автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Использование распределенного ВЧ генератора для возбуждения низкотемпературной плазмы в протяженном реакторе

Основные обозначения

Введение.

Глава

Реакторы промышленных ВЧ генераторов плазмы

§1.1. Основные положения

§ 1.2. Индукционные и емкостные методы возбуждения

1.2.1. Трансформаторная эквивалентная схема замещения индукционного разряда

1.2.2. Электрическая эквивалентная схема замещения емкостного разряда.

§ 1.3. Гибридные плазмотроны.

§ 1.4. Протяженный плазменные реакторы.

Технический прогресс в современном обществе на данном этапе развития немыслим без создания новых, энергосберегающих технологий и повышения эффективности имеющихся, а при нынешнем состояние окружающей среды, замена старых технологий на экологически чистые становится вопросом первостепенной важности для жизнедеятельности целых регионов.

По данным "Международного энергетического агентства" (МЭА) благодаря увеличению населения планеты с 5 млрд. в 1990 г. до 7 млрд. в 2010 году суммарные мировые потребности в энергоносителях возрастут на (35 - 40)% при среднегодовом темпе роста (1,7 - 2,1)%. При этом прогнозируется, что глобальные выбросы СОг увеличатся в 2010 г. по сравнению с уровнем 1990 г. примерно на (30 - 40)%.

Очевидно, следует изменить отношение к ресурсам, и тут вопрос энерго- и ресурсосбережения по сути определяет экологичность производственной среды.

Одним из путей снижения энергетических затрат и уменьшения загрязнения окружающей среды может стать широкое внедрение плазменных технологий.

Плазменная обработка хорошо зарекомендовала себя в химической технологии, машиностроении и электронном приборостроении.

Применение низкотемпературной плазмы в химической промышленности позволило реализовать ранее недоступные процессы. Уже в 20-х годах в Германии применялся электрокрекинг природного газа для получения ацетилена. Начиная с 50-х годов в России и за рубежом ведутся исследования плазмохимических процессов. Получение тугоплавких соединений; восстановление химических элементов из руд, окислов, хлоридов; пиролиз углеводородов, хлор- и фторуглеводородов — все эти процессы реализуются в условиях низкотемпературной плазмы.

В настоящее время широко используется плазменное напыление тугоплавких материалов — процесс протекает с большой скоростью и позволяет обеспечить высокую равномерность нанесения покрытий, -— а также для плавки, сварки, резки, сферизации и т. д. Наиболее широкое распространение здесь получили электродуговые генераторы плазмы, т. н. плазмотроны, работающие на разрядах постоянного тока, что, главным образом, объясняется простотой реализации и относительно высоким КПД. Такие плазмотроны работают как правило при атмосферном давлении. К недостаткам электродуговых плазмотронов следует отнести быстрый износ электродов и невозможность получения чистой плазмы.

В тех случаях, когда процесс критичен к химическому составу плазмы, используют ВЧ или СВЧ плазмотроны, реализующие так называемый безэлектродный разряд и позволяющие получать чистую, без лишних примесей плазму. Эти два типа условно различаются по частоте возбуждения газового разряда. Если первые работают на частотах от сотен килогерц до десятков и сотен мегагерц, то во вторых разряд зажигается на гораздо больших частотах — вплоть до сотен гигагерц. Такие плазмотроны не критичны к составу плазмообразующего газа. Первый тип, а именно ВЧ плазмотроны, находят все большее применение в электровакуумном и полупроводниковом производстве. Травление (чистка), напыление, оксидирование и пр., ранее реализуемые химическими методами, с использованием активных жидкостей (кислот и щелочей), вредных для здоровья персонала и экологии производства в целом, теперь реализуются с применением низкотемпературной плазмы. "Сухие" методы очистки, при правильном выборе плазмообразующего газа и уровнях вводимой в плазму энергии, позволяют сохранить геометрическую форму обрабатываемых изделий, а одновременно протекающая термическая обработка повышает качество самой очистки. Если ВЧ киловатт-час в 1,5 - 3,0 раза (в зависимости от условий), дороже сетевого, то его физико-технологическая эффективность многократно выше, поскольку весьма экономична: на уровне энергии активации, реализуются сложные, подчас уникальные процессы.

К основным задачам, решаемым при конструировании ВЧ генераторов низкотемпературной плазмы, следует отнести повышение пространственной однородности реакторной плазмы, что позволило бы увеличить коэффициент использования объема плазменного реактора, а также поиск путей увеличения самого объема реактора, что, в свою очередь, позволило бы увеличить количество одновременно обрабатываемых изделий в процессах групповой обработки. Правда (см. выше), в некоторых случаях реактором служит непосредственно оболочка обрабатываемого изделия, в этом случае разработчика лимитирует произвольность формы и структуры реактора.

Также не менее важен КПД комплекса плазменной обработки в целом. Очевидно, что он будет слагаться из следующий факторов:

КПД генератора ВЧ энергии; коэффициента передачи энергии в плазму; эффективности плазменных процессов.

Одним из известных способов повышения КПД генератора ВЧ энергии, помимо оптимизации режима, является использование высших гармонических составляющих основной частоты. Необходимо чтобы мгновенное напряжение на активном элементе (АЭ) было не синусоидальным, а с уплощенными вершинами. В этом случае за время прохождения импульса тока через АЭ удается сохранить минимальным напряжение на зажимах АЭ и, следовательно, уменьшить рассеиваемую мощность. Для этого гармонические составляющие должны иметь трубуемое г соотношение амплитуд и складываться в надлежащей фазе. В идеале форма напряжения на зажимах АЭ должна быть прямоугольной, т. е. бесконечный спектр нечетных гармоник с убывающими амплитудами — в этом случае электронный КПД генератора в 1,27 выше того, что можно получить при работе генератора в одночастотном режиме, — но на практике приходится ограничиваться одной, или двумя составляющими. Это связано как со схемотехнической сложностью реализации такого режима, так и с тем, что спектр разрешенных частот промышленно-технологического применнения весьма ограничен, и, практически, нет ни одной частоты, для которой разрешались бы как третья, так и пятая гармонические, не говоря уже о более высоких частотах.

Под эффективностью передачи ВЧ энергии в плазму подразумевается эффективность возбуждения последней. Эффективность передачи ВЧ энергии в плазму зависит от конструкции и размеров реактора; выбора схемы поджига и поддержания газового разряда; частоты возбуждения (спектра частот). Кроме этого следует учитывать потери в линиях передачи ВЧ энергии от генератора к реактору, которые могут быть весьма существенными, особенно в случае централизованного энергоснабжения технологических участков, а также потери в устройствах трансформации и согласования. Стандартное сопротивление коаксиального кабеля, используемого для передачи ВЧ энергии, составляет 50 Ом, в то время как эквивалентное сопротивление ВЧ разряда, как правило, существенно отличается от этого значения и может меняться в течение производственного цикла. В этой связи отказ от централизованной подачи ВЧ энергии и интеграция ВЧ генератора с плазменным реактором представляется весьма перспективным решением.

Децентрализация энергообеспечения кроме снижения потерь энергии при передаче также снижает затраты на резервирование ВЧ генераторов. Так если конвейер обслуживается одним мощным, как правило, одноламповым генератором, необходимо чтобы другой той же мощности находился в резерве, т. е. мы имеем вынужденное 100% резервирование. При энергообеспечении технологических участков от индивидуальных, маломощных генераторов, в совокупности вырабатывающих мощность одного мощного,, обычно бывает достаточно иметь в резерве один маломощный.

Существенная нестабильность плазменной нагрузки приводит к значительному изменению коэффициента отражений, когда заметная доля ВЧ энергии попадает обратно в генератор. Это следует учитывать при выборе генератора ВЧ энергии.

Полупроводниковые генераторы весьма чувствительны к изменению коэффициента отражения, что вынуждает использовать специальные схемы согласования, защищающие генератор от нестабильности нагрузки. Кроме того, что такие схемы усложняют конструкцию генератора, они ведут к дополнительным потерям энергии, а следовательно и снижению суммарного КПД. Электронные генераторные лампы способны рассеивать на анодах мощности, соизмеримые с рабочими, и генераторы, построенные на такой активной базе, не требуют специальных устройства защиты, что делает их в большей степени предпочтительными относительно полупроводниковых. Кроме того, рабочие напряжения ламповых генераторов достаточно велики (десятки киловольт), чтобы обеспечить необходимые напряженности ВЧ поля без дополнительных повышающих трансформаторов.

Смежные задачи, связанные с эффективной генерацией низкотемпературной плазмы, решаются в квантовой электронике.

Газоразрядные лазеры, позволяющие получать когерентное излучение большой интенсивности, находят все большее применение в промышленности, системах передачи информации, представляют собой мощный инструмент для проведения научных исследований в различных отраслях физики и химии. Одной из проблем решаемых физикой газоразрядных лазеров является поджиг и устойчивое поддержание газового разряда. Немаловажным представляется вопрос повышения КПД и долговечности газоразрядных лазеров. Следует отметить, что для накачки газоразрядных лазеров в последнее время все большее предпочтение отдается ВЧ и даже СВЧ полям [1]. Кроме того, что газовый лазер, работающий на разряде постоянного тока, отличается небольшой долговечностью из-за износа электродов, проблем с регенерацией рабочей газовой смеси й ухудшения оптических свойств зеркал, как следствие распыления электродов, для поддержания требуемых электрических полей нужны значительные напряжения. Так для поддержания стационарного самостоятельного разряда волноводного С02-лазера в диапазоне давлений 50 -150 торр, при длине рабочей секции 10 см требуется напряжение порядка 10 кВ. И т. к. мощность излучения прямо пропорциональна продольной протяженности усиливающей среды, используют параллельное секционирование питания последовательно расположенных разрядных участков. При этом возникают трудности с поджигом разряда в нескольких секциях, вызванные тем, что напряжение зажигания выше напряжение горения, и секция, в которой разряд зажегся раньше, шунтирует остальные секции. В результате требуется включение дополнительных балластных сопротивлений в цепь питания, что ведет к ненужным потерям и существенно (более чем в два раза) снижает суммарный КПД лазера.

Вместе с тем поддержание протяженного ВЧ разряда, при всей его привлекательности, также сопряжено с определенными трудностями. Емкостной ВЧ разряд, получивший, кстати, наибольшее распространение, также имеет ограничение по длине. Типичная схема продольного возбуждения, для обеспечения приемлемой продольной однородности плазмы требует, чтобы длинна пластин не превышала четверти длины волны. Это объясняется тем, что разорванные с концов полосковые электроды образуют резонатор, в котором устанавливается стоячая волна, и т. к. параметры плазмы емкостного ВЧ разряда при прочих равных условиях определяются напряженностью ВЧ поля, продольная неоднородность поля приводит к неоднородности параметров плазмы, и как следствие — снижению эффективности возбуждения. Приемлемую однородность сравнительно протяженного плазменного факела удается получить при длине электродов не превышающих четверти длинны волны. Таким образом, при фиксированной длине газоразрядного капилляра, налагается ограничение на максимальную частоту прикладываемого ВЧ напряжения, в то время как минимальная частота, а следовательно и максимальная длина пластин, определяется из условия, при котором отсутствует бомбардировка электронами электродов. Очевидно, что для этого длина пробега электрона за период изменения внешнего ВЧ поля не должен превышать поперечный размер оптического волновода. Для типичных условий минимальная частота лежит в диапазоне 40 80 МГц. При этом емкостной ВЧ разряд с неизолированными электродами можно в некоторой степени считать безэлектродным, хотя проблема распыления электродов в этом случае не столь остра, как в разряде постоянного тока, вопрос долговечности все же не снимается полностью. "Чистый" безэлектродный разряд менее эффективен, т. к. образуемая слоем диэлектрика емкость электрод — плазма играет роль ненужного балласта в цепи питания, тем самым требуется повышенное рабочее напряжение необходимое для поддержания разряда.

Использование индуктивного ВЧ разряда для возбуждения рабочей среды лазеров, при всей его кажущейся конструктивной простоте, не позволяет получить требуемую продольную однородность плазмы разряда заметной протяженности. С ростом частоты увеличивается импеданс индуктора, что ведет к снижению коэффициента передачи мощности в плазму.

Материалы диссертации распределены по главам следующим образом.

Первая глава диссертации посвящена рассмотрению способов возбуждения ВЧ разрядов. Приводится краткий обзор индукционных емкостных и гибридных реакторов, а также даются эквивалентные схемы замещения индукционного, емкостного и гибридного ВЧ разрядов электрическими цепями на элементах с сосредоточенными параметрами. Приводятся формулы, позволяющие перейти от внешних электрических характеристик разряда к интегральным, усредненным по объему параметрам плазмы.

Во второй главе рассматриваются основные типы ВЧ плазмотронов как совокупность резонансного плазменного реактора и источника ВЧ энергии. Даются выводы формул, позволяющих оценить комплексный КПД плазмотрона. Емкостной и индукционный плазмотроны сравниваются с гибридным. Доказывается преимущество гибридной схемы возбуждение, позволяющей повысить радиальную однородность плазменного факела и повысит эффективность передачи ВЧ энергии в плазму, по сравнению с ВЧ разрядами одного типа.

Третья глава посвящена анализу распределенного генератора, работающего на плазменную нагрузку. Приводится краткий анализ базовой схемы усилителя с распределенным усилением, на основе которого строится генератор ВЧ ■ энергии протяженного плазменного генератора. Последовательно рассматривается генератор с внешним возбуждением, автогенераторная схема с одной обратной связью и схема автогенератора с двумя обратными связями.

В четверной главе дается описание экспериментального протяженного генератора плазмы, интегрированного с двухпетлевым распределенным автогенератором. Приводятся данные по режимам, полученные экспериментальным путем, а также расчетные данные.

В пятой главе даются рекомендации по активной элементной базе для промышленных ВЧ генераторов, применяемых для питания ВЧ плазмотронов.

- 148-ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В предлагаемой работе рассмотрены возможности повышения энергоконструктивных параметров ВЧ генераторов низкотемпературной плазмы.

Ключевыми вопросами, лежащими в основе рассмотрения являются следующие:

1. Габариты реактора и коэффициент использования его объема.

2. Пространственная однородность плазменного факела.

3. Частотная и спектральная оптимизация энергопереносчика.

4. Схемно-конструктивная реализация энергопереносчика.

5. Активная элементная база.

В работе обоснованы методы повышения однородности ВЧ факела за счет т.н. гибридности, многочастотности и многоканальности, обоснована схемно-конструктивное решения, связанные с созданием источника ВЧ энергии. По данным вопросам автором получены теоретические результаты, получившие экспериментальное подтверждение. Часть авторских рекомендаций используется в промышленности (гибридные реакторы), часть — в аппаратурных решениях для информационных задач.

Несколько отдельно стоит вопрос анализа активной элементной базы.

Автором отмечено известное конструктивное несоответствие современных генераторных ламп, разрабатываемых для нужд радиопередающей техники, задачам их промышленного использования.

Представляется, что результаты и рекомендации данной работы окажутся полезными для разработчиков аппаратно-технологических комплексов применительно к задачам промышленного приборостроения.

1. Трехов Е.С. Тюрин Е.А., Фетисов Е.П. Некоторые вопросы генерации плотных плазменных струй в проточном высокочастотном факельном разряде // Физика газоразрядной плазмы. — М.: Атомиздат, 1962. — Вып. 2. —С. 47-53.

2. Piejak R.B., Godyak V.M., Alexandrovich В.М. A simple analysis of an inductive RF discharge // Plasma Sources Sci. Technol. — 1992. — Vol. 1. — pp. 179- 186.

3. ВЧ- СВЧ-плазмотроны / Дресвин C.B., Бобров A.A. Лелёвкие и др. — Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1992. — 319 с. — (Низкотемпературная плазма; Т. 6).

4. Райзер Ю.П. Основы современной физики газоразрядных процессов. — М.: Наука, 1980. —416 с.

5. Бердичевский М.Г., Марусин В.В. Электрические параметры и вольт-амперные характеристика тлеющего разряда емкостного типа в диапазоне от постоянного тока до радиочастот // Теплофизика и аэродинамика. — 1995. — Т. 2, № 4. — с. 385 392.

6. Godyak V.A., Stenberg N. Dynamic model of the electrode sheaths in RF discharge // Phys. Rev., A. — 1990. — Vol. 42, No. 4. — pp. 2299 2312.

7. A.c. 1486034 СССР. Плазмохимический реактор / Геллер В.М., Хрусталев В.А., Пивчик Г.Р., Гугучкин В.И., Старожилов Д.Е., Лях В.А. // Открытия. Изобретения. — 1990.

8. Геллер В.М., Катаев A.A., Лапкина С.В., Хрусталев В.А. Плазменные технологические процессы, 4.1. Аппаратурное обеспечение: Монография / Новосибирский электротехн. ин-т. — Новосибирск, 1991. — 58 с.

9. Inductively enhanced reactive ion etching: Пат. 5607542 США, МКИ С23 F 4/00 /Wu Rober, Yin Gerald Z.; Applied Materials Inc. — № 333004; Заявл. 1.11.94; Опубл. 4.3.97; НКИ 156-643.1

10. Геллер В.М., Хрусталев В.А., Чипурнов С.А., Чередниченко B.C. Исследование и оптимизация ВЧЕ (СВЧ) плазмотронов // Сб. научных трудов «Экологически перспективные системы и технологии», №, 2. — Новосибирск, НГТУ, — 1998.

11. Евтянов С.И. Ламповые генераторы. — М.: Связь, 1967. — 384 с.

12. Геллер В.М. К вопросу о согласовании системы типа «спираль в диэлектрической трубке между двумя проводящими цилиндрами» с коаксиальным трактом // Радиотехника и электроника. —1965. — Вып. 1. — с. 147 156.

13. Грошев Г.А. Потенциальная энергетическая эффективность полигармонического генератора с внешним возбуждением // Сб. науч. труд. / Балт. гос. академия рыбопромысл. флота. — Калининград, 1995. — Вып. 10.—с. 25 -28.

14. Алексеев O.B. Усилители мощности с распределенным усилением. — JL: Энергия, 1968.— 224.

15. Геллер В.М., Хрусталев В.А., Чипурнов С.А. Некоторые вопросы построения распределенного ВЧИ генератора низкотемпературной плазмы // Сб. научных трудов НГТУ, № 1. — Новосибирск, 1999.

16. Геллер В.М., Хрусталев В.А., Чипурнов С.А. Модель нагрузочной линии УРУ с распределенной нагрузкой // Сб. научных трудов НГТУ, № 2 — Новосибирск, 1999.

17. Босый Н.Д. Электрические фильтры. — Киев, 1960. — 616с.

18. Геллер В.М., Паджакидзе Д.А. Исследование многочастотных автогенераторов с распределенной структурой // Сб. научных трудов «Исследования по радиотехнике», вып. 7 / Новосиб. эл. тех. институт. — Новосибирск, 1975. —с. 80 86.

19. Held М. Tubes retain lead in RF generators // Siemens AG, Generator Tube Applications. — Berlin, Germany, 1992. — Vol.27, no. 1. — pp. 16-17.

20. Robert S.Symons. Tubes: Still vital after all these years // IEEE Spectrum. — April, 1998.

21. Васильев A.C. Ламповые генераторы для ВЧ нагрева. — Л., 1979.

22. Нетушил A.B., Жуховицкий Б.Я., Кудин В.Н. ВЧ нагрев в электромагнитном поле. — М , 1961.

23. Минц А.Л. Радиотехника и мощное радиостроительство. Избранные труды. — М., 1976.

24. Копытин Л.А. Передающие радиоцентры.

25. Нейман М.С. Курс радиопередающих устройств. — М., 1965.

26. Волгов В.А. Детали контуров радиоаппаратуры. — М. Л., 1954.

27. Кессених В.И. Распространение радиоволн. — М.,1952.- 15232. Донской A.B., Рамм Г.С., Вигдорович А.Б. Высокочастотные электротермические установки с ламповыми генераторами. —М.: Энергия, 1974.

28. Иоссель Ю.Я., Кочанов Э.С., Струнский М.Г. Расчет электрической емкости.—Д., 1981.

29. Усиков C.B. Электрометрия жидкостей. — Львов, 1974.

30. Геллер В.М., Лисицына Л.И., Ласточкина Л.П. Предпочтительная конструкция генераторных ламп в ВЧ диапазоне. // Электронная техника, Электровакуумные и газоразрядные приборы, в.2 (113). — М.,1986. — с.4

31. Геллер В.М., Клевцов В.А. и др. Развитие генераторных ламп для технологических установок // "Обзор по электронной технике", в.5 (1492). — М.: ЦНИИ "Электроника", 1989. — с.4.

32. Клевцов В.А., Рощин Р.Я. и др. Мощные генератрные лампы для радиовещания, широкополосных средств связи и промышленности // "Электронная техника", в. 11. — 1981. — с.4.

33. Данилин B.C., Киреев В.Ю. Применение низкотемпературной плазмы для травления и очистки материалов. — М.: Энергоатомиздат, 1987. — 264 с.

34. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. — М.: Наука, 1992. — 536 с.

35. Крапивина С.А. Плазмохимические технологические процессы. — Л.: Химия, 1981. —248 с.

36. Энгель А. Ионизированные газы. — М.: Физматгиз, 1959. — 332 с.

37. Верзунов М.В., Лапицкий Е.Г., Семенов A.M., Сосновкин Л.Н. Проектирование радиопередающих устройств. — Л.: Энергия, 1967. — 376 с.

38. Полак Л.С., Овсянников A.A., Словецкий Д.И., Вурзель Ф.Б. Теоретическая и прикладная плазмохимия. — М.: Наука, 1975. — 304 с.

39. Геллер В.М., Хрусталев В.А. Исследование вопросов энергетической эффективности процессов многочастотной генерации // Труды 2 междун. науч.-технич. конф. "АПЭП 94", том 1. — Новосибирск, 1994. — с. 191 -204.

40. Геллер В.М., Хрусталев В.А., Чипурнов С.А. ВЧ (СВЧ) энергообеспечение промышленных технологий // Материалы междун. науч.-технич. конф. «Информатика и проблемы телекоммуникаций». — Новосибирск, 1998. — с. 232-234.

41. Геллер В.М., Хрусталев В.А., Чипурнов С.А. Некоторые вопросы теории и расчета индукционных ВЧИ плазмотронов // Тезисы докладов междун. науч.-технич. конф. "Информатика и проблемы телекомуникаций". — Новосибирск, 1998.— с. 142-145.

42. Геллер В.М., Хрусталев В.А., Чипурнов С.А. Вопросы элементно-аппаратного обеспечения процессов электронной технологии // Труды 4- 154междун. науч.-технич. конф. "АПЭП 98", том 2. — Новосибирск, 1998. — с. 173 - 175. •

43. Геллер В.М., Хрусталев В.А., Чипуриов С.А. Многоканальный метод возбуждения реакторной среды ВЧ плазмотрона // Труды 4 междун. науч.-технич. конф. "АПЭП 98", том 2. — Новосибирск, 1998. — с. 191 - 193.

44. Geller V.M., Khrustalev V.A., Chipurnov S.A. RF plasma generators in instrument making // 3rd Russian-Korean International Symposium on Science and Technology KORUS'99. — Novosibirsk, 1999 — pp. 692-695.