Газоразрядные генераторы высокой частоты для обработки материалов | Известия вузов. Физика. 2019. № 11. DOI: 10.17223/00213411/62/11/101

Газоразрядные генераторы высокой частоты для обработки материалов

Впервые разработан метод выделения высокочастотных колебаний из плазмы высоковольтного тлеющего разряда. Метод основан на возникновении пульсаций давления при взаимодействии струи напускаемого рабочего газа с преградой. Пульсации давления создают пространственную неоднородность концентрации плазмы высоковольтного тлеющего разряда (14 кВ, 30 мА), что вызывает нестабильность горения разряда. Разница напряжения зажигания и горения разряда вкладывается в ионизационные процессы и сверхвысокочастотные (СВЧ) колебания, которые выделяются индуктивно-емкостным контуром на частоте 5 МГц. Доля мощности, переведенная в СВЧ-колебания, достигает 40 %. Апробация генератора при травлении ниобата лития показала, что поверхностный заряд с подложки снимается плазмой, а также за счет токов смещения и перезарядки. Скорость травления достигает 5 мкм/ч.

Gas-discharge high-frequency generators for material processing.pdf Введение Широкое распространение получила обработка материалов потоками ионов, электронов и плазмы [1-3]. Однако воздействие электронного или ионного потока на материалы оптической электроники (пьезоэлектрики) сопровождается зарядом поверхности, который препятствует обработке. В данной работе с целью повышения эффективности ионного травления исследуется возможность выделения высокочастотной составляющей электрического поля из плазмы высоковольтного тлеющего разряда с одновременным снятием поверхностного заряда плазмой. Предлагается использовать пульсации давления, возникающие при взаимодействии струи напускаемого рабочего газа с преградой [4]. Пульсации давления вызывают пространственную неоднородность концентрации плазмы и нестабильность изменения концентрации плазмы в высоковольтном разряде. Плазма является источником широкого спектра излучаемых частот. Индуктивно-емкостной контур выделяет частоту, наиболее приемлемую для разрыва энергии связи при обработке конкретного материала. Заряд поверхности материала снимается плазмой разряда, а также за счет токов смещения и перезарядки [5]. Моделирование процесса В качестве модели описания течения газа используется одномерная гидродинамическая модель [6]. Истечение газового потока в вакуум (рис. 1) характеризуется коэффициентом скорости λ, равным отношению скорости потока газа к скорости звука в неподвижном газе [6]: , (1) где k - показатель адиабаты газа. При λ = 0 газ неподвижен, при λ = 1 скорость потока равна скорости звука, при λ = 2.5 скорость потока достигает максимального значения. Радиальное и продольное расширение потока происходит с формированием на расстоянии Xm зоны уплотнения давления, центральная часть которой называется диском Маха. Расстояние до диска Маха в свободной струе подчиняется выражению [6] , (2) где d - диаметр отверстия истечения газа; k - показатель адиабаты газа; Pj, P1 - давления на срезе отверстия истечения газа и в камере, куда истекает газ. Давление на срезе отверстия d определяется соотношением [6] . (3) Для воздуха давление на срезе отверстия истечения газа определится соотношением , (4) где P0 - давление перед отверстием напуска газа. Максимальный поперечный размер свободной струи на уровне диска Маха dm удовлетворительно описывается выражением . (5) Методика и техника эксперимента На рис. 1 представлена схема газоразрядного генератора. В вакуумной камере 1 расположен экспандер 2 с отверстиями диаметром по 1 мм для подачи плазмы в область извлекающего электрода. При откачке вакуумной камеры насосом НВЗ-20 до давления 5-10 Па в нее напускается рабочий газ (воздух). Газ, истекая в вакуум через отверстие d, распространяется в виде факела 4 с формированием диска Маха 5. За диском Маха перед подвижной преградой 6 формируется турбулентная зона пульсаций давления. Импульсное давление регистрируется электроразрядным датчиком давления 7 с помощью осциллографа. Рис. 1. Схема газоразрядного генератора высокой частоты Сначала между корпусом 1 и анодом 3 зажигается низковольтный вспомогательный раз¬ряд Uad (600 В, 1 А). Электронный поток бомбардирует анод 3 с расположенным на нем ниобатом лития. После прогрева системы разряд начинает гореть в парах испаряемого материала, идентичного обрабатываемому образцу. Об этом свидетельствует изменение вольт-амперной характеристики вспомогательного разряда. На электрод 9 подается извлекающее напряжение (-U) порядка 3 кВ с током до 70 мА. В системе возникает основной высоковольтный разряд. Образец ниобата лития 8 прогревается в течение 15 мин до температуры 500 K. Прогрев способствует удалению адсорбированных газов из элементов устройства и предотвращает температурное напряжение кристалла. Спустя 5-10 мин при неизменном давлении в камере напряжение разряда повышается до 10-14 кВ, а ток разряда уменьшается до 30 мА. Изменение вольт-амперной характеристики свидетельствует о горении высоковольтного разряда в парах травимого материала. Взаимодействие напускаемого газа с экспандером и преградой приводит к возникновению импульсов давления и нестабильности основного высоковольтного лучевого разряда. Разряд начинает хаотично перескакивать по отверстиям экспандера. Разница между напряжением зажигания и горения вкладывается в ионизационные процессы и СВЧ-колебания, выделяемые индуктивно-емкостным контуром. Выделяемая частота регистрируется осциллографом 10 марки АКИП 4119/2. Обработка осциллограмм проводится с помощью пакета Mathcad. Результаты исследования и их обсуждение В диапазоне давлений в вакуумной камере от 1 до 100 Па форма потока газа меняется от формы в виде шара до формы в виде факела. Расстояние до диска Маха соизмеримо с поперечником струи и составляет 10 диаметров отверстия истечения d. Это совпадает с данными [6] для истечения потоков газа при перепаде давления. Амплитуда высокочастотных колебаний усиливается с увеличением расхода газа. Поверхностный заряд с кристалла снимается плазмой, а также за счет токов смещения и перезарядки. Изменяя размеры экспандера и положение преграды, можно настраивать генератор на частоту, наиболее подходящую для определенного материала. Доля мощности, переведенная в СВЧ-колебания, определенная калориметром, достигает 40 %. Для уменьшения газовой нагрузки в ряде случаев применялся импульсный напуск газа с частотой 1 Гц и расходом 10-4 Пам3/с. Наложение магнитного поля (0.2 Тл) позволяет увеличивать ток разряда. В этом случае частота импульсов давления возрастает до 16 кГц. После травления кристаллы ниобата лития отжигались для просветления. Апробация травления на ниобате лития обеспечивает скорость травления 5 мкм/ч при плотности ионного тока 0.5 мА/см2 и относительно прямоугольном профиле травления. Применение легких газов с высоким потенциалом ионизации (гелий) позволяет генератору работать на более высоком давлении. На рис. 2 представлена осциллограмма колебаний применительно к травлению ниобата лития. На фоне периодических колебаний давления газа просматриваются высокочастотные плазменные колебания на частотах 1-5 МГц. Изменяя давление газа или геометрические размеры экспандера, можно изменять амплитуду взаимодействия газа с преградой и условия горения высоковольтного разряда. Рис. 2. Осциллограмма колебаний давления в системе Выводы Впервые показана возможность выделения высокочастотной составляющей электрического поля из плазмы применительно к травлению композиционных материалов ионами компонент самого материала. Показана возможность настройки частоты и параметров травления за счет взаимодействия газового потока с экспандером. Требуемая частота травления зависит от рода материала. Повышение производительности устройства (скорости травления) достигается за счет сочетания ионного и СВЧ-воздействия на материал. Способ построения генераторов высокой частоты для обработки стеклоподобных материалов показал свою перспективность. Полученные результаты позволят расширить техническое применение пьезоэлектрических материалов в современной электронике.

Ключевые слова

разряд, частота, источник ионов, поток плазмы, discharge, frequency, ion source, plasma flow

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Орликов Леонид НиколаевичТомский государственный университет систем управления и радиоэлектроникид.т.н., профессор каф. ЭП ТУСУРаOln4@yandex.ru
Орликов Николай ЛеонидовичТомский государственный университет систем управления и радиоэлектроникиинженер каф. ЭП ТУСУРаufoss@ngs.ru
Мамбетова Ксения МустафиевнаТомский государственный университет систем управления и радиоэлектроникиаспирантка каф. ЭП ТУСУРаkseniam-89@mail.ru
Шандаров Станислав МихайловичТомский государственный университет систем управления и радиоэлектроникид.ф.-м.н., профессор, зав. каф. ЭП ТУСУРаstanislavshandarov@gmail.com
Всего: 4

Ссылки

Тургунова Н.Д., Алейник А.Н., Букал В. // Изв. вузов. Физика. - 2018. - Т. 61. - № 12/2. - С. 99-101.
Orlikov L.N., Arestov S.I., Shandarov S.M., and Mambetova K.M. // Изв. вузов. Физика. - 2015. - Т. 58. - № 9/3. - С. 24--27.
Озур Г.Е., Проскуровский Д.И. Источники низкоэнергетических сильноточных электронных пучков с плазменным анодом. - Новосибирск: Наука, 2018. - 176 с.
Орликов Л.Н. Вопросы теории и практики вывода в газ низкоэнергетических электронных пучков. - Томск: ТГУ, 2002. - 150 с.
Орликов Л.Н., Орликов Н.Л., Шандаров С.М. Устройство для ионной обработки материалов // Патент 2187168 Российская Федерация, МПК H01J27/02, C23C14/46, H05H1/34. Заявитель и патентообладатель: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники. Заявл. 18.12.2000, № 2000131832/06; Опубл. 10.08.2002.
Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. - М.: Наука, 1976. - 808 с.
 Газоразрядные генераторы высокой частоты для обработки материалов | Известия вузов. Физика. 2019. № 11. DOI: 10.17223/00213411/62/11/101

Газоразрядные генераторы высокой частоты для обработки материалов | Известия вузов. Физика. 2019. № 11. DOI: 10.17223/00213411/62/11/101