Плазменная СВЧ-энергетика для перспективных технологических процессов

Использование СВЧ-энергии возможно не только для нагревания, высушивания или спекания, но также и для получения СВЧ-плазмы, применяемой в новых технологических процессах, активно развивающихся в последнее время. К таким направлениям относятся:

  • получение водорода;
  • получение оксидов и нитридов высокочистых материалов;
  • плазмохимическая переработка углей, их пиролиз и газификация;
  • космическая энергетика (имитация вхождения ракет в атмосферу Земли).

К особенностям СВЧ-плазмы относятся ее высокая чистота, которая не может быть получена с помощью обычных плазмотронов, более эффективный вклад энергии в СВЧ-плазму, получение плотной плазмы высокой температуры в небольших объемах. Эти факторы служат подтверждением перспективности развития СВЧ-энергетики в будущем.

СВЧ-плазмотроны

Технические приемы, используемые для получения СВЧ-плазмы, работают на СВЧ-диапазонах и кардинально отличаются от применяемых на других частотах. Это обусловлено тем, что длина волны соизмеряется с размерами устройства, а для конструирования применяются системы с распределенными  параметрами, такие как волноводы, резонаторы и другие. Плазма создается при давлении от 10-3 Торр до атмосферного, средняя мощность используемых генераторов варьируется в диапазоне от нескольких единиц ватт до нескольких сотен киловатт, что ограничивается возможностями надежного получения СВЧ-энергии). Концентрация электронов в плазме обычно велика и превышает критическую концентрацию, определяемую частотой поля. В промышленном применении разрешенными являются частоты 460 МГц, 915 МГц, 2.45 ГГц.

Конструкторские особенности генератора плазмы

Основной элемент генератора плазмы – это устройство, которое позволяет вводить электромагнитную энергию в разрядный объем. С его помощью определяется структура электромагнитного поля, энергетическая эффективность, широкополосность (влияние частоты на свойства плазмы), уровень максимальной и минимальной мощности. Достоинством СВЧ-диапазона является возможность создавать конструкции для получения плазмы с достаточно широким спектром характеристик. Конструкции, работающие в СВЧ-диапазоне, условно можно разделить на группы, соответствующие заложенным в основу их работы принципам:

  • генераторы плазмы, основанные на передающих линиях СВЧ;
  • плазмогенераторы на основе резонаторов СВЧ;
  • плазмогенераторы с применением замедляющих структур;
  • генераторы с распределенным в пространстве вводом энергии в плазму;
  • генераторы плазмы в волновых пучках;
  • генераторы плазмы с инициированными СВЧ-разрядами;
  • генераторы плазмы в СВЧ-системах с внешними магнитными полями;
  • генераторы плазмы с применением комбинаций полей СВЧ-диапазона и других частот.

Генерация плазмы с помощью СВЧ полей

Наиболее простыми являются СВЧ-плазмогенераторы, работающие на  передающих линиях СВЧ-диапазона. В них подведение электромагнитной энергии осуществляется посредством прямоугольных, цилиндрических волноводов, представляющих собой медные трубы с прямоугольным или круглым сечением, размеры которых зависят от длины волны, или коаксиальными линиями. Газ проводится по диэлектрическим разрядным кварцевым или керамическим трубкам, помещенным в передающие линии.

Одними из первых устройств для генерации СВЧ-плазмы стали резонаторные системы. Подобно волноводным системам, в резонаторных плазма генерируется в трубках, расположенных в резонаторных камерах различных конструкций. Они могут иметь призматическую форму, цилиндрическую, открытую, а также бывают резонаторы на радиальных линиях. Объем плазмы получается примерно одинаковый.

Устройства этих двух групп относятся к плазмогенераторам с «локализованной разрядной зоной», то есть получение плазмы происходит внутри узла связи передающей линии с газом. Это ограничивает объемы получаемой плазмы, поэтому стоит задача по его увеличению.

Решение задачи по увеличению объема плазмы в СВЧ генераторах

Решается эта проблема в разрядах, создаваемых распространяющимися волнами. К таким волнам относятся поверхностные. В них распространение энергии происходит вдоль границы двух сред и не излучается по нормали к ней. В качестве такой границы может выступать стенка разрядной трубки, а генератор поверхностной волны – сурфатрон – должен создавать электромагнитную волну, вектор электрического поля которой направлен вдоль трубки. Одним из характерных признаков поверхностной волны является экспоненциальный спад напряженности вдоль нормали к поверхности.

Устройства с разным вводом СВЧ-мощности имеют внешнее сходство с резонансными, но в отличие от них являются широкополосными и могут работать на частоте от нескольких мегагерц до частот СВЧ-диапазона. Разряд представляет собой столб плазмы в трубке, выходящей за пределы конструкции на расстояние свыше 1 м, что существенно увеличивает объем плазмы. Рабочее давление таких устройств – от пониженного до атмосферного.

Чтобы увеличить объем плазмы, можно также использовать замедляющие системы. Это устройства с периодической структурой, в которых замедляется фазовая скорость электромагнитной волны. Такая структура окружена полем большого объема, в которое помещается трубка. Подобные плазмогенераторы называют «генераторами микроволновой плазмы больших объемов». Большие объемы СВЧ-плазмы могут быть получены и в системах с распределенным в пространстве вводом электромагнитной энергии. Настройка элементов связи позволяет получить однородную плазму.

Безэлектродные разряды

СВЧ-энергетика предлагает уникальные возможности, особенно ярко проявляющиеся при получении плазмы в волновых пучках. Это позволяет генерировать неограниченный стенками объем плазмы в атмосфере Земли (свободно локализованные разряды). Энергия канализируется волновыми пучками, и в области максимального поля возникает СВЧ разряд.

Генераторы плазмы, рассмотренные выше, позволяют создавать безэлектродные разряды, используя возможности высоких и сверхвысоких частот. Важность этого процесса заключается в том, что созданная таким способом плазма не загрязнена продуктами эрозии электродов.

Свойства плазмы, сгенерированной инициированными разрядами, в настоящее время малоизученны.

Инициированные разряды – это разряды, для создания которых при заданном уровне СВЧ-мощности необходим инициатор, в качестве которого могут выступать дополнительные электроды, твердые частицы в плазме, ионизующие излучения и другие. Особенность этой группы состоит в том, что для поддержания разряда здесь используется малая мощность. Механизм горения разряда малоизвестен и в данный момент изучается.

Самостоятельные и несамостоятельные разряды

Чтобы поддерживать разряд, можно использовать электронные пучки и ультрафиолетовое излучение. Несамостоятельные разряды, в отличие от самостоятельных, поддерживаются передачей энергии электронам от поля независимо. С технологической точки зрения такие системы более гибки, так как имеют возможность выбора оптимальных значений электрического поля без изменений условий существования разряда.

Такой метод дает возможность получать неравновесные разряды при давлении до нескольких атмосфер. Режим работы систем может быть импульсным и стационарным.

Разряды в магнитных полях представляют особый интерес. Все рассмотренные системы могут быть помещены в магнитное поле, служащее:

  • для защиты стенок и диэлектрических окон от воздействия плазмы;
  • для сокращения потерь заряженных частиц на стенках, ведущих к уменьшению электрического поля, необходимого для поддержания разряда;
  • для транспортировки плазмы в выделенном направлении (например, к обрабатываемому образцу);
  • для стабилизации разряда;
  • для уменьшения эрозии электродов посредством перемещения места привязки разряда к электроду.

Наиболее широко применяются разряды в режиме электронно-циклотронного резонанса, которые горят при давлении меньше 10-3 Торр.

Наши контакты

Раб. тел/факс: (812) 493-20-71
Электронная почта: info@vritm.ru
Открыть контакты и реквизиты компании