Газоразрядная камера

 

Изобретение относится к газоразрядной технике и может быть использовано для получения тлеющего разряда (ТР) для различных целей, например для возбуждения активных сред газовых лазеров, для спектроскопии газов и их смесей для химического анализа, для создания плазмохимических реакторов и установок плазменного травления микросхем и др. Газоразрядная камера представляет собой герметичную газонаполненную полость, стенки которой выполнены в виде металлических электродов, отделенных от смежных электродов изолирующими прокладками. Камера выполнена в форме выпуклого многогранника, на ребрах которого размещены изоляторы, таким многогранником может быть: правильный октаэдр, кубооктаэдр, икосододекаэдр, ромбокубооктаэдр, усеченный тетраэдр, усеченный икосаэдр, усеченный гексаэдр или усеченный додекаэдр. Кроме того, многогранник может представлять собой совокупность двух пирамид с одинаковым четным числом боковых граней и с открытыми одинаковыми основаниями, совмещенных по контурам своих оснований так, чтобы вершины пирамид находились по разные стороны от плоскости оснований, или многогранник также может представлять собой совокупность двух пирамид и, по меньшей мере, одной призмы с одинаковым четным числом боковых граней и с открытыми одинаковыми основаниями, совмещенных по контурам своих оснований в последовательности “пирамида-призмы-пирамида” так, чтобы вершины пирамид находились по разные стороны от призм. Технический результат: создание сферической фокусировки плазмы отрицательного свечения, приводящей к увеличению удельной светимости при одинаковом с прототипом энерговкладе в ТР. 1 н. и 10 з.п. ф-лы, 10 ил.

Применение

Изобретение относится к газоразрядной технике и может быть использовано для получения тлеющего разряда (ТР) для различных целей, например для возбуждения активных сред газовых лазеров, для спектроскопии газов и их смесей для химического анализа, для создания плазмохимических реакторов и установок плазменного травления микросхем и др.

Уровень техники

Известна газоразрядная камера, представляющая протяженную герметичную газонаполненную полость в виде диэлектрической трубки, на обоих концах которой размещены электроды см. рис. IV.3.3 на с. 19 [1] (Энциклопедия низкотемпературной плазмы, под ред. Фортова В.Е. М.: Наука, 2000. Вводный том, кн. 2). Если радиус трубки составляет ~ 1 см, а ее длина - ~10...100 см, давление газа в камере приходится на диапазон 10^-2...10² Торр, то при приложении к электродам разности потенциала ~10²...10³ В между ними зажигается ТР постоянного тока величиной ~10^-4...10^-1 A.

Недостатком данного устройства является неоднородность горения ТР по длине камеры, проявляющаяся в неоднородности распределения электронной концентрации и распределения интенсивности свечения, причем самая яркая область отрицательного свечения (ОС) - занимает малую часть камеры по ее длине (всего 1...10 см). Другая светящаяся область ТР область положительного столба (ПС) хотя и является самой протяженной, подвержена неустойчивости ионизационного типа, приводящей к стратификации ПС и дополнительной неоднородности свечения.

Известна газоразрядная камера, представляющая собой протяженную герметичную газонаполненную полость, боковая стенка которой выполнена в виде сегментированной трубки, каждый из сегментов является металлическим электродом, отделенным от смежных с ним изолирующими прокладками, а торцы трубки выполнены из прозрачного диэлектрика, т.е. оптически открыты см. рис. IV3.11в на с.19 [1] (Энциклопедия низкотемпературной плазмы, под ред. Фортова В.Е. М.: Наука, 2000. Вводный том, кн. 2) и рис. 3 [2] (Донко З., Рожа К., Шалаи Л. Высоковольтный разряд с полым катодом: применение в лазерной технике и моделирование движения электронов. Физика плазмы, 1998, т. 24, №7, с.637-648). При определенном выборе давления газа в камере, размеров электродов и величины разности потенциала между электродами в камере зажигается ТР постоянного тока, причем его ОС однородно занимает практически весь объем камеры. Газоразрядная камера, описанная в [2] выбрана за прототип.

Недостатком известной газоразрядной камеры прототипа является недостаточная удельная на единицу объема интенсивность свечения (светимость) ОС, что ограничивает применение ее, например, в газовых лазерах. В связи с этим задачей является повышение удельной светимости ОС.

Сущность изобретения

Задачей изобретения является повышение удельной светимости ОС при одинаковом с прототипом энерговкладе в ТР. Технический результат заключается в создании сферической фокусировки плазмы ОС, приводящей к увеличению удельной светимости ОС и улучшению энергетических характеристик устройств, использующих ТР, например газовых лазеров, плазмохимических реакторов, установок плазменного травления микросхем и др.

Технический результат достигается тем, что газоразрядная камера, представляющая собой герметичную газонаполненную полость, стенки которой выполнены в виде металлических электродов, отделенных от смежных электродов изолирующими прокладками, в отличие от прототипа, имеет форму выпуклого многогранника, каждая грань которого является отдельным электродом, а изолирующие прокладки между электродами располагаются на ребрах многогранника. Таким многогранником может быть: правильный октаэдр, кубооктаэдр, икосододекаэдр, ромбокубооктаэдр, усеченный тетраэдр, усеченный икосаэдр, усеченный гексаэдр или усеченный додекаэдр. Терминология и внешний вид перечисленных многогранников приведены на с.25-37 [3] (Веннинджер М. Модели многогранников. М.: Мир, 1974). Кроме того, многогранник может представлять собой совокупность двух пирамид с одинаковым четным числом боковых граней и с открытыми одинаковыми основаниями, совмещенных по контурам своих оснований так, чтобы вершины пирамид находились по разные стороны от плоскости оснований, или многогранник также может представлять собой совокупность двух пирамид и, по меньшей мере, одной призмы с одинаковым четным числом боковых граней и с открытыми одинаковыми основаниями, совмещенных по контурам своих оснований в последовательности "пирамида-призмы-пирамида" так, чтобы вершины пирамид находились по разные стороны от призм.

Поясним, на чем основана достижимость технического результата. При определенном выборе давления газа в камере, размеров электродов и величины разности потенциала между электродами в газоразрядной камере-прототипе и в предлагаемой камере можно добиться затрудненных условий горения ТР для смежных электродов разной полярности. При этом происходит совмещение большого числа идентичных ОС от каждой пары несмежных электродов разной полярности в одно общее ОС. При этом действуют геометрические эффекты "цилиндрической фокусировки плазмы ОС" для прототипа и "сферической фокусировки плазмы ОС" в нашем случае, приводящие к увеличению удельной светимости ОС. Ясно, что сферическая фокусировка более эффективная, так в этом случае отсутствуют открытые участки камеры, в направлении которых фокусировка плазмы ОС отсутствует.

На фиг.1-10 показаны примеры выполнения газоразрядной камеры в виде выпуклого многогранника, причем катоды камеры везде окрашены в черный цвет, а аноды в белый. Изолирующие прокладки, выполненные, например, в виде фторопластовых лент толщиной 0,5 мм и обеспечивающие герметичность камеры, на всех чертежах не показаны.

На фиг.1 показана камера в виде правильного октаэдра.

На фиг.2 показана камера в виде кубооктаэдра.

На фиг.3 показана камера в виде икосододекаэдра.

На фиг.4 показана камера в виде ромбокубооктаэдра.

На фиг.5 показана камера в виде усеченного тетраэдра.

На фиг.6 показана камера в виде усеченного икосаэдра.

На фиг.7 показана камера в виде усеченного гексаэдра.

На фиг.8 показана камера в виде усеченного додекаэдра.

На фиг.9 показана камера в виде совокупности двух пирамид с одинаковым четным числом боковых граней и с открытыми одинаковыми основаниями, совмещенных по контурам своих оснований так, чтобы вершины пирамид находились по разные стороны от плоскости оснований.

На фиг.10 показана камера в виде совокупности двух пирамид и, по меньшей мере, одной призмы с одинаковым четным числом боковых граней и с открытыми одинаковыми основаниями, совмещенных по контурам своих оснований в последовательности "пирамида-призмы-пирамида" так, чтобы вершины пирамид находились по разные стороны от призм.

Предлагаемая газоразрядная камера включает герметичную газонаполненную полость, стенками которой являются металлические электроды, разделенные изолирующими прокладками, выполненными, например, в виде фторопластовых лент толщиной 0,5 мм и обеспечивающими герметичность камеры. На всех чертежах прокладки не показаны. Электроды камеры могут быть выполнены из любого проводника, например меди, бронзы или нержавеющей стали. Предлагаемая камера выполнена в форме выпуклого многогранника каждая грань которого является отдельным электродом. На представленных чертежах белым цветом обозначены аноды, черным - катоды. В случае необходимости вывода излучения соответствующие средства вывода излучения могут быть размещены на любой из граней многогранной камеры.

Характерный размер камеры, длина наибольшей диагонали многогранника выбираются в зависимости от величины давления газа, при котором предполагается зажигать разряд с тем, чтобы основной объем камеры занимало ОС. Общую формулу для длины максимальной диагонали многогранника в зависимости от величины давления получить, по-видимому, затруднительно, во в каждом конкретном случае эту длину можно подобрать экспериментально. Например, для аргона при давлении 0,1 Topр и токе 100 мА она составляет 15-25 см.

Предлагаемая газоразрядная камера работает следующим образом. Все анодные электроды и все катодные электроды подключают параллельно к источнику питания. Предварительно камера откачивается и после этого наполняется необходимым газом или смесью газов. При подаче на электроды напряжения питания в камере зажигается разряд, наибольший объем камеры при этом занимает ОС. При этом достигается технический результат - сферическая фокусировка плазмы. Предлагаемая камера может работать также в режиме высокочастотного емкостного разряда, если на катодные электроды подать ВЧ-напряжения, а анодные заземлить.

Проведенные авторами расчетно-теоретические исследования показывают, что в предлагаемой газоразрядной камере будет получена сферическая фокусировка плазмы ОС, приводящая к увеличению удельной светимости ОС и улучшению энергетических характеристик устройств, использующих ТР, например газовых лазеров, плазмохимических реакторов, установок плазменного травления микросхем и др.

Формула изобретения

1. Газоразрядная камера, представляющая собой герметичную газонаполненную полость, стенки которой выполнены в виде металлических электродов, отделенных от смежных электродов изолирующими прокладками, отличающаяся тем, что камера имеет форму выпуклого многогранника, каждая грань которого является отдельным электродом, а изолирующие прокладки между электродами располагаются на ребрах многогранника.

2. Газоразрядная камера по п.1, отличающаяся тем, что многогранник выполнен в виде правильного октаэдра.

3. Газоразрядная камера по п.1, отличающаяся тем, что многогранник выполнен в виде кубооктаэдра.

4. Газоразрядная камера по п.1, отличающаяся тем, что многогранник выполнен в виде икосододекаэдра.

5. Газоразрядная камера по п.1, отличающаяся тем, что многогранник выполнен в виде ромбокубооктаэдра.

6. Газоразрядная камера по п.1, отличающаяся тем, что многогранник выполнен в виде усеченного тетраэдра.

7. Газоразрядная камера по п.1, отличающаяся тем, что многогранник выполнен в виде усеченного икосаэдра.

8. Газоразрядная камера по п.1, отличающаяся тем, что многогранник выполнен в виде усеченного гексаэдра.

9. Газоразрядная камера по п.1, отличающаяся тем, что многогранник выполнен в виде усеченного додекаэдра.

10. Газоразрядная камера по п.1, отличающаяся тем, что многогранник выполнен в виде совокупности двух пирамид с одинаковым четным числом боковых граней и с открытыми одинаковыми основаниями, совмещенных по контурам своих оснований так, чтобы вершины пирамид находились по разные стороны от плоскости оснований.

11. Газоразрядная камера по п.1, отличающаяся тем, что многогранник выполнен в виде совокупности двух пирамид и, по меньшей мере, одной призмы с одинаковым четным числом боковых граней и с открытыми одинаковыми основаниями, совмещенных по контурам своих оснований в последовательности пирамида-призмы-пирамида так, чтобы вершины пирамид находились по разные стороны от призм.

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10