Полезная электроника

 

Представляю вашему вниманию фрагмент из статьи "Метод вакуумно-дугового осаживания при синтезе наноструктурных покрытий", посвященный ударной накачке колебательного контура. Статья, на мой взгляд, интересна и будет полезна Тесластроителям..

Известно, что ВЧ генераторы, содержащие индуктивность L и емкость С имеют резонансную частоту

При этом более точная резонансная частота определяется выражением

где R₁, R₂ - сопротивления в цепи индуктивности и емкостициклическая частота или

На рис. 1 изображена схема высокочастотного контура, являющегося принципиальной составляющей ударного ВЧ генератора. Если заряженный конденсатор включить на индуктивность, возникнет колебательный процесс - переход электрической энергии конденсатора

в магнитную энергию индуктивности

При наличии потерь в контуре колебания затухают (рис. 2). Время затухания определяется добротностью

,где R - последовательно включенное сопротивление, эквивалентное параллельное сопротивление выражается формулой

Ключом (коммутатором) может быть полупроводниковый прибор, тиристор и т. п.

Однако при работе с большим напряжением и большой емкостью (большим током), простым и надежным коммутатором может служить специальный разрядник.

Искровое сопротивление разрядника по Теплеру определяется формулой

где k = 0,8 x 10^-3 для воздуха, l_[см] – пробойный промежуток,– [A x сек] = кулон. Используя зависимость напряжения пробоя U от зазора , формулу Теплера можно упростить

Для периодического (колебательного) разряда также необходимо, чтобы

(для апериодического разряда ), где R_H – внесенное в контур сопротивление нагрузки и R_F. Тогда, при внесенном сопротилении только разрядника R_F имеем

т. е. зависимость наблюдается только от частоты ω0.
Рассматривая апериодический режим при Q₀ ≤ 0,5, т. е. ω₀ ≤ 8x10⁷, частоту колебаний

Чтобы контур "звенел" с добротностью Q₀ необходимо работать на частоте

при этом Q₀ определяет число колебаний "звона" –

(при спаде амплитуды в l раз N = Q₀).

Коммутатор – разрядник с хорошими параметрами, обеспечивающими коммутацию и регулировку больших напряжений и токов,стабильность срабатывания – был разработан, изготовлен и опробован. Схема разрядника представлена на рис. 3.

 

Разряд начинается на алюминиевых кольцах и перемещается (пингируясь) на медные электроды с хорошей теплопроводностью. Импульсные ("звенящие") ВЧ генераторы могут работать как на повышение, так и на понижение выходного напряжения (см. рис. 4а, б).

Генератор может работать без выпрямителя - от напряжения с частотой  f = 50 - 100 Гц

Частота повторения может быть высокой, вплоть до F ~ 100 кГц, ее необходимо согласовать с f₀ и длительностью "звона".

Изготовлен и испытан ВЧ генератор (рис. 6) на f₀= 300 кГц L = 5 мкГ;

U₀=10 кВ; t_имп= 30 мкс. Запасенная энергия конденсатором

Импульсная мощность
При апериодическом разряде и

При частоте повторения F ≤ 3,0 кГц (Т ~ 330 мкс) средняя мощность составляла р = w x F = 2,5 x3,0 x 10³ = 7,5 кВт. Ток в разрядном контуре
При этом или при зарядке с помощью L_зар, имеем

Полоса частот, излучаемых "звенящим" контуром изображена на рис. 7.

При этом необходимо учитывать, что при работе без выпрямителя частота повторения импульсов F зависит от амплитуды сетевого (В/в) напряжения (см. рис. 8).

При нагрузке ВЧ генератора на антенну, создающую плазму, возможны два варианта включения (рис. 9): 1) с открытым (присутствует омическая цепь антенна - земля) и 2) с закрытым входом - антенна отделена от "земли" конденсатором.

Заряженные частицы плазмы в электрическом ВЧ поле антенны Е приобретают скорость

,где е - заряд частицы, m - масса частицы, - циклическая частота генератора.
Пробег заряженных частиц в поле Е при частоте будет

При выборе E и f₀ такими, при которых пробег электрона будет несколько сантиметров, в то время как ионы, практически "неподвижны", происходит детектирование ВЧ напряжения антенны плазмой. При закрытом входе антенна заряжается отрицательно, а при открытом входе электроны уходят из зоны проникновения поля антенны (без внешнего магнитного поля это зона

, где C - скорость света,

электронная частота, n - плотность плазмы (см. рис. 10)). Образуется положительная потенциальная яма, в которой ионы приобретают энергию направленного движения и бомбардируют или антенну (при закрытом входе) или внутреннюю поверхность вакуумной камеры (и все, что в нее помещено). Происходит эффективная чистка поверхностей антенны, камеры и прочее. Управлять энергией ионов (потенциальной ямы) можно отводя часть зарядов с антенны подключив сопротивление. При необходимости энергию ионов можно увеличить до сотен вольт и выше, при этом будет происходить распыление материалов.

 

Генераторы с ударным контуром рассчитаны на работу в режиме "короткого замыкания", т.е. в режиме с низким выходным напряжением и большим выходным током. Однако для поддержания ВЧ разряда необходимо высокое напряжение, которое имеет тенденцию к возрастанию с увеличением поглощаемой ВЧ мощности в разряде. Принцип работы ВЧ генератора основан на возбуждении затухающих автоколебаний в цепи резонансного контура после пробоя разрядника. Расчет показал, что при разряде

емкости С = 60 x 10³пф сопротивление разрядника составляет R= 0,4 Ом. Недостатком является шум при работе, яркое свечение, при высоких напряжениях - мягкое рентгеновское излучение.

Оценка средней выходной ВЧ мощности генератора Р_ср и выходной мощности в импульсе Pимп проводилась по формулам:

, где С - полная емкость резонансного контура; U₂; U_l — напряжения на емкости колебательного контура в момент срабатывания разрядника и в момент погасания ВЧ напряжения соответственно; t_имп— длительность импульса

Произведенная оценка P _ср и P _имп показала, что средняя мощность ВЧ генератора соизмерима с мощностью дуги в установках "Булат", однако мощность в импульсе может достигать 60 кВт при длительности 10 мкс.

С целью оценить вклад ВЧ мощности в процесс осаждения покрытий ВЧ напряжение подавалось на подложку. Эксперименты проводились при рабочем давлении 1 Па, рабочий газ - азот. При подаче ВЧ напряжения от импульсного генератора с частотой 10 КГц на подложку через разделительную емкость в рабочей камере создавалась плазма, поддерживаемая средней ВЧ мощностью 12,5 кВт. Величина отрицательного автосмещения потенциала на подложке, благодаря ВЧ диодному эффекту, составляла 2 кВ в начале импульса (после срабатывания разрядника) и снижалась до 300 В в конце импульса (перед срабатыванием разрядника).

 

Смотрите также:
Физика высоковольтного разряда

Джоулево тепло во вторичной спирали Тесла-трансформатора с ударным возбуждением