Високочастотний генератор нетермічної плазми атмосферного тиску

Реферат: Високочастотний генератор нетермічної плазми атмосферного тиску, який містить пласкі металічні низькопотенціальний і високопотенціальний електроди, першу діелектричну пластину, розміщену на одному з електродів, нижній кінець якої виступає за межі електродів, канали підводу робочих газів в розрядний проміжок між названими електродами, підкладку, яка розміщена навпроти відкритого торця названих електродів на рухомому металічному робочому столику, що з'єднаний з землею та вкритий другою діелектричною пластиною, при якому додатково містить третю діелектричну пластину таким чином, що перша діелектрична пластина розміщена на поверхні високопотенціального електрода, друга розміщена на поверхні металічного робочого столика, а третя розміщена на поверхні низькопотенціального електрода, нижній кінець першої та третьої діелектричних пластин виступає за межі металічних електродів, а напруга від джерела живлення до високопотенціального електрода подається через конденсатор, а до низькопотенціального - через ємнісний подільник напруги. UA 89911 U (54) ВИСОКОЧАСТОТНИЙ ГЕНЕРАТОР НЕТЕРМІЧНОЇ ПЛАЗМИ АТМОСФЕРНОГО ТИСКУ UA 89911 U UA 89911 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до високочастотної (ВЧ) плазмової техніки та призначений для генерації стабільного потоку нетермічної плазми при атмосферному тиску з великою площею поперечного перерізу, який можна використовувати для сухої очистки і знезараження поверхонь, в технологічних процесах нанесення і травлення матеріалів. Відомий ВЧ генератор нетермічної плазми атмосферного тиску [1], що містить коаксіальні циліндричні зовнішній металічний низькопотенціальний електрод і внутрішній металічний високопотенціальний електрод, ізолятор між названими електродами у вигляді пробки, розміщеної збоку одного торця електродів, канали підводу робочих газів в розрядний проміжок між названими електродами, підкладку, яка розміщена навпроти відкритого торця названих електродів, при цьому низькопотенціальний електрод з'єднаний з землею, а високопотенціальний електрод з'єднаний з ВЧ джерелом живлення. ВЧ напруга джерела живлення забезпечує виникнення та підтримання ВЧ розряду між електродами, і в цьому розряді генерується нетермічна плазма. Недоліком відомого ВЧ генератора нетермічної плазми атмосферного тиску є малий поперечний переріз плазмового потоку, обумовлений малими діаметром і шириною розрядного проміжку, які не перевищують декількох міліметрів для забезпечення прийнятної величини розрядної напруги, а малі розміри призводять до неоднорідної обробки підкладки. Другим недоліком є безпосередній контакт плазми ВЧ розряду з металічними електродами, що призводить до підвищення вірогідності виникнення дугового розряду в розрядному проміжку, розпилення електродів, забруднення матеріалами електродів плазмового потоку, ізолятору та оброблюваної підкладки і порушенню нормального режиму роботи ВЧ генератору плазми. Третім недоліком описаного генератора є мала концентрація активних плазмових часток (електронів, молекулярних і атомарних іонів та збуджених часток робочого газу) в плазмовому потоці біля підкладки через рекомбінацію на шляху від відкритого кінця плазмового генератора до підкладки і відсутність іонізації на цьому шляху. Відсутність іонізації в плазмовому потоці викликана малою різницею потенціалів між плазмою біля відкритого торця генератора та поверхнею підкладки. Малу різницю потенціалів можна пояснити тим, що оброблювана підкладка під час контакту з плазмовим потоком є ізольованим тілом і має плаваючий потенціал порядку середньої енергії електронів, тобто 1-2 В відносно плазми на виході з плазмового генератора. Відомий ВЧ генератор нетермічної плазми атмосферного тиску [3], що містить коаксіальні циліндричні зовнішній металічний низькопотенціальний електрод і внутрішній металічний високопотенціальний електрод, ізолятор між названими електродами у вигляді пробки, розміщеної збоку одного торця електродів, канали підводу робочих газів в розрядний проміжок між названими електродами, діелектричний циліндр, розміщений на внутрішній поверхні низькопотенціального електрода, а також підкладку, яка розміщена навпроти відкритого торця названих електродів, при цьому низькопотенціальний електрод з'єднаний з землею, а високопотенціальний електрод з'єднаний з ВЧ джерелом живлення. Наявність діелектричного циліндра на електроді призводить до зменшення вірогідності виникнення дугових розрядів, оскільки для підтримання він потребує прямої видимості та безперервного токового розрядного каналу між металічними електродами, а введений діелектричний циліндр створює діелектричний бар'єр, в той час, як для ВЧ розряду недугового типу діелектричний циліндр не є перешкодою. Недоліком відомого ВЧ генератора нетермічної плазми атмосферного тиску залишається малий поперечний переріз плазмового потоку. Другим недоліком відомого генератора плазми є контакт ВЧ розряду з металічним високопотенціальним електродом, а третім недоліком є те, що оброблювана підкладка знаходиться під малим плаваючим потенціалом 1-2 В. Малий поперечний переріз плазмового потоку призводить до неоднорідної обробки підкладки, контакт ВЧ розряду з металічним високопотенціальним електродом, призводить до розпилення останнього, а те, що оброблювана підкладка знаходиться під малим плаваючим потенціалом так само, як і у попереднього аналогу, призводить до зменшення концентрації активних часток в плазмовому потоці на шляху від відкритого торця до підкладки. Відомий ВЧ генератор нетермічної плазми атмосферного тиску [4], що містить пласкі металічні низькопотенціальний і високопотенціальний електроди, ізолятор між названими електродами у вигляді пробки, розміщеної збоку одного торця електродів, канали підводу робочих газів в розрядний проміжок між названими електродами, діелектричні пластини, які розміщені на внутрішній поверхні обох електродів, підкладку, яка розміщена навпроти відкритого торця названих електродів, при цьому низькопотенціальний електрод з'єднаний з землею, а високопотенціальний електрод з'єднаний з ВЧ джерелом живлення. 1 UA 89911 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Використання пласких електродів збільшило поперечний переріз плазмового потоку, зберігаючи довжину розрядного проміжку в декілька міліметрів, тому підтримання ємнісного розряду в такому генераторі не потребує підвищення амплітуди живлячої напруги. Недоліками відомого ВЧ генератора нетермічної плазми атмосферного тиску залишається те, що оброблювана підкладка знаходиться під плаваючим потенціалом в декілька вольт, що призводить до відсутності іонізації та зменшення концентрації активних часток в плазмовому потоці. Відомий ВЧ генератор нетермічної плазми атмосферного тиску [5], який взятий за найближчий аналог. Він містить пласкі металічні низькопотенціальний і високопотенціальний електроди, першу діелектричну пластину, яка розміщена на одному з електродів і виступає нижнім кінцем за межі електродів, канали підводу робочих газів в розрядний проміжок між названими електродами, підкладку, яка розміщена навпроти відкритого торця названих електродів на рухомому металічному робочому столику, вкритому другою діелектричною пластиною, при цьому низькопотенціальний електрод з'єднаний з землею, високопотенціальний електрод з'єднаний з ВЧ джерелом живлення, а металічний робочий столик з'єднаний з землею. Розміщення підкладки на заземленому робочому столику підвищує різницю потенціалів між плазмою ВЧ розряду і поверхнею підкладки та, відповідно, сприяє підвищенню напруженості електричного поля, іонізації газу і концентрації плазмових часток в плазмовому потоці, що виходить із відкритого торця між електродами. Проте заземлення одного із пласких електродів обмежує підвищення різниці потенціалів між плазмою ВЧ розряду та заземленим металевим робочим столиком і не сприяє достатньому підвищенню концентрації плазмових часток біля підкладки. Підвищення різниці потенціалів між плазмою ВЧ розряду і заземленим робочим столиком для збільшення концентрації плазмових часток за рахунок підвищення потенціалу високопотенціального електрода призводить до порушення нормального режиму роботи ВЧ розряду. Другим недоліком найближчого аналогу є контакт плазмових часток ВЧ розряду з одним із металічних електродів, не вкритого діелектриком, що призводить до розпилення останнього, забруднення плазмового потоку, поверхні діелектрику та підкладки частинками електрода. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалення ВЧ генератора нетермічної плазми при атмосферному тиску, який містить пласкі металічні низькопотенціальний і високопотенціальний електроди, першу діелектричну пластину, розміщену на одному з електродів, нижній кінець якої виступає за межі електродів, канали підводу робочих газів в розрядний проміжок між названими електродами, підкладку, яка розміщена навпроти відкритого торця названих електродів на рухомому металічному робочому столику, вкритому другою діелектричною пластиною та з'єднаного з землею. ВЧ генератор нетермічної плазми при атмосферному тиску удосконалюється шляхом того, що має три діелектричні пластини, одна з яких розміщена на внутрішній поверхні низькопотенціального електрода, друга - на рухомому металічному робочому столику, а третя на внутрішній поверхні високопотенціального електрода, причому нижній кінець першої та третьої пластини виступає за межі електродів, напруга від ВЧ джерела живлення до низькопотенціального електрода подається через ємнісний подільник напруги, а до високопотенціального - через послідовно ввімкнену ємність. Розміщення діелектричних пластин на обох електродах перешкоджає розпиленню металевих електродів, забрудненню плазмового потоку, поверхні діелектричних пластин та оброблюваної підкладки частинками електродів. Подача напруги від ВЧ джерела живлення до низькопотенціального електрода через ємнісний подільник напруги, а до високопотенціального через послідовно ввімкнений конденсатор підвищує напруженість електричного поля між плазмою ємнісного ВЧ розряду та заземленим металічним робочим столиком. Таким чином між електродами та предметним столиком утворюється підвищена напруженість електричного поля. Відомо, що основним шляхом генерації активних часток в газовому розряді та в потоці біля оброблюваної підкладки є зіткнення електронів з молекулами робочого газу, в якому енергія електронів грає ключову роль, а вона в свою чергу залежить від локальної напруженості електричного поля в плазмовому потоці. Для підвищення напруженості електричного поля в плазмовому потоці в просторі між відкритим торцем електродної системи та заземленої підкладки напруга від ВЧ джерела живлення подається до високопотенціального електрода через послідовно ввімкнений конденсатор, а до низькопотенціального електрода через ємнісний подільник напруги. В порівнянні з найближчим аналогом така схема живлення підвищує напруженість електричного поля в плазмовому потоці за рахунок значного підвищення потенціалу низькопотенціального електрода. 2 UA 89911 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Подача напруги від джерела живлення до електродів через послідовно ввімкнений конденсатор та ємнісний подільник напруги також дає можливість окремо змінювати напруженість поля між високопотенціальним і низкопотенціальним електродами та між плазмою ємнісного ВЧ розряду та заземленим металевим робочим столиком, що дозволяє окремо встановлювати режим горіння ємнісного ВЧ розряду між електродами і напруженість поля в плазмовому потоці, а це дає можливість створювати оптимальні умови для генерації плазмового потоку. Суть корисної моделі пояснюється кресленням, де зображено вигляд збоку генератора плазмового потоку при атмосферному тиску на основі ємнісного ВЧ розряду. ВЧ генератор потоку нетермічної плазми атмосферного тиску на основі ємнісного ВЧ розряду містить: пласкі металеві високопотенціальний 1 та низькопотенціальний 2 електроди; дві діелектричні пластини 3, розміщені на поверхні електродів 1 і 2; нижній кінець діелектричних пластин виступає за межі електродів; металевий рухомий робочий столик 4, з'єднаний з землею і вкритий діелектричною пластиною 5; конденсатор 6, що з'єднує ВЧ джерело живлення 7 з високопотенціальним електродом 1; ємнісний подільник напруги, утворений конденсаторами 8, 9, його середня точка з'єднана з низькопотенціальним електродом 2; канали підводу робочих газів від балона 10; діелектричний ізолятор у вигляді пробки, який розміщений з боку верхнього торця електродів (ізолятор на кресленні не вказаний); ВЧ джерело живлення 7 може складатися з послідовно з'єднаного ВЧ генератора і узгоджувального пристрою. Діелектричні пластини 3 виготовляються з неорганічних термостійких діелектриків - кераміки (наприклад, полікору) або скла. Матеріал електродів - метали чи металеві сплави, наприклад 2 мідь. Типові лінійні розміри електродів: (20-200)(20-200) мм , товщина діелектричних пластин, що розміщені на поверхні електродів - 1 мм. Ширина розрядного проміжку між діелектричними пластинами 3 порядку 1 мм. Номінал ємностей конденсаторів 6, 8, 9 слід вибирати таким чином, щоб на робочій частоті їх ємнісний опір не перевищував декількох кілоом. ВЧ генератор нетермічної плазми працює наступним чином. ВЧ напруга амплітудою поряду 0.1-2 кВ подається від джерела живлення 7 до високопотенціального електрода 1 через конденсатор 6, а до низькопотенціального - через ємнісний подільник напруги, утворений конденсаторами 8, 9. Величина напруги між електродами повинна бути достатньою для виникнення та підтримання ВЧ ємнісного розряду в міжелектродному проміжку. Ця напруга визначається вихідною напругою джерела живлення 7 та співвідношеннями ємностей конденсаторів 6, 8, 9. Після виникнення ємнісного розряду величина робочої напруги між електродами встановлювалася конденсатором 8, а струм ВЧ розряду ємністю конденсатора 6. Співвідношення ємностей конденсаторів 8, 9 визначає різницю потенціалів між робочим столиком та плазмою ВЧ ємнісного розряду між електродами 1 і 2. В типовому режимі ємності конденсаторів 6, 8, 9 вибираються такими, щоб на робочій частоті їх ємнісний опір не перевищував одиниць кілоом. Завдяки описаній схемі подачі ВЧ напруги на електроди відносно заземленого металічного робочого столика є можливість незалежно встановлювати напруженість електричного поля та струм між електродами і напруженість електричного поля між плазмою ВЧ розряду і електродами та робочим столиком. Це дає можливість створювати оптимальні умови для генерації плазмового потоку та впливати на параметри плазмової обробки виробів, що розміщуються на робочому столику. Наявність діелектричних пластин на поверхні електродів ВЧ розряду та металевого предметного столика перешкоджає розпиленню електродів та робочого столика, забрудненню їх матеріалами плазмового потоку, ізолятору та оброблюваної підкладки і порушенню нормального режиму роботи ВЧ генератору плазми. Був виготовлений експериментальний зразок заявленого ВЧ генератора плазми атмосферного тиску та проведено його випробування з використанням аргону як робочого газу. Виготовлений експериментальний зразок складався з: пласких мідних високопотенціального та низькопотенціального електродів площею 5040 2 мм ; двох діелектричних полікорових пластин, розміщених на поверхні електродів площею 6050 мм, товщиною 1 мм, нижній кінець яких виступав за межі металічних електродів; 3 UA 89911 U 5 10 15 20 25 30 металевого рухомого робочого столика, що з'єднувався з землею і був вкритий скляною 2 діелектричною пластиною товщиною 1 мм, площею 5590 мм ; конденсатора ємністю 22 пФ, що з'єднує ВЧ джерело живлення з високопотенціальним електродом; ємнісного подільника напруги, утвореного конденсатором номіналом 22 пФ та конденсатором номіналом 18 пФ. Конденсатор номіналом 22 пФ з'єднує ВЧ джерело живлення з низькопотенціальним електродом, а конденсатор номіналом 18 пФ одним кінцем з'єднаний з низькопотенціальним електродом, а іншим з землею; системи подачі газу та балон 10 з робочим газом; як робочий газ використовувався аргон; діелектричного ізолятора у вигляді пробки, який розміщувався збоку верхнього торця електродів; частота ВЧ джерела живлення 13,56 МГц. Стабільна генерація плазмового потоку підтримувалася в діапазоні амплітуд вихідної напруги ВЧ джерела живлення від 700 до 1800 В та в діапазоні швидкостей газового потоку від 1 до 12 л/хв протягом 30 хвилинної роботи. Як підкладка використовувалася скляна пластинка 2 товщиною 1 мм з площею оброблюваної поверхні 5565 мм . Під час випробування робочий столик разом з закріпленою на ньому підкладкою циклічно пересувався в горизонтальній площині зі швидкістю 3 мм/с. В процесі випробування спостерігалося однорідне горіння плазмового потоку по всій довжині відкритого торця діелектричних пластин. Виникнення дугових розрядів і припинення генерації плазмового потоку помічено не було. Довжина плазмового потоку варіювалася від 2 до 5 мм, в залежності від величини вхідної напруги. Аналіз обробленої скляної пластини показав відсутність матеріалу електродів на її поверхні. Джерела інформації: 1. Schutze A., Jeong J.Y., Babayan S.E., Park J., Selwyn G.S., Hicks R.F. The AtmosphericPressure Plasma Jet: A Review and Comparison to Other Plasma Sources// IEEE Trans. Plasma Sci. - 1998. - Vol. 26, no. 6. - P. 1685-1695. 2. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. - Долгопрудный: Издательский Дом "Интелект", 2009. - 736 с. 3. Патент США № 5198724. 4. Патент Кореї № 20030080741 А. 5. Патент Кореї № 20030096555 А. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 45 Високочастотний генератор нетермічної плазми атмосферного тиску, який містить пласкі металічні низькопотенціальний і високопотенціальний електроди, першу діелектричну пластину, розміщену на одному з електродів, нижній кінець якої виступає за межі електродів, канали підводу робочих газів в розрядний проміжок між названими електродами, підкладку, яка розміщена навпроти відкритого торця названих електродів на рухомому металічному робочому столику, що з'єднаний з землею та вкритий другою діелектричною пластиною, який відрізняється тим, що додатково містить третю діелектричну пластину таким чином, що перша діелектрична пластина розміщена на поверхні високопотенціального електрода, друга розміщена на поверхні металічного робочого столика, а третя розміщена на поверхні низькопотенціального електрода, нижній кінець першої та третьої діелектричних пластин виступає за межі металічних електродів, а напруга від джерела живлення до високопотенціального електрода подається через конденсатор, а до низькопотенціального через ємнісний подільник напруги. 4 UA 89911 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5