Устройство для плазмохимической обработки электронных приборов

Предлагаемое изобретение относится к вакуумной технологии и может быть использовано в производстве твердотельных, вакуумных и газоразрядных приборов, а также для накачки газоразрядных лазеров.

Известно устройство для плазмохимической обработки электронных приборов (а.с. СССР №411553, Н 05 В 9/00, опубл. 24.04.72), содержащее источник ВЧ-энергии и неоднородный нагрузочный волновой тракт (анодную линию), состоящий из последовательно расположенных камерных реакторов, состоящих из цельного металлического цилиндра, разделенного диафрагмами, и нагрузочно-транспортный канал из диэлектрической трубы с малыми потерями для перемещения обрабатываемого материала.

Однако указанное устройство обладает следующими недостатками: существуют дальняя и ближняя перекрестные электродинамические связи между модулями-реакторами, т.е. неизбежны их взаимные влияния; для обеспечения непрерывности и технологической адекватности обрабатываемого продукта требуется обеспечить временную стабильность подачи и транспортировки количества обрабатываемого продукта, что значительно усложняет ведение процесса.

Кроме того, известно устройство для плазмохимической обработки электронных приборов (а.с. СССР №1778817, Н 05 В 9/00, опубл. 01.08.92), являющееся прототипом предлагаемого изобретения, содержащее источник ВЧ-энергии, состоящий из управляемых источников тока, а также неоднородный нагрузочный волновой тракт (анодную линию), состоящий из последовательно соединенных фильтров нижних частот (ФНЧ) и дискретно размещенных технологических объемов, включающих в себя диэлектрические оболочки и токопроводящие электроды, представляющие собой обкладки конденсаторов, один из зажимов которых соединен с выходом соответствующего фильтра нижних частот, а второй - с общим проводом, причем технологические объемы вынесены за пределы анодной линии.

Однако указанное устройство обладает относительно низким КПД, что обусловлено наличием в нем трех поглощающих нагрузок - балластных сопротивлений.

Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства для плазмохимической обработки электронных приборов, в котором повышается КПД и уменьшается стоимость.

Это достигается тем, что в известном устройстве, содержащем источник ВЧ-энергии, представляющий собой усилитель с распределенным усилением (УРУ), содержащий управляемые источники тока и неоднородный нагрузочный волновой тракт (анодную линию), представляющую собой ряд последовательно соединенных ФНЧ и дискретно размещенных технологических объемов, включающих в себя диэлектрические оболочки и токопроводящие электроды, представляющие собой обкладки конденсаторов, один из зажимов которых соединен с выходом соответствующего ФНЧ анодной линии, а второй с общим проводом, выходные зажимы анодной линии соединены с входными зажимами четырехполюсника обратной связи (ЧОС), состоящего из ряда последовательно соединенных ФНЧ, а выход ЧОС соединен с входными зажимами сеточной линии УРУ, выходные зажимы сеточной линии соединены с входными зажимами ЧОС, состоящего из ряда последовательно соединенных ФНЧ, а выход ЧОС соединен с входными зажимами анодной линии.

На фиг.1 приведена структурная схема предлагаемого устройства, на фиг.2 - график, характеризующий его работу, на фиг.3 - упрощенная модель нагрузочной линии усилителя с распределенным усилением.

Предлагаемое устройство (фиг.1) содержит УРУ - 1, состоящий из управляемых источников тока (ИТ) - 2, управляющие входы которых соединены с выходами сеточной линии (СЛ) - 3, состоящей из ряда последовательно соединенных ФНЧ - 4. Выходные зажимы управляемых ИТ - 2, представляющих собой, например, мощные генераторные тетроды, соединены с соответствующими входами ФНЧ - 5, последовательное включение которых образует анодную линию (АЛ) - 6. ФНЧ - 4 и ФНЧ - 5 представляют собой Т-образные реактивные четырехполюсники. Выход последнего звена ФНЧ - 5 АЛ - 6 соединен с входом четырехполюсника обратной связи (ЧОС) - 7, состоящего из последовательно соединенных ФНЧ - 8, выход последнего звена ФНЧ - 8 соединен с входом СЛ - 3, состоящей из последовательно включенных звеньев ФНЧ - 4. Выходы каждого из звеньев ФНЧ - 5 АЛ - 6 соединены с одним из соответствующих металлических электродов - 9, представляющих собой обкладки конденсатора. Вторая обкладка каждой пары - 9 соединена с общим проводом. Электроды - 9 помещены в герметичные диэлектрические оболочки, образуя при этом т.н. технологические объемы (ТО) - 10. Выход последнего звена ФНЧ - 4 СЛ - 3 соединен с входом ЧОС - 11, состоящего из последовательно соединенных ФНЧ - 12, по структуре аналогичных ФНЧ - 8. Выход ЧОС - 11 соединен со входом АЛ - 6 (первым из ФНЧ - 5).

Устройство (фиг.1) работает следующим образом: в исходном состоянии в АЛ - 6 УРУ - 1 возбуждаются колебания, имеющие шумовой спектральный состав и обусловленные тепловыми шумами, электромагнитными наводками, различными шумами активных элементов (управляемых ИТ - 2). Так как в данном устройстве замкнута общая обратная связь (ОС) по напряжению, то для возникновения устойчивых автоколебаний на данной частоте необходимо и достаточно одновременное выполнение амплитудных и фазовых условий самовозбуждения

где - модуль коэффициента передачи четырехполюсника обратной связи на данной частоте ω,

- модуль коэффициента передачи разомкнутого устройства на данной частоте ω₀;

- фазовый сдвиг разомкнутого устройства на данной частоте ω_0;

- фазовый сдвиг четырехполюсника обратной связи на данной частоте ω₀;

n - целое положительное число.

В силу широкополосных свойств УРУ - 1 и малого затухания сигнала в четырехполюсниках ОС (ЧОС - 7 и ЧОС - 11) амплитудные условия самовозбуждения (1) выполняются в дискретных точках частотной полосы (полосе пропускания УРУ -1).

Для реализации в АЛ - 6 УРУ - 1 полигармонических автоколебаний с ограниченным спектром вида

где I_km - амплитуда гармоник сигнала;

Ψ_k - начальная фаза гармоник сигнала;

k - номер гармоники: k=1, 2, 3, ... М;

М - число гармоник;

необходимо выполнение фазовых условий (2) для каждой из гармоник (спектральных компонент). Каждая из спектральных компонент с частотами ω, 2ω, 3w, ..., M_ω) приобретает в звеньях ФНЧ - 5 АЛ - 6 и четырехполюсников ОС (ЧОС - 9 и ЧОС - 11) суммарный фазовый сдвиг , где N - сумма числа звеньев ФНЧ - 5 АЛ - 6 и четырехполюсников ОС (ЧОС - 9 и ЧОС - 11) (полагаем звенья, обладающими одинаковыми фазочастотными характеристиками). Следовательно, для того чтобы на данной частоте kω выполнялись фазовые условия возбуждения автоколебаний необходимо, чтобы на данной частоте выполнялось условие

где n - целое положительное число.

На фиг.2 представлен график зависимости фазового сдвига во всех N звеньях ФНЧ устройства от частоты сигнала. Схемотехнически условие (4) реализуется как подбором количества звеньев N, так и выбором схемы отдельных звеньев ФНЧ.

Таким образом, при реализации - на М-кратных частотах - условий самовозбуждения в УРУ - 1 из шумовых флуктуаций, присутствующих в АЛ - 6 УРУ - 1 изначально, происходит выделение сигнала с заданным спектральным составом, остальные же компоненты шумового сигнала в силу нелинейной конкуренции будут подавлены.

Полигармонический сигнал с выходных зажимов ЧОС - 7 поступает на вход СЛ - 3, где претерпевает частотно-зависимый фазовый сдвиг в каждом из звеньев ФНЧ - 4 и подается на управляющие электроды ИТ - 2.

Усиленный ИТ - 2 сигнал подается на входы ФНЧ - 5 АЛ - 6. Так как сеточная и анодная линии являются дискретными низкочастотными аналогами линий с распределенными параметрами, то происходящие в них процессы можно рассматривать как квазиволновые. Таким образом, в АЛ - 6 возбуждаются прямые (направленные от входа сеточной линии) волны напряжения и тока. Поскольку анодная линия является неоднородной, обратные волны (направленные в противоположную сторону) будут подавлены. В силу того, что электроды - 9 помещены в дискретно размещенные ТО - 10, прямые волны создают ВЧ электромагнитное поле в ТО - 10, которое ионизирует заполняющий их газ.. Напряжение прямых волн с выхода последнего звена ФНЧ - 5 АЛ - 6 поступает на вход первого звена ФНЧ - 8 ЧОС - 7, в котором претерпевает частотно-зависимый фазовый сдвиг, и снова подается на вход СЛ - 3, замыкая тем самым цепь обратной связи.

Часть энергии волн напряжения и тока, не попадающая в ТО - 10 с выхода СЛ - 3 через ЧОС - 11, выполняющий функцию согласователя импедансов сеточной и анодной линии, подается на вход АЛ - 6.

Произведем сравнительную оценку КПД предлагаемого устройства и устройства-прототипа. Очевидно КПД устройства в обоих случаях и в самом общем виде можно представить как

где η_е - электронный КПД УРУ;

η_ал - КПД анодной линии УРУ;

η_пр - КПД продуктоэффекта.

Выражение для электронного КПД устройства-прототипа запишем следующим образом:

Для схемы предлагаемого устройства

P₀ - мощность, потребляемая схемой по цепи питания;

Р_бал - мощность, рассеиваемая в балластных сопротивлениях;

P_pac.л, - мощность, рассеиваемая лампами схемы прототипа и предлагаемого устройства соответственно.

Определим величину мощности, отдаваемой всеми лампами в нагрузку. Для этого обратимся к модели (фиг.3), удовлетворяющей следующим упрощающим допущениям:

1. Нагрузочная линия (НЛ) однородна и согласована по фазовым характеристикам с линией возбуждения (ЛВ), т.е.

2. НЛ работает в режиме квазибегущей волны, что подразумевает отсутствие отражений на концах НЛ. С этой целью с обоих концов НЛ ставятся балластные сопротивления R_б.

3. Нагрузка представлена постоянным, независящим от частоты собственным затуханием ФНЧ b(ƒ)=const.

4. Частотная ось заменена эквивалентным фазовым сдвигом на звено ФНЧ,

5. АЭ - идеальные источники тока.

Пусть все АЭ сфазированы по прямой волне

За начало НЛ и ЛВ примем соответственно выход и вход первого АЭ. Тогда для прямой и обратной волн, генерируемых i-тым АЭ, получим

где Z_x - характеристическое сопротивление ФНЧ АЛ (НЛ), α - собственный фазовый сдвиг ФНЧ ЛВ. Найдем результирующее напряжение слева (фактически, суммарные напряжения слева и справа от точки включения АЭ равны; меняется лишь соотношение прямых и обратных волн, т.к. в первом случае k-тый АЭ учитывается в сумме прямых волн, во втором - в сумме обратных) от точки включения k-го АЭ как сумму прямых волн от первых k АЭ, и обратных волн от последующих начиная с (k+1)-го

Сумма прямых волн слева от точки включения k-го АЭ будет равна

И сумма обратных волн

Приведя эти значения к входу k-го АЭ, получим

Для элементарной оценки КПД НЛ без учета электронного КПД АЭ будем считать, что напряжения во всех точках НЛ равны. Тогда, приняв во внимание (6), получим

Исходя из этого, найдем генерируемую мощность как сумму мощностей, отдаваемых в НЛ отдельными АЭ:

где I - ток в выходной цепи активного элемента (источника тока);

b - затухание в АЛ;

n - число ламп.

Тогда мощность, рассеиваемая всеми лампами

Для АЛ предлагаемого устройства

где Z^, _ал - характеристическое сопротивление АЛ предлагаемого устройства.

Z_прот - характеристическое сопротивление АЛ прототипа.

При типичных значениях затухания, и, как следует из (16), при электронный КПД предлагаемого устройства превышает КПД прототипа (см. формулы (13) и (14)).

Оценим КПД АЛ устройства-прототипа следующим соотношением:

где U_k - потенциал на аноде к-той лампы прототипа.

N - число ламп.

Однако в схеме предлагаемого устройства напряжение U_N с выхода АЛ через фазосдвигающие цепи обратной связи подается на вход СЛ, а затем, опять сдвигаясь по фазе, снова попадает в АЛ. Так как в ФНЧ СЛ и четырехполюсников обратной связи потери отсутствуют, то в условиях идеального согласования КПД АЛ схемы предлагаемого устройства можно оценить соотношением

Совершенно очевидно, что F^,>F. Последнее свидетельствует о превышении КПД АЛ предлагаемого устройства над соответствующим параметром устройства-прототипа.

Так как электронный КПД и КПД анодных линий предлагаемого устройства превышают соответствующие параметры устройства-прототипа и КПД их продуктоэффекта равны, то КПД (см. выражение (12)) предлагаемого устройства превышает КПД устройства-прототипа.

Покажем, что предлагаемое устройство имеет меньшую по сравнению с прототипом стоимость.

Анализируя формулу (15), нетрудно увидеть, что факт увеличения характеристического сопротивления АЛ предлагаемого устройства по сравнению с прототипом (см. выше) позволяет при прочих равных условиях (неизменности Р_ген) уменьшить токовую нагрузку на активные элементы, т.е. выбирать активные элементы с меньшими номинальными выходными токами, что приводит к снижению стоимости устройства.

Таким образом, предлагаемое устройство обладает более высоким КПД и меньшей стоимостью по сравнению с устройством-прототипом.

Устройство для плазмохимической обработки электронных приборов, содержащее источник ВЧ энергии, представляющий собой усилитель с распределенным усилением, содержащий управляемые источники тока и неоднородный нагрузочный волновой тракт (анодную линию), представляющую собой ряд последовательно соединенных фильтров нижних частот и дискретно размещенных технологических объемов, включающих в себя диэлектрические оболочки и токопроводящие электроды, представляющие собой обкладки конденсаторов, один из зажимов которых соединен с выходом соответствующего фильтра нижних частот анодной линии, а второй - с общим проводом, при этом выходные зажимы анодной линии соединены с входными зажимами четырехполюсника обратной связи, состоящего из ряда последовательно соединенных фильтров нижних частот, а выход четырехполюсника обратной связи соединен со входными зажимами сеточной линии усилителя с распределенным усилением, причем элементы указанных фильтров нижних частот анодной линии усилителя с распределенным усилением и четырехполюсника обратной связи выбраны таким образом, чтобы обеспечивать амплитудно-фазовые условия возбуждения полигармонических автоколебаний, отличающееся тем, что в него введен четырехполюсник обратной связи, аналогичный по структуре используемому и состоящий из ряда последовательно соединенных фильтров нижних частот, входные зажимы которого соединены с выходными зажимами сеточной линии, усилителя с распределенным усилением, а выходные зажимы четырехполюсника обратной связи соединены с входными зажимами анодной линии.