206191

лучить протяженный разряд желаемой однородности. Отметим, что, тогда как эффективность плазмохимических процессов, а также КПД передачи энергии в плазму растут с частотой, габариты ВЧИ реактора с поперечным возбуждением, при которых продольная однородность сохраняется, уменьшаются. Использование протяженного индуктора также не представляется возможным. Индуктор большой протяженности с заданным шагом навивки имеет большое сопротивление, которое растет с увеличением частоты. Увеличивать шаг навивки нежелательно, так как это может привести к возникновению провалов напряженности поля между витками.

Известны так называемые полигональные индукторы, описанные Г.И. Бабатом. При возбуждении ВЧИ разрядов в реакторах больших объемов применяли индуктор, состоящий из секций, каждая из которых называется гоном. В разрывы между секциями включались компенсирующие емкости, что позволяло уменьшить общее сопротивление такого индуктора. Но такой тип индукторов не нашел практического применения.

Другой подход, позволяющий увеличить продольные размеры реактора, – секционирование областей генерации плазмы. В случае ВЧИ разряда индукторы должны располагаться достаточно близко друг к другу, чтобы исключить провисание поля между соседними секциями. Реализовать такое включение на практике оказывается достаточно сложно из-за возникающей между соседними секциями взаимной индукции. Необходим источник ВЧ энергии с соответствующим числом выходов, обеспечивающий сфазированное соответствующим образом напряжение. Использование отдельных источников для каждого из индукторов менее желательно, так как и в этом случае потребуется их взаимное фазовое согласование. Пассивное согласующее устройство, очевидно, приведет к дополнительным потерям, а следовательно, к снижению суммарного КПД.

В данной главе приведены основные способы генерации ВЧ низкотемпературной плазмы. Представлены цепные модели ВЧ разрядов. На основе проведенного анализа удалось выявить еще не использованные физико-технологические ресурсы так называемых гибридных и волновых методов возбуждения ВЧ низкотемпературной плазмы.

21

контур, включающий конструктивные емкости либо индуктивности плазменного реактора. Хотя схема с внешним возбуждением нетипична для промышленных ВЧ генераторов, используемый в качестве источника питания ВЧ плазмотрон (обычно источники строятся по однокаскадной автогенераторной схеме), она тем не менее позволяет определить факторы, влияющие на суммарный КПД плазмотрона.

2.2. ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ВЧ ПЛАЗМОТРОНОВ

В качестве источников ВЧ энергии для промышленных индукционных и емкостных плазмотронов в электронном приборостроении используются, как правило, ламповые автогенераторы, работающие на частотах от 0,44 до 460 МГц при выходной мощности до единиц мегаватт. Выбор в качестве активных элементов промышленных ВЧ генераторов электронных ламп обусловлен тем, что их рабочие напряжения, составляющие в некоторых случаях десятки киловольт, в большей степени соответствуют требуемым, а кроме того, электронные лампы менее восприимчивы к изменению нагрузки и способны рассеивать на анодах мощности, соизмеримые с генерируемыми, что избавляет от необходимости включать последовательно с источником специальные согласующие устройства, поглощающие энергию, отражаемую нагрузкой в случае рассогласования.

2.3. ЕМКОСТНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ПЛАЗМЫ

Рассмотрим подробнее плазменный генератор, работающий на ВЧ разряде емкостного типа. Отметим, что в электронно-вауумном приборостроении данный тип генераторов низкотемпературной плазмы получил наибольшее распространение. Причем, как правило, используются планарные либо цилиндрические реакторы с продольным возбуждением плазмы.

В работе [12] представлен комплексный анализ системы емкостный плазменный реактор – источник ВЧ энергии (рис. 2.1) с позиций энергосбережения.

23

Uвх

Рис. 2.1. Схема, изображающая функциональные узлы ВЧЕ плазмотрона

Эквивалентная схема контура емкостного плазмотрона изображена на рис. 2.2. Плазменный реактор представлен емкостями Cр и Cкр. Здесь Cкр – не участвующая в формировании активного объема плазменного реактора краевая емкость электродов реактора; Cр – рабочая емкость заполненного плазмой реактора, которая определяется холодной емко-

стью реактора C0 и диэлектрической проницаемостью плазмыεп:

24

где Rр – рабочее сопротивление резонансного контура при горящем разряде; Rхх – сопротивление холостого хода, т. е. в отсутствие разряда.

Сопротивление резонансного контура емкостного плазмотрона Zаб (рис. 2.2) находится по формуле

а также разделив комплексную диэлектрическую проницаемость плазмы εп = ε′– jε″ на вещественное ε′ и мнимое ε″ слагаемые:

25

С учетом (2.6), (2.7) получим

Отсюда рабочее сопротивление контура (2.8) на резонансной частоте Rр может быть записано следующим образом:

Полагая, что при ненагруженном реакторе плазма в разрядном промежутке отсутствует, т. е. νe = 0 и ε″ = 0, из (1.3) получим

Соотношение (2.12) полностью согласуется с физическими представлениями, так, при ε′ → 0 и ε″ → 0, т. е. при отсутствии плазмы, а значит, и потребления энергии, КПД плазменного реактора стремится к нулю.

Имея выражение, определяющее КПД резонансного контура, перейдем к рассмотрению системы резонансный контур–генератор. В соответствии с общей теорией резонансных генераторов [13] суммарный КПД находится по формуле

1 α2 (θ)

где K = 1 ( )SгрRхх ; T = α1 (θ)SгрRхх ; α1 (θ), α0 (θ) – коэффици-

2 α012 θ

енты однократной гармонической линеаризации проходной вольтамперной характеристики (ВАХ) активного элемента; θ – угол отсечки анодного тока; Sгр – крутизна линии граничного режима, определяе-

мая по выходной ВАХ активного элемента.

26

Подставив в (2.13) значение КПД плазменного реактора (2.12) и обозначив A = α(γ − ε′), получим

Активные потери в плазме, означающие полезное потребление энергии, определяются мнимой составляющей постоянной диэлектрической проницаемости плазмы ε′′. Оптимизируя значение суммарного КПД относительно ε′′, найдем

Теоретически возможный максимальный КПД системы плазменный ректор–генератор при полном согласовании будет определяться выражением

что соответствует теории резонансных источников ВЧ энергии. Отметим, что при выводе приведенных нами теоретических поло-

жений использовался системный подход к КПД устройства плазмот- рон–ректор, а следовательно, полученные соотношения могут непосредственно использоваться для выбора оптимального режима работы комплекса. Последнее является необходимым условием при создании современных промышленных систем. Полученные соотношения, кроме того, позволяют сформулировать требования к активным элементам (генераторным лампам, как правило, триодам средней мощности), применяемым при построении ВЧ генераторов энергии промышленных плазмотронов. В качестве параметра, подлежащего оптимизации, примем T. Тогда из соотношения (2.15) получим

27

Пронормировав плазменную частоту ωп и частоту упругих соударений электронов νe частотой внешнего поля ω и обозначив

запишем выражения для реальной и мнимой составляющих постоянной диэлектрической проницаемости плазмы в виде

С учетом принятых обозначений соотношение (2.17) может быть переписано следующим образом:

Оптимальное значение параметра T на частотах в несколько десятков мегагерц доходит до нескольких сотен и даже тысяч единиц.

Представляет интерес рассмотрение зависимости

в широком диапазоне конструктивных параметров и электронных режимов работы плазмотрона. Выделяя области, характерные для ВЧ диапазона (ξ << 1), НЧ диапазона (ξ << 1) и оптимальной частотной области (ξ ~ 1), при α и β реальных, варьируя при этом степень близости к так называемому плазменному резонансу δ = 1, можно построить семейство зависимостей, представленное на рис. 2.3. Отсюда следует, что оптимальное значение параметра T на рабочих частотах в десять мегагерц может доходить до нескольких сотен и даже тысяч единиц.

28

Отметим, что параметры современных генераторных ламп существенно отличаются от требуемого.

2.4. ГИБРИДНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ПЛАЗМЫ

Перейдем к гибридной схеме генератора плазмы. Как отмечалось ранее, в разделе, посвященном плазменным реакторам ВЧ плазмотронов, данная схема как позволяющая получить наибольшую однородность плазмы в сочетании с ростом эффективности передачи энергии представляется наиболее перспективной, а потому заслуживает наиболее пристального внимания.

Отличительной особенностью данного типа плазмотронов является то, что полезная мощность потребляется как в индуктивном, так и в емкостном звене резонансного контура. Эквивалентная схема резонансного контура гибридного реактора представлена на рис. 2.4. В отличие от резонансного контура индукционного плазмотрона, представленного на рис. 2.5, здесь

29

емкость C, как и в случае емкостного реактора, заполнена плазмой и определяется выражением

Считаем, что плазма в разрядном промежутке изотропна, а также пренебрегаем реактивностями приэлектродной области, обусловленными слоистой структурой емкостного ВЧ разряда.

Рис. 2.5. Эквивалентная схема резонансного контура гибридного плазмотрона

Эквивалентное сопротивление двухполюсника, представляющего резонансный контур гибридного ВЧ плазмотрона Zаб, определяется выражением

где rп – потери в индуктивном плече гибридного плазмотрона (опре-

деляются аналогично «горячим» потерям индукционного плазмотрона); rи – «холодные» потери в индуктивном плече; С =С0εп – емкость

плазменного реактора при горящем разряде; εп – диэлектрическая

проницаемость плазмы. Обозначив

30