктором L.
Одновременно с этим, являясь единым процессом, протекающим со скоростью распространения электромагнитного взаимодействия, потери энергии в плазме 6 совместно с реакцией от взаимной индуктивности 5, приводящей к росту реактивной компоненты тока индуктора, трансформируются в первичную цепь индуктора L в виде резкого уменьшения приведенного сопротивления потерь параллельного колебательного LC-контура 4 и некоторого уменьшения его индуктивности.
Автогенератор 2 мгновенно реагирует на увеличение потерь в LC- контуре 4, обеспечивая увеличение порций энергии от источника как минимум один раз за период частоты автогенератора для однотактных схем исполнения усилителя 3 или два раза за период частоты автогенератора для двухтактных схем исполнения усилителя 3. Также быстро автогенератор 2 реагирует на уменьшение индуктивности индуктора L, обеспечивая поддержание колебаний именно на резонансной частоте контура без задержек.
На фиг.4 продемонстрирован процесс влияния возникшей связи через взаимную индуктивность индуктора L с плазмой 6 в момент ее образования. Графические изображения тока в индукторе и тока в плазме, являющиеся результатом математического SPICE моделирования электрических процессов автогенератора, демонстрируют отсутствие задержек при переходном процессе смены частоты в момент образования плазмы 6. На отметке 100 мкс в модели условно“зажигается” газовый разряд, образуется плазма 6 и изменяется
частота/период автогенератора за очень короткое время, практически мгновенно, т.е. в течение менее одного периода колебаний.
На рисунке фиг. 4. показаны два примера влияния на частоту в зависимости от плотности плазмы 6. При большой плотности и большом токе плазмы частота изменяется сильнее, и ток плазмы по фазе ближе к току индуктора L. При малой плотности и малом токе плазмы частота практически не изменяется, и ток плазмы по фазе отличается от тока индуктора L почти на 90 градусов. Фигура 4 также демонстрирует практическое отсутствие влияния плазмы 6 на амплитуду тока индуктора L при существенно разных величинах тока в плазме.
Таким образом, быстрая реакция предлагаемого технического решения на изменение плотности плазмы в индукторе L по частоте и отсутствие существенного влияния от наличия/отсутствия плазмы 6 на амплитуду тока индуктора L показывают очевидное превосходство данного решения над известными техническими решениями. Падение амплитуды тока при смене резонансной частоты в устройства-аналогах, использующих относительно медленную петлю ФАПЧ для настройки контура в резонанс, может провоцировать гашение плазмы в процессе инициации газового разряда. Указанное явление гашения плазмы полностью исключено в предлагаемом техническом решении.
В другом варианте осуществления изобретения, представленном упрощенной схемой на фиг. 2, усилитель 3 автогенератора показан как двухтактная схема на быстродействующих полевых транзисторах MOSFET с п и р каналами проводимости. Здесь элементом связи 7 с контуром является конденсатор С2. Конденсатор СЗ, включенный последовательно с индуктором L, может выполнять роль разделительного конденсатора и иметь большее значение емкости по сравнению с емкостью конденсатора С1, тем самым не влиять существенным образом на частоту настройки LC-контура. Или,
напротив, при выборе емкости конденсатора СЗ, примерно равной емкости С1 в пределах порядка, выполнять роль элемента трансформации импеданса со стороны индуктора L к выходу усилителя 3.
5 Последовательное соединение конденсаторов С1-СЗ по данному варианту осуществления образуют резонансную емкость LC-контура 4. Конденсатор С2 выполняет двойную функцию - как элемент связи 7 и как элемент LC-контура 4. Самовозбуждение такого автогенератора не предусмотрено. Запуск генерации незатухающих колебаний данного ю автогенератора может производиться «ударным способом», например, путем резкого заряда или разряда одного, или нескольких конденсаторов С1-СЗ или иным способом, например, включенным между элементом связи 7 (конденсатором С2) по направлению к затворам полевых транзисторов вспомогательным генератором первоначального 15 возбуждения.
В третьем варианте осуществления изобретения, представленном упрощенной схемой на фиг. 3, усилитель 3 автогенератора показан как двухтактная схема на быстродействующих полевых транзисторах MOSFET одинакового типа проводимости.
20 Для некоторых вариантов осуществления изобретения в качестве усилителя 3 могут использоваться однотактные схемы с дополнительными элементами обеспечения цепей питания.
В качестве усилителя может применяться любая схема на любых походящих для этой задачи компонентах для усиления мощности 25 колебаний на резонансной частоте LC-контура с учетом влияния плазмы, но предпочтительно усилитель должен работать в энергоэффективном классе усиления С, DE, Е, F во время установившихся колебаний.
Описание классов С, DE, Е, F, а также А, В, АВ можно найти в зо следующих источниках:
- Титце У, Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. Том II.— 12-е изд.— М.: ДМК-Пресс, 2007;
- Albulet, М. RF Power Ampl fiers.— Noble Publ shing, 2001;
- Лившиц, И. И. Транзисторные усилители в режиме D.— Л.: Энергия, 1973.;
- Sokal, N. Class-E RF Power Ampl fiers // QEX.— 2001.
в русской
1т.ощАу1к1/Классификация электронных усилителей
и в английской версии Википедии
https://en.wikipedia.org/wiki/Power ampLfier classes.
Промышленная применимость
Устройство ввода энергии в газоразрядную плазму может использоваться для высокочастотного возбуждения и поддержания разряда газоразрядной плазмы в ионных источниках, ионных двигателях космических аппаратов с преобразованием энергии источника постоянного напряжения в радиочастотную электромагнитную энергию поля индуктора, взаимодействующего с объемом плазмы через взаимную индуктивность.
Реализованные на основе изобретения варианты устройства ввода энергии в газоразрядную плазму всегда работают на резонансной частоте контура ввода энергии или близкой к ней. Высокая эффективность ввода энергии в плазму обеспечивается тем, что основной реактивный ток LC-контура, который в 10 и более раз больше активного тока эквивалентных потерь в плазме, протекает только внутри этого контура и не замыкается через активные элементы усилителя и источник питания.
Таким образом, достижение технического результата в заявляемом устройстве происходит за счет:
- мгновенной реакции автогенератора на частоту настройки его LC-контура при изменении плотности плазмы в силу отсутствия каких- либо существенных задержек от элементов связи с LC-контуром к усилителю, соизмеримых с периодом колебаний;
- параллельного включения выхода усилителя, работающего в классах С, DE, Е, F на параллельный колебательный LC-контур или его эквивалент с секционированным включением конденсаторов (англ, tapped capacitor);
- параметрического задания частоты и амплитуды напряжения и тока в LC-контуре, причем амплитуда тока индуктора и напряженность создаваемого им поля не зависят от эквивалентного сопротивления потерь в плазме, приведенного к параллельному LC-контуру, или зависимость очень слабая.
Кроме того, значительное уменьшение количества элементов предлагаемого технического решения, в связи с его структурной простотой, позволяет снизить сложность изготовления, снизить стоимость устройства и увеличить его надежность.
Источники информации
1. RU 2461908 С2, 20.09.2012, Высокочастотный генератор для
ионных и электронных источников;
2. RU 2564154 Cl, 27.09.2015, Система управления электрическим ракетным двигателем;
3. US 2007114945 А1, 24.05.2007, Inductively-coupled RF power
source;
4. US 2003215373 Al, 20.11.2003, Method and apparatus for VHF
plasma processing with load mismatch reliability and stability;
5. ЕР 3340746 Al, 27.06.2018, Control unit for controlling a high frequency generator.
Claims
1. Устройство ввода энергии в газоразрядную плазму, содержащее, по крайней мере, один источник питания, соединенный с первым входом
5 усилителя, выход которого подключен к параллельному LC-контуру, индуктор этого контура, взаимодействующий через взаимную индуктивность с плазмой внутри объема индуктора LC-контура, отличающееся тем, что второй вход усилителя, по крайней мере, через один элемент связи соединен с параллельным LC-контуром, причем W совокупность усилителя, LC-контура, элемента связи LC-контура с усилителем совместно образуют автогенератор.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что усилитель выполнен с возможностью работы в классах С, DE, Е, F во время установившихся колебаний.
15 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что параллельный LC- контур содержит более чем один конденсатор.
4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что параллельный LC- контур содержит более чем один индуктор.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018123994A RU2695541C1 (ru) | 2018-07-02 | 2018-07-02 | Устройство ввода энергии в газоразрядную плазму |
| RU2018123994 | 2018-07-02 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2020009611A1 true WO2020009611A1 (ru) | 2020-01-09 |
Family
ID=67512328
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/RU2019/000437 WO2020009611A1 (ru) | 2018-07-02 | 2019-06-20 | Устройство ввода энергии в газоразрядную плазму |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2695541C1 (ru) |
| WO (1) | WO2020009611A1 (ru) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2729778C1 (ru) * | 2020-03-03 | 2020-08-12 | Общество с ограниченной ответственностью "АВАНТ - СПЭЙС СИСТЕМС" | Способ регулирования выходной мощности в резонансных высокочастотных генераторах источников плазмы |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20030215373A1 (en) * | 2002-05-20 | 2003-11-20 | Reyzelman Leonid E. | Method and apparatus for VHF plasma processing with load mismatch reliability and stability |
| US20070114945A1 (en) * | 2005-11-21 | 2007-05-24 | Mattaboni Paul J | Inductively-coupled RF power source |
| RU2461908C2 (ru) * | 2007-08-02 | 2012-09-20 | Астриум Гмбх | Высокочастотный генератор для ионных и электронных источников |
| RU2564154C1 (ru) * | 2014-11-18 | 2015-09-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" | Система управления электрическим ракетным двигателем |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3340746B1 (de) * | 2016-12-22 | 2021-05-05 | Technische Hochschule Mittelhessen | Steuerungseinheit zur steuerung eines hochfrequenzgenerators |
-
2018
- 2018-07-02 RU RU2018123994A patent/RU2695541C1/ru active
-
2019
- 2019-06-20 WO PCT/RU2019/000437 patent/WO2020009611A1/ru active Application Filing
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20030215373A1 (en) * | 2002-05-20 | 2003-11-20 | Reyzelman Leonid E. | Method and apparatus for VHF plasma processing with load mismatch reliability and stability |
| US20070114945A1 (en) * | 2005-11-21 | 2007-05-24 | Mattaboni Paul J | Inductively-coupled RF power source |
| RU2461908C2 (ru) * | 2007-08-02 | 2012-09-20 | Астриум Гмбх | Высокочастотный генератор для ионных и электронных источников |
| RU2564154C1 (ru) * | 2014-11-18 | 2015-09-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" | Система управления электрическим ракетным двигателем |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2695541C1 (ru) | 2019-07-24 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9991748B2 (en) | Wireless power transmission system and power transmission device | |
| EP0412568B1 (en) | Matching network and method for using same | |
| KR101902427B1 (ko) | 펄스 라디오 주파수 전원에 대한 임피던스 정합 방법 및 장치 | |
| US8710926B2 (en) | Radio frequency power delivery system | |
| AU2004224955B2 (en) | Switched resonant ultrasonic power amplifier system | |
| US8269532B2 (en) | Constant phase angle control for frequency agile power switching systems | |
| Jurkov et al. | Tunable matching networks based on phase-switched impedance modulation | |
| US20040085145A1 (en) | Dynamically tuned amplifier for frequency shift keyed signals | |
| US9705712B2 (en) | Highly linear-gain oscillator | |
| WO2020009611A1 (ru) | Устройство ввода энергии в газоразрядную плазму | |
| Jurkov et al. | Tunable impedance matching networks based on phase-switched impedance modulation | |
| US20190081595A1 (en) | Voltage waveform shaping oscillator | |
| CN110504761B (zh) | 用于等离子体电源的共振网络及用于等离子体发生器的电力供应装置 | |
| Zhou et al. | Design of high-frequency, load-independent resonant inverter using phase-shift control method | |
| CN104052465A (zh) | 一种高频点高稳定低噪声恒温晶体振荡器 | |
| KR101930440B1 (ko) | 플라즈마 생성을 위한 전력 공급 장치 | |
| EP3754187B1 (en) | Radio-frequency generator for plasma source and method for adjusting the same | |
| EP1538754A1 (en) | Frequency and phase correction in a phase-locked loop | |
| WO2019127537A1 (zh) | 宽频带低相噪频综电路及电子设备 | |
| Lee et al. | Design and Control of High-Frequency Resonant Inverter for Wide Load Variation | |
| JP6866729B2 (ja) | 位相調整回路、インバータ回路及び給電装置 | |
| Abramov et al. | Regulated power transfer using self-tuned networks for capacitive wireless systems | |
| Mitani et al. | Development of a pulse-driven phase-controlled magnetron | |
| Pavlov et al. | Optimizing the Operation of Charging Self-Generating Resonant Inverters | |
| JP2010233078A (ja) | Ｐｌｌ回路 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 19831176 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 19831176 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |