Волновод, как и корпус плазмотрона, охлаждается водой. Подвижный боковой фланец имеет возможность перемещения до 15 мм.
Для дополнительной настройки на резонансную частоту в боковом фланце имеются отверстия, в которые могут быть введены кварцевые стержни.
Рис. 15. Конструкция СВЧ-плазмотрона
При разработке конструкции резонатора, сильно нагруженного плазмой, возникает ряд вопросов по связи такого резонатора с генератором СВЧ-энергии и по возможности введения в его конструкцию регулирующих элементов, обеспечивающих режим критической связи.
Критической называется такая связь резонатора с генератором, когда вся доступная мощность генератора передается в резонатор без потерь и отражений. В сильно нагруженном плазмой резонаторе все потери определяются плазмой, и такой резонатор становится согласованной плазменной нагрузкой. Критическая связь резонатора с генератором желательна по двум причинам. Как уже отмечалось, в этом случае отсутствует отражение мощности от резонатора. Вторая причина особенно важна с точки зрения анализа результатов. Любые отражения мощности или ее потери в согласующих устройствах существенно затрудняют измерение реального уровня мощности, поступающей в резонатор с плазмой, что может сделать недостоверными сравнительные результаты. Кроме того, использование в волноводном тракте согласующих устройств ведет к возникновению стоячей волны между отражающим элементом и согласующим, что может вызвать пробои на высоком уровне мощности и увеличит потери в тракте.
С этой точки зрения желательно все согласующие элементы разместить непосредственно в резонаторе.
Процедура настройки резонатора включает два момента: настройку резонатора на рабочую резонансную частоту СВЧ генератора и согласование волнового сопротивления резонатора с волновым сопротивлением линии. При этом должна учитываться расстройка резонатора, вызываемая плазмой, а согласующие устройства должны перекрывать своим диапазоном величину этой расстройки.
Для оценки величины расстройки резонансной частоты резонатора решалась задача о собственных колебаниях цилиндрического резонатора, частично заполненного плазмой, методом, предложенным Левиным Н.Л. [48]. Сущность метода сводится к построению решения уравнения Максвелла для тороидальной части резонатора и удовлетворяющее граничным условиям на ее стенках. В кольцевом разрезе вдоль внутреннего экватора тороида это поле должно сомкнуться с полем в пространстве между двумя круглыми пластинами.
В итоге было получено основное дисперсионное уравнение для рассматриваемого резонатора, решение которого дало выражение:
,
связывающее размеры резонатора с волновым числом к, откуда задавшись диаметрами резонатора, можно определить его длину. Здесь a - диаметр внутренних цилиндров, b - диаметр корпуса резонатора, 2d - зазор между внутренними цилиндрами, l - длина резонатора.
Дисперсионное уравнение для резонатора с плазмой записывается в виде:
откуда ,
где о - частота колебаний резонатора без плазмы, pe- частота соударений электронов.
Для реальных размеров резонатора ТЕ111 и для типичных параметров разряда (Р = 10тор, ТN = 1200оС, pe = 5,6·109с-1) имеем:
Т.е. плазма в резонаторе расстраивает его на 3,6 %.
В соответствии с этим были разработаны элементы согласования резонатора с диапазоном настройки не менее 5%. Входное сопротивление резонатора согласовывалось четвертьволновым трансформатором с изменяемой величиной е среды, а настройка резонатора с плазмой проводилась введением во внутренний объем диэлектрических стержней определенной геометрии.
Расчет геометрии плазмотрона выполнялся по обычной методике расчета объемного резонатора, заполненного воздухом (), для учета влияния плазмы резонансная частота была завышена на 5%.
При расчете плазмотрона учитывалось наличие металлических экранных трубок и замкнутого плазмой зазора между ними в центре на оси резонатора.
Руководствуясь изложенными выше соображениями, была разработана рабочая конструкция технологического СВЧ плазмотрона резонаторного типа на волне ТЕ111, предназначенного для работы в печи с температурой до 2130оС. Тепловой режим плазмотрона обеспечивался охлаждением корпуса водой и применением теплозащитных покрытий.
Испытания плазмотрона показали, что СВЧ-разряд в опорной трубке малочувствителен к несоосности трубки и плазмотрона, локальность плазмы обеспечивается экранирующими вставками, введенными с боков, благодаря чему разряд горит в центре резонатора. Максимальный энерговклад обеспечен электродинамикой выбранного вида колебаний, обеспечивающей максимальное значение плотности потока мощности на оси резонатора в нагруженном режиме. Общий вид СВЧ плазмохимической установки (станка) с СВЧ плазмотроном Н111 (ТЕ111) показан на рис. 17, 18.
Конструкция резонатора ТЕ111 (Н111) позволяет реализовать возбуждение не только видов колебаний Н111 или Е010 в отдельности, но и одновременное возбуждение видов колебаний ТЕ111 и ТМ010 (Е010). При этом резонансные частоты данных видов колебаний совпадают, а структуры электромагнитных полей разные (рис. 16) [44].
Известно, что резонансная длина волны ло при виде колебаний Н111 определяется диаметром D (радиусом R) и длиной резонатора ?.
Для резонаторов с отношением низшим видом колебаний будет вид Н111, для соотношения создаются колебания вида Е010. При значения резонансных частот этих видов (Е010 и Н111) совпадают, хотя структуры полей разные. Такая суммарная комбинация электромагнитных полей более эффективна для взаимодействия с плазмой и равномерного и эффективного осаждения слоев кварцевого стекла, в том числе легированного фтором, азотом и другими элементами [22].
Последовательность осуществления резонансного режима работы СВЧ плазмотрона Н111 поясняется на рис. 16.
В резонаторе 2 устанавливается соосно оси резонатора толстостенная (8-10 мм и более) кварцевая или фторсиликатная труба 4 и от источника СВЧ энергии 1 возбуждаются в резонаторе колебания вида ТМ010 и ТЕ111 с одновременным совмещением резонансных частот, но с различным распределением электромагнитных полей, присущим этим видам колебаний [22]. При пониженном давлении (1-20 торр) в кварцевой трубе, создаваемом вакуумной системой 8, формируется локальная зона плазмы резонансного СВЧ-разряда пониженного давления 5. Резонансный режим работы такой конструкции резонаторного СВЧ плазмотрона обеспечивается предварительной настройкой резонатора с помощью перемещаемых металлических экранирующих цилиндров 3 (емкостная настройка), перемещением короткозамыкающих поршней 6 (индуктивная настройка), а также электронной перестройкой частоты задающего генератора в случае использования в качестве источника СВЧ энергии мощного транзисторного усилителя [18, 49].
На рис. 17 представлен общий вид станка в положении с поднятой печью. Видны: опорная труба, плазмотрон Н111, СВЧ-система на подвижной каретке.
Рис. 17. Общий вид СВЧ плазмотрона Н111 в положении с поднятой печью на СВЧ плазмохимической установке
На рисунке 18 крупным планом показаны плазмотрон, опорная трубка и СВЧ-система.
Рис. 18. Вид на СВЧ-плазмотрон и СВЧ-систему
Резонаторный СВЧ плазмотрон на виде колебаний Е020
Плазмотрон на волне ТМ02 разработан в качестве альтернативы описанному ранее на волне ТЕ11. В его конструкции предпринята попытка решить задачу равномерного по азимуту возбуждения разряда в кварцевой трубе Ф 40-45 мм, на оси которой расположен кварцевый стержень Ф 20 мм и более [16, 17].
Для решения задачи выбран азимутально-симметричный тип волны, имеющий максимум электрического поля на оси резонатора, однако максимальные значения вектора Пойнтинга z не совпадают с осью резонатора, а реализуются на промежуточном радиусе.
Наличие точки на радиусе резонатора Е020 делит его пространство на две области - внешнего кольцевого и внутреннего цилиндрического резонаторов, которые могут быть возбуждены как вместе, так и по отдельности. На этом основано предположение о возможности достижения равномерного по азимуту подвода энергии к разряду при одностороннем возбуждении резонатора. Для этого необходимо на окружности установить проводящую перегородку с окнами связи, равномерно распределяющими энергию, подводимую к центральной области резонатора от возбуждаемой волноводом периферийной кольцевой области. Кольцевая проводящая перегородка должна также препятствовать возбуждению нежелательных ТЕ-типов волн.
Волна ТМ02 является волной высшего типа в цилиндрическом волноводе. Последовательность ее возбуждения при f = const и увеличении R волновода выражается следующим рядом: ТЕ11 - ТМ01 - ТЕ21 - - ТЕ31 - ТМ21 - ТЕ41 - ТЕ21 - ТМ02 - ТМ31 …
Для резонаторов электрического типа ТМmnp равенство индекса означает, что резонансная частота зависит только от диэлектрика, заполняющего резонатор, и его радиуса.
Плазмотрон на волне ТМ02 является именно такого типа резонатором на виде колебаний Е020, центральная часть которого заполнена сложной слоистой диэлектрической системой со значениями е, различающимися как величиной, так и знаком ( кварцевого стекла = 3,8, воздуха = 1, плазмы - отрицательная величина, зависящая от параметров плазмы). Поэтому его расчет носит ориентирующий характер, помогающий определить минимальные значения диаметра резонатора. При этом размеры периферийного кольцевого резонатора считаются достаточно точно, потому что в этой области отсутствуют диэлектрики с . Центральная область резонатора должна иметь несколько уменьшенные размеры, поскольку подстройка резонансной частоты укорачивающей емкостью сдвигает ее в длинноволновую сторону, как бы увеличивая электрический диаметр резонатора. В эту же сторону сдвигает резонансную частоту внесение в резонатор кварцевого стекла [43-48].
Условием существования в резонаторе ТМ020, согласно приведенной последовательности возбуждения высших типов волн в цилиндрическом волноводе, является условие
Для указанных типов волн существуют следующие зависимости критической длины волны от радиуса волновода:
Условия возбуждения можно представить в виде
Откуда получаем: , поскольку для
Таким образом, внутренний диаметр резонатора должен удовлетворять условию
Нами был выбран при работе на макете резонатора внутренний диаметр D = 214 мм.
При этом значение радиуса, на котором обращается в ноль, .
Длина резонатора ТМ020 не влияет на его резонансные свойства. Мы выбрали , исходя из того, чтобы иметь запас длины для размещения укорачивающей емкости и обеспечения объема резонатора, накапливающего энергию.
Конструктивно плазмотрон выполнен в виде цилиндрического корпуса, охлаждаемого водой. С одной стороны в боковой стенке плазмотрона имеется фланец, позволяющий вводить внутрь плазмотрона устройство связи периферийной кольцевой области с центральной, а с противоположной стороны по оси вводится металлический цилиндр диаметром 60 мм, являющийся устройством подстройки типа «укорачивающая емкость».
Плазмотрон возбуждается прямоугольным волноводом стандартного сечения 90 х 45, между плазмотроном и волноводом помещен согласующий четвертьволновый трансформатор в виде прямоугольного волновода с внутренними размерами 86,36 х 12 мм.
Кварцевая трубка с размещенным внутри нее кварцевым стержнем располагается соосно с плазмотроном.
На боковых стенках плазмотрона, соосно с трубкой, расположены металлические цилиндры с графитовыми вставками, которые служат для защиты персонала от облучения.
Принципиальные схемы установки и СВЧ плазмотрона Е020 представлены на рис. 19, 20, 21 [16,17].
Они устроены и работают следующим образом (применительно к процессу изготовления заготовок).
Сначала кварцевый стержень может подвергаться химическому травлению, мойке сушке и процессу термической полировки СВЧ плазменной горелкой. Термической обработке подлежит и кварцевая трубка-реактор из технического стекла для устранения органических и неорганических загрязнений.
Рис. 19. Схема СВЧ - плазмотрона типа E020
Рис. 20. СВЧ плазматрон Е020 в печи в процессе перемещения
Рис. 21. Схема процесса СВЧ плазмохимического осажденияотражающей фторсиликатной оболочки на боковую поверхность кварцевого стержня и устройства резонаторного СВЧ плазмотрона на виде колебаний Е020
После чего кварцевую трубку-реактор 2 (рис. 21) и соосно с ней кварцевый стержень 1 устанавливают в СВЧ резонатор типа Е020 4 (рис. 19, 20) в вакуумные зажимные патроны. Предусмотрено вращение стержня для более равномерного на него осаждения отражающей фторсиликатной оболочки. Затем СВЧ резонатор с кварцевым реактором и стержнем помещают в печь 9 (рис. 20) и нагревают стержень до температуры 1150-1200оС для дегазации хлора из осаждаемых на него слоев SiO2-F, чтобы избежать их растрескивания. СВЧ энергия от генератора СВЧ электромагнитных колебаний через волновод 8 поступает в резонатор 4 и при пониженном давлении (1-3торр) рабочего газа-кислорода 10 зажигается СВЧ плазма 3 в реакторе вокруг стержня (рис. 21). Включается система перемещения резонатора с плазмой, и он начинает возвратно-поступательно перемещаться относительно стержня со скоростью 2-2,5 м/мин. и более.