УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СТАБИЛЬНОГО МИКРОРАЗРЯДА АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ

Изобретение относится к плазменной технике и плазмохимии и может быть использовано для плазменной обработки поверхностей, стерилизации, в спектроскопии, а также при создании плазмохимических реакторов и газоанализаторов.

Известны газоразрядные устройства высокого давления для получения неравновесной плазмы, которые основаны на разных принципах работы. Чаще всего в этих устройствах применяется некоторый дополнительный источник ионизации. В качестве такого источника может выступать либо вспомогательный разряд, либо внешний источник ионизации.

Один из способов получения неравновесной плазмы при высоком давлении описан в [1] и заключается в том, что объемная неравновесная плазма атмосферного давления создается в трехэлектродной системе тлеющего разряда, которая включает в себя двухсекционную разрядную камеру, три электрода, источник питания, систему подачи и отвода газа.

Известно также реализуемое в [2] газоразрядное устройство с полым катодом, состоящее из камеры, в которую помещены два плоских электрода анод и катод, разделенные диэлектриком толщиной примерно 200 микрон, с отверстием диаметром порядка толщины диэлектрика, и третий электрод-анод, расположенный на расстоянии до 1 сантиметра от первого, системы подачи и отвода газа, источников постоянного напряжения. Между первым и вторым электродом в отверстии зажигается микроразряд с полым катодом с разрядным током несколько миллиампер. Несамостоятельный разряд возникает при подключении напряжения между вторым и третьим электродами. К недостаткам этих двух известных устройств можно отнести наличие постоянно работающего дополнительного источника ионизации, который необходим для устойчивого горения основного разряда.

Известно устройство для получения безыскрового разряда в плотных газах [3], являющееся наиболее близким по решаемой задаче и принятое в качестве прототипа. Общим у известного устройства и заявляемого изобретения является то, что зажигаемый разряд является самостоятельным.

Недостатком известного устройства является достаточно сложная система предварительной ионизации разрядного промежутка, которая необходима для стабилизации разряда, что препятствует искрообразованию и его стабилизации. Кроме того, известное устройство, является более дорогостоящим вследствие сложности конструкции, а также трудоемким в эксплуатации.

Заявляемое изобретение свободно от указанных недостатков.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение стабилизации тлеющего микроразряда при атмосферном давлении более простым способом, не требующим предварительной ионизации газа в разрядном промежутке и без использования какой-либо системы откачки газа. Кроме того, важным и значимым техническим результатом является возможность проводить разряд и при токах около единиц и менее mA и межэлектродных расстояниях порядка десятков µm и менее [4].

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для получения стабильного микроразряда атмосферного давления, содержащим источник постоянного напряжения, соединенный через ограничивающий величину тока резистор с разрядным промежутком между плоским катодом, расположенным на основании, и анодом, установленным на рычаге, который снабжен регулятором длины разрядного промежутка между катодом и анодом, в соответствии с заявленным изобретением, анод выполнен в виде иглы с радиусом скругления не более 20 µm и расположен над плоским катодом на расстоянии, не превышающем числового значения величины разрядного промежутка между анодом и катодом, которому соответствует, по закону Пашена, минимальное пробойное напряжение.

Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что анод установлен на одном конце рычага, который подвижно соединен с осью, закрепленной на основании и расположенной на расстоянии от анода не более чем на 0,1 его длины, а второй конец рычага расположен под действием собственной силы тяжести на регуляторе длины разрядного промежутка, причем поверхность анода, обращенная к катоду, имеет сферическую форму.

Помимо этого, технический результат достигается тем, что регулятор длины разрядного промежутка выполнен в виде винта с лимбом.

Технический результат в заявленном изобретении достигается тем, что разряд зажигается между плоским катодом и анодом, который выполнен в виде тонкой иглы с малым радиусом скругления. Расстояние между между плоским катодом и иглообразным анодом L_o выбирается меньше расстояния, соответствующего минимуму кривой Пашена L_min. По этой причине напряжение пробоя газа U и привязка разряда к аноду соответствуют минимуму кривой Пашена (U=U_min, L=L_min), т.е. происходят выше кончика иглы на расстоянии L_min>L_o. Разряд как бы «сам выбирает» свою длину так, чтобы при изменении условий она соответствовала стабильному горению вблизи L_min минимума кривой Пашена. При этом падение напряжения на разрядном промежутке имеет одну и ту же величину (порядка U_min), которая слабо зависит от величины зазора и давления газа.

Кроме того, технический результат достигается тем, что электрическая емкость при такой конфигурации электродов гораздо меньше, чем при двух плоских электродах.

Все это позволяет повысить устойчивость и стабилизацию разряда к искрообразованию (срыву в режим RC колебаний) при токах около единиц и менее mA и малых разрядных промежутков.

Сущность заявляемого изобретения поясняется Фиг.1, Фиг.2 и Фиг.3 Фиг.4, Фиг.5 и Фиг.6

На Фиг.1 представлена схема устройства получения стабильного тлеющего микроразряда атмосферного давления.

На Фиг.2 представлена иллюстрация поведения микроразряда при изменении разрядного промежутка.

На Фиг.3 представлены формы испытательных моноимпульсов и импульсов напряжения на разряде.

На Фиг.4 представлены зависимости величины тока и напряжения разряда от времени при зазорах между иглообразным анодом и плоским катодом в 6 µm и 1 µm.

На Фиг.5 представлена зависимость напряжения горения разряда от величины зазора между плоским катодом и игольчатым анодом с радиусом скругления кончика 25 микрон при токе около 4 mA.

На Фиг.6 представлены вольтамперные характеристики разряда между иглообразным анодом и плоским катодом при больших токах и разных разрядных промежутках.

На Фиг.7 представлена зависимость величины тока и напряжения разряда от времени при зазоре между плоскими анодом и катодом в 10 µm.

Заявленное изобретение (Фиг.1) содержит источник постоянного напряжения (1), ограничивающий величину тока резистор (2), расположенный на основании (5) плоский катод (3), анод (4), выполненный в виде тонкой иглы и установленный на конце рычага (7), регулятор (6) длины разрядного промежутка между катодом (3) и анодом (4) выполненный в виде винта с лимбом и закрепленный резьбовым соединением на основании (5), ось (8), которая обеспечивает подвижное соединение рычага (7) с основанием (5) и которая расположена от анода (4) на расстоянии не более чем на 0,1 длины рычага (7).

На Фиг.2 представлена иллюстрация поведения микроразряда при изменении разрядного промежутка. Данная иллюстрация показывает, что при разрядном промежутке равном не более величины, соответствующей минимуму величины напряжения пробоя на кривой Пашена параметры разряда остаются постоянными.

На Фиг.3 представлены осциллограммы входных испытательных моноимпульсов и импульсов напряжения на разряде. Формирователь моноимпульсов состоял из высоковольтного выпрямителя, заряжавшего накопитель емкостью 0,9 mF × 5 kV, и разрядной схемы. Подаваемые на вход разрядного устройства испытательные моноимпульсы напряжения были двух типов - симметричные и с плавно спадающим задним фронтом. Для получения импульса с плавно спадающим задним фронтом (рис.1 слева) накопитель разряжался на резистор 55Ω, напряжение с которого подавалось на исследуемый разряд через интегрирующую цепочку (1 kΩ, 4 µF) и ограничительный резистор R величиной 364, 44, 6 или 2,74 kΩ. Для получения импульса, форма которого близка к симметричной (рис.1 справа), накопитель емкостью 0,3 mF разряжался через дроссель L=0,2 H на резистор 15 Ω, напряжение с которого подавалось на исследуемый разряд через ограничительный резистор.

На Фиг.4 представлены в качестве примеров конкретной реализации заявленного изобретения зависимости величины тока и напряжения разряда от времени при зазорах между иглообразным анодом и плоским катодом в 6 µm и 1 µm.

На Фиг.5 представлена зависимость напряжения горения разряда от величины зазора между плоским катодом и игольчатым анодом с радиусом скругления кончика 25 µm при токе около 4 mA. По данной зависимости хорошо видно, что напряжение горения разряда почти постоянно при изменении величины разрядного промежутка.

На Фиг.6 представлены, в качестве примеров конкретной реализации заявленного изобретения, вольтамперные характеристики разряда между иглообразным анодом и плоским катодом при больших токах и разных разрядных промежутках.

На Фиг.7 представлена зависимость величины тока и напряжения разряда от времени при зазоре между плоскими анодом и катодом в 10 µm. Особенность этого случая состоит в том, что здесь в качестве анода (4) использовалась не тонкая игла, а металлический шар диаметром 11 mm. Такой анод при микронных разрядных промежутках можно рассматривать как плоский (квазиплоский).

Работа заявляемого изобретения осуществляется следующим образом. Первоначально производится его настройка. Для этого нужно подать небольшое напряжение на вход и, поворачивая винт с лимбом (6), медленно опустить рычаг (7) до момента возникновения тока. Таким образом, между анодом (4) и катодом (3) установится нулевое расстояние. Затем нужно поднять рычаг (7), установив при этом нужное расстояние между анодом (4) и катодом (3) (L~10 µm), и подать высокое напряжение питания (U~300 V) на разрядный промежуток через ограничительное сопротивление (2). После пробоя между иглообразным анодом и плоским катодом возникает стабильный тлеющий разряд.

Заявленное изобретение было апробировано в лабораторных условиях Санкт-Петербургского государственного университета в режиме реального времени.

В результате экспериментов было подтверждено достижение указанного технического результата: повышение стабильности тлеющего микроразряда атмосферного давления при токах около единиц и менее mA и межэлектродных расстояниях порядка десятков µm и менее.

Тестовые режимы работы устройства для получения стабильного микроразряда атмосферного давления приведены в конкретных примерах.

Пример 1.

Расстояние между плоским катодом (3) и игольчатым анодом (4) составляло 1 µm. По данным зависимости величины тока и напряжения разряда от времени (Фиг.4) видно, что разряд стабильно горит при токах около единиц mA и менее (на осциллограмме отсутствуют резкие скачки тока и напряжения).

Пример 2.

Расстояние между плоским катодом (3) и игольчатым анодом (4) составляло 6 µm. По данным зависимости величины тока и напряжения разряда от времени (Фиг.4) видно, что разряд стабильно горит при гораздо больших токах, чем в предыдущем случае, но падение напряжения на нем почти не изменилось. Пример 3.

Разряд при токах до 50 mA и разных расстояниях между плоским катодом (3) и игольчатым анодом (4). По представленным вольтамперным характеристикам (Фиг.6) видно, что при больших токах падение напряжения на разряде заметно меняется, причем с увеличением разрядного промежутка (~100 µm) изменение напряжения становятся больше.

Следует отметить, что при токах порядка сотен mA заостренное окончание анода за время около 1 s теряет форму за счет эрозии.

Пример 4.

Разряд между плоским катодом (3) и шаровым анодом (4) диаметром 11 mm (квазиплоский разрядный промежуток длиной 10 µm). В квазиплоском разрядном промежутке измерения, как и само горение тлеющего разряда, при зазорах около минимума кривой Пашена и левой ее ветви (10 µm и менее) затруднительны, так как сильно влияют неоднородность распределения зазора и шероховатость поверхности. Возникают множественные пробои уже при напряжениях менее 330 V (Фиг.7).

Пробой и разряд с игольчатым анодом (4) около минимума кривой Пашена имеют ряд особенностей. Слева от этого минимума, как пробой, так и сам разряд происходят выше кончика иглы (Фиг.2). Падение напряжения имеет одну и ту же величину, превышающую 270 V (300-307 V), но слабо зависящую от зазора и, соответственно, от давления газа (Фиг.5). Если в слабо неоднородном промежутке при приближении зазора к 1 микрону разряд совсем нестабилен, да еще и при малом токе, то в данном же случае за счет малости межэлектродной емкости удается легко получить относительно стабильный тлеющий разряд с нормальным падением напряжения при токах менее 1 mA (Фиг.4). Кроме того, острый кончик анода не эродирует при малых токах.

Заявляемое изобретение позволяет получать стабильный микроразряд достаточно простым и малозатратным способом, который не требует вакуумных установок, так как разряд горит в атмосфере и не требует внешней инжекции электронов, так как разряд является самостоятельным. Устройство может быть использовано при создании плазмохимических реакторов и газоанализаторов. Оно также может быть применено в различных методиках плазменного напыления и легирования материалов на участках микронного размера. Известно, например, что легирование поверхности материалов под действием газового разряда происходит интенсивней при более высоких давлениях.

Возможно также применение заявленного изобретения при локальном плазменном травлении материалов микроэлектронной техники. Известно устройство для локального плазмохимического травления материала [5] при помощи высокочастотного разряда. В отличие, от известного устройства заявленное изобретение позволит проводить травление стабильным тлеющим разрядом постоянного тока на микронных участках (порядка единиц микрон) при атмосферном давлении.

Список использованной литературы:

1. Симончик Л.В. Архипенко В.И. Сафронов Е.А. // Патент Белоруссии BY 14068 C1 2011.02.28.

2. Robert Н. Stark, Karl Н. Schoenbach // United States Patent No.: US 6433480 B1, 2002.

3. Шалыгина H.А. Сорокин A.P. // Патент России RU 2297071 // - Прототип.

4. Arkhipenko, V.I.; Kirillov, A.A.; Safronau, Y.A.; Simonchik, L.V. // DC atmospheric pressure glow microdischarges in the current range from microamps up to amperes // Eur. Phys. J. D 60, 455-463 (2010).

5. Абрамов А.В., Дикарев Ю.И., Суровцев И.С. // Патент Российской Федерации RU 2091904, 27.09.1997.