DE1924790A1

DE1924790A1 - Ultrahochfrequenz-Plasmatron

Info

Publication number: DE1924790A1
Application number: DE19691924790
Authority: DE
Inventors: Kirjusin Vladimir P
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1969-05-07
Filing date: 1969-05-14
Publication date: 1970-11-19
Also published as: GB1226278A; FR2050610A5; US3577207A

Description

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Vladimir P. Kiräusin 14. Mai 1969

Irgazino, Moskovskaja obl. /UdSSR P 24 799

ULTRAHOGHFREQUENZ-PLÄSE/iATROF

Die vorliegende Erfindung "bezieht sich auf Einrichtungen zur Erzeugung eines Niedertemperaturplasmas bei Ultrahochfrequenzeritladung unter atmosphärischem oder annähernd atmosphärischem Druck, insbesondere auf Ultrahochfrequenz-Plasmatrons, die man zur Durchführung von chemischen Reaktionen mit höchstem Reinheitsgrad und,· zum Auftragen von Dünnschichten, für Pulver- und Gasreinigung verwendet.

Es sind Ultrahochfrequenz-Plasmatrons (UHF-Plasmatrons), bekannt, die eine den Gasentladungsraum eingrenzende und in einem Hohlleiter oder Topfkreis angeordnete Röhre enthalten, wobei der Topfkreis mit dem Speisehohlleiter mittels eines Anpassungstransformators gekoppelt wird, der optimale Bedingungen für die Energieübertragung aus dem Hohlleiter in den. Topfkreis gewährleisten soll.

Ein Itangel dieser Piasmatronausführung besteht darin,

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daß die Ultrahochfrequenzenergie dem Plasma von einer Seite und zwar von der Hohlleiterseite zugeführt wird. Deswegen sind die Kennwerte der Plasmasäule (Temperatur, Ionisierungsgrad usw.) in ihrem Querschnitt unterschiedlich·

Bekanntlich hat das Gasentladungsplasma die Tendenz, sich in einem Hochfrequenzfeld in der Richtung der Energiequel-p Ie zu verschieben, was die Plasmaeingrenzung längs der Gasentladungsröhrenachse erschwert·

Ein weiterer Mangel der bekannten Piasmatrone besteht darin, daß der als Spalt, Stift oder Schleife ausgebildete Anpassung stransformat or ganz bestimmte Abmessungen haben muß, die von der Schwingungsfrequenz der Ultrahochfrequenz-Energie-" quelle abhängig sind. Bei einer Steigerung der Plasmatronleistung wächst entsprechend auch die elektrische Feldstärke an, wobei die Stärke des elektrischen Feldes am Transformator oftmals für einen spontanen Durchbruch und eine Entladung ausreichende Werte erreicht. Bei derartiger störender Ent ladung «getefe sich die zugeführte Energie am Anpassungstransformator at*e, wobei der letztere zerstört werden kann und das Plasmatron ausfällt·

Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Entwicklung eines Ultrahochfrequenz-Plasmatrons, bei dem die Eigenschaften des Gasentladungsplasmas im ganzen Querschnitt der Plasmasäule gleichmäßig sind und die Wahrscheinlichkeit eines Durchbruchs am Anpassungstransformator geringer ist·

Dieses Ziel wird dadurch erreicht, daß der Hohlleiter des Plasmatrons so ausgeführt und angeordnet wird, daß die

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Ultrahochf requenzenergie zum Plasma gleichmäßig von mehreren Seiten gelangen kann. *

Diese Aufgabe wird..dadurcH gelöst, daß im Ultrahochf requenz-Plasmatron, bei dem die Gasentladungsröhre längs der Symmetrieachse eines Topfkreises angeordnet ist und der letztere durch Elemente der elektromagnetischen Kopplung mit einem die Ultrahochfrequenzenorgie übertragenden Hohlleiter Verbindung hat, der Hohlleiter erfindungsgemäß rechtwinklig zur Längsachse der Gasentladungsröhre und um den Umfang des Topfkreises von außen angeordnet ^v±st und niit dem Topfkreis gemeinsame V/and besitzt, in der sich. Elemente zur elektromagnetischen Kopplung befinden, wobei diese Elemente von der Längsachse der Gasentladungsröhre in gleicher Entfernung liegen und ihr Abstand voneinander die Gleichphasigkeit der in ihnen entstehenden Schwingungen gewährleistet.

Bei dieser Piasmatronausführung wird die Plasmaeingrenzung in der lüitte der Gasentladungsröhre wesentlich erleichtert, da die Energie dem Plasma gleichmäßig von allen Seiten zugeführt wird und die erwähnte Plasmaverschiebung in der Sichtung der Energiequelle vermieden wird. Ein weiterer Vorzug derartiger Ausführung liegt in der fsäöglichkeit einer bedeutenden Steigerung der Piasmatronleistung, da jedes zur elektromagnetischen Kopplung dienende Anpassungselement nur einen Teil der gesamten Energie überträgt·

Zweckmäßigerweise können die Kopplungeelemente auf der ganzen Hohlleiterlänge mit den Abständen ihrer Mittelpunkte von einer halben Wellenlänge der speisenden Ultrahochfrequenz-

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Schwingungen angeordnet werden, wobei die benachbarten Kopplungselemente an verschiedenen Seiten der Hohlleiterlängsachse anzuordnen sind·

Die Kopplungselemente können auf der ganzen Hohlleiterlänge mit <äe» Abständen von einer Wellenlänge der speisenden Ultrahochfrequenzschwingungen verteilt sein· Dabei sollen, sie alle an einer Seite der Hohlleiterlängsachse liegen·

In beiden Fällen kann der Hohlleiter in de* Form eines geschlossenen Hohlringes ausgeführt werden.

Nachstehend wird die Erfindung <±n der Beschreibung der Ausführungsbeispiele und an Hand beigelegter Zeichnungen näher erläutert·
Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung des spärischen Hohlleiters, der Gasentladungsröhre und eines Teils des speisenden Plasmatron-Hohlleiters;

Fig. 2 einen Schnitt nach H-II in Fig. 1j

Fig. 3 einen zylindrischen Hohlleiter, die Gasentladungsröhre und einen Teil des speisenden Plasmatron-Hohlleiters; Fig. 4 einen ringförmigen Hohlleiter·

Die den, Gasentladungsraum eingrenzende Gasentladungsröhre 1 des Plasmatron^ (Fig. 1) ist aus einem hitzebeständigen Werkstoff mit geringen Hochfrequenaverlusten hergestellt und im Innenraum eines Topfkreises 2 angeordnet. Praktisch sind Topfkreisresonatoren mit der Achsensymmetrie z.B. sphärische, zylindrische u.a. zweckmäßiger· Wenn solche Resonatoren mit der Grundschwingung (symmetrischer Schwingung) angeregt werden, so

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fällt das Feldstärkemaximum des elektrischen Feldes mit der Symmetrieachse zusammen. Die Gasentladungsröhre 1 ist eben längs dieser Achse angeordnet.

In den Öffnungen 3, durch die die Gasentladungsröhre in ' den Innenraum des Resonators 2 hindurchgelassen ist, sind Stutzen 4 mit unterkritischem Querschnitt eingebaut, welche die Ausstrahlung der Ultrahochfrequenzenergie nach außen verhindern. An Stelle dieser Stutzen 4 können Drosseln oder sonstige Vorrichtungen mit der Eigenschaften der Ultrahochfrequenzfilter eingebaut werden.

Außerhalb des Topfkreises 2 ist um seinen Umfang rechtwinklig zur Längsachse der Gasentladungsröhre 1 ein ringförmig gebogener rechteckiger Hohlleiter 5 angeordnet, dessen eine Wand durch die Wand 6 (Fig. 2) des Topfkreises 2 gebildet ist.

Die in der Wand 6 ausgeschnittenen Spalte 7 dienen als Elemente der elektromagnetischen Kopplung, durch welche die Ultrahochfrequenzenergie in den Topfkreis 2 eingestrahlt wird· Die Spalte 7 sind von der Längsachse dej? Gasentladungsröhre gleichentfernt und so angeordnet, daß der Abstand zwischen den Mittelpunkten der benachbarten Spalte gleich der halben Wellenlänge der Ultrahochfrequenzschwingungen ist. Dabei liegen die benachbarten Spalte an verschiedenen Seiten⁵ der Längsachse des Hohlleiters 5. Diese Anordnung der Spalte gewährleistet die Gleichphasigkeit de.r in ihnen erzeugten Schwingungen. Der in der Kichtung der UHF-Energieausbreitung im Hohlleiter zuletzt liegende Spalt befindet eich in der Entfernung von einem Viertel der Wellenlänge von der Hohlleiterwand

8. Diese Hohlleiterwand 8 bewirkt eine gleichmäßige Aufteilung

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der UHF-Enegrie auf alle Spalte·

Die Strahlungselemente können nicht nur als Spalte, sondern auch als Schleifen oder Stifte ausgeführt werden· Dabei ist die Hohlleiteranordnung mit Stiften oder Schleifen die gleiche wie bei der oben beschriebenen Konstruktion·

Der Kopplungsgrad zwischen dem Hohlleiter 5 und den Kopplungselementen wird so gewählt, daß jedes Kopplungselement den gleichen Teil der Gesamtenergie in den Topfkreisresonator ausstrahlt. Bei der oben beschriebenen Ausführungsvariante wird der Kopplungsgrad durch die Verschiebung der Spalte in Bezug auf die Längsachse des Hohlleiters bestimmt«

In Eig· 3 ist ein Plasmatron mit zylindrischem Resonator 2 dargestellt· Der Hohlleiter 5 ist um den Umfang des zylindrischen Resonators 2 rechtwinklig zur Längsachse der Gasentladungsröhre 1 angeordnet· Die ebenfalls als Spalte 1 ausgebildeten Kopplungselemente liegen in den Abständen von einer Wellenlänge zwischen ihren Mittelpunkten auf der ganzen Hohlleiterlänge· Dabei befinden sich alle Spalte an einer Seite der Hohlleiter-Längsachse. Diese Anordnung der Kopplungselemente gewährleistet ebenfalls die Gleichphasigkeit der in ihnen entstehenden Schwingungen·

Bs ist in Betracht zu ziehen, daß im zylindrischen Resonator des Plasmatron^" die Kopplungselemente auch in Abständen von einer halben Wellenlänge der UHF-Energie angeordnet werden können·

Statt des Hohlleiters mit der Wand 8 kann auch ein ringförmig gebogener Hohlleiter verwendet werden· Dabei wird die

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Eigenschaft der zwei gegeneinander laufenden elektromagnetischen Wellen ausgenutzt, die sogenannte elektrische Wand zu bilden.

Die in den Hohlleiter 5 (Fig. 4) eingeführte ÜHF-Energie teilt sich in zwei gleiche Teile, die sich im Hohlleiter gegeneinander ausbreiten· In der Zone, die der Einspeisungsstelle der UHF-Energie im Hohlleiterring diametral entgegengesetzt liegt, bilden diese Energieteile eine elektrische Wand, die die Holle der Wand 8 in den oben beschriebenen* Ausführungsvarianten des Plasmatrons spifelt. Die Anordnung dieses Hohlleiters in Bezug auf den Topfkreis und die Gasentladungsröhre sowie die Lage der Kopplungselemente, gegehenenfalls der Spalte 7, im Hohlleiter sind der oben beschriebenen .Anordnung analog« Dabei sind die an der elektrischen Wand am nächsten liegenden Spalte im Abstand von einem Vierteil der Wellenlänge der sich im Hohlleiter ausbreitenden UHF-Energie anzuordnen·

Das erfindungsgemäß aufgebaute Plasmatron funktioniert folgenderweise·

In die Gasentladungsröhre wird ein plasmabildendes Gas eingeführt· Die durch den Hohlleiter 5 zugeführte UHF-Energie gelangt durch die Spalte 7 in den Resonator 2 und konzentriert sich an der Achse, die als Längsachse der Gasentladungsröhre 4 dient, wobei in dieser Röhre das Plasma gezündet wird, das die UHF-Energie absorbiert.

Sind die Abmessungen des Resonators 2 so gewählt, daß die Arbeitsfrequenz der Resonanzfrequenz entspricht, so wird im Augenblick der Plasmazündung die elektrische Feldstärke

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an der Resonatorachse maximal und in den Spalten 7 minimal sein. Dieses Feldstärkerverhältnis erhöht die elektrische Festigkeit des Gerätes bei der Plasmazündung und erleichtert die Zündung im Zeitpunkt, wenn wegen der Resonanzeigenschaften des Resonators die elektrische Überbeanspruchung bei fehlender Energieabsorbtion besonders groß ist.

Um eine Berührung der Rohrenwände durch das Plasma zu vermeiden, wird durch die Röhre 4· ein Wirb el strahl des plasmabildenden Gases durchgeblasen. Das an der Röhrenachse entstehende Unter druckgebiet hält das Plasma von den Röhrenwänden fern·

Gemäß der vorliegenden Erfindung wurden Piasmatronversuchsmuster hergestellt und geprüft. Bei der Benutzung einer kontinuierlich erzeugten UHF-Energieleistung von 3kW entstand in einer Quarzröhre mit einem Durchmesser von 50 bm ©int Plasmastrahl, der eine Länge von 300 mm einen Durchmesser von 40 mm und eine Temperatur von 3000 bis 5000⁰K hatte.

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Claims

-^zj.. Mai 1969 - 9 - P-24 799

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PATENTANSPRÜCHE:

y Ultrahochfreciuenz-Plasmatron, bei dem die Gasentladungsröhre längs der Symmetrieachse eines Topfkreises angeordnet ist und der letztere durch Elemente der elektromagnetischen Kopplung mit einem Speisehohlleiter Verbindung hat, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter (5) rechtwinklig zur Längsachse der Gasentladungsröhre (1) von außen um den Umfang des Topfkreises angeordnet ist und mit dem letzteren eine gemeinsame Wand (6) besitzt, in der sich Elemente' (7) zur elektromagnetischen Kopplung befinden, wobei diese Elemente (7) von der Längsachse der Gasentladungsröhre (1) in gleicher Entfernung liegen und ihr Abstand voneinander die Gleichphasigkeit der in ihnen entstehenden Schwingungen gewährleistet.

2· Plasmatron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungselemente (7) auf der ganzen Länge des Hohlleiters (5) mit den Abständen ihrer l'viittelpunkte von einer halben Wellenlänge der speisenden Ultrahochfrequenz-Schwingungen angeordnet sind, wobei die benachbarten Kopplungselemente (7) an verschiedenen Seiten der Hohlleiterlängsachse liegen. ■ -

3. Plasmatron nach Anspruch 1, dadurch g e kennz eich net, daß die Kopplungselemente (7) auf der ganzen Länge des Hohlleiters (5) mit den Abständen zwischen ihren .kittelpunkten von einer Wellenlänge der speisenden Ultra-

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hochfrequenz-Schwingungen angeordnet sind, wobei alle Kopplungselemente (7) an einer Seite von der Hohlleiterlangsachse liegen.

4. Plasmatron nach einem der Ansprüche 1, 2, 3j dadurch gekennzeichnet, daß sein Hohlleiter einen geschlossenen Hohlring darstellt, in dem sich die speisende Ultrahochfrequenz-Energie von der Einspeisungszone gleichmäßig nach beiden Seiten ausbreitet.