Устройство, предназначенное по существу для резонирования, подходящее для передачи радиочастотной мощности, а также система, включающая в себя такое устройство и используемая для генерации плазмы
Изобретение относится к устройствам передачи радиочастотной мощности. Устройство, выполненное с возможностью резонирования (2), подходящее для передачи РЧ мощности, в частности, используемое для генерации плазмы и выполненное с возможностью электрического подключения ниже по потоку относительно радиочастотного источника (3) питания, работающего на постоянной или переменной частоте, содержащее по меньшей мере один индуктивный элемент (Lр), который может быть запитан, при использовании, от такого по меньшей мере одного источника (3) питания; по меньшей мере один емкостный элемент (Cр), электрически соединенный с выводами такого по меньшей мере одного индуктивного элемента (Lр); причем такое по меньшей мере одно устройство (2) имеет резонансную круговую частоту, равную:
.
Емкостный элемент (Cр) и индуктивный элемент (Lр) имеют такие значения, чтобы в состоянии резонанса они обеспечивали эквивалентный импеданс, измеренный на выводах такого устройства (2), по существу резистивного типа и намного больше, чем значение паразитного импеданса выше по потоку относительно таких выводов такого устройства (2), поэтому при использовании эффект такого паразитного импеданса является по существу незначительным. Технический результат - повышение эффективности передачи радиочастотной мощности. 4 н. и 31 з.п. ф-лы, 9 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройству, предназначенному по существу для резонирования, подходящему для передачи радиочастотной (РЧ) мощности с материалами различного характера. Настоящее изобретение также относится к группе, содержащей одно такое устройство, в частности, используемое в аппаратуре для генерации плазмы.
Уровень техники
Известны группы с возможностью передачи РЧ мощности; они содержат РЧ источник питания, работающий на постоянной или переменной частоте, элемент согласования и по существу индуктивное устройство.
По существу индуктивное устройство одной такой группы имеет нагрузку, не только резистивную, с импедансом, который является переменным по модулю и фазе с изменением частоты и параметров связанной с этим мощности. С помощью одного такого устройства и с целью максимизации передачи мощности в традиционной группе для использования между РЧ источником питания и по существу индуктивным устройством предусмотрен элемент согласования, содержащий подходящие дополнительные переменные реактивные элементы, например, блок согласования с функцией согласования общей нагрузки на выводах РЧ источника питания. Блок согласования может содержать как емкостные элементы, так и индуктивные элементы.
В таких традиционных системах максимизация передачи мощности достигается на резонансной частоте системы, состоящей по существу из индуктивного устройства и элемента согласования (дополнительных реактивных элементов - блока согласования).
Однако такое решение имеет несколько недостатков.
Прежде всего, в традиционных группах нагрузка, компенсируемая блоком согласования, имеет индуктивную составляющую с чрезвычайно низким модулем по отношению к стандартному выходному импедансу (50-75 Ом) традиционных РЧ источников питания, что на рабочих частотах сопоставимо с паразитными элементами (паразитным импедансом) цепи РЧ источника питания и блока согласования. Это означает, что мощность, передаваемая РЧ источником питания, делится по существу между индуктивным устройством и паразитными элементами схемы с рассеиванием значительной части ее на таких паразитных элементах.
Кроме того, в традиционных группах ток источника питания имеет высокое значение по отношению к напряжению, поэтому омические потери группы являются значительными.
По существу индуктивное устройство, если оно питается напрямую от РЧ источника питания без размещения между ними блока согласования, имеет мнимую составляющую эквивалентного импеданса, которая является несущественной, отражая при этом значительную долю мощности, передаваемую в РЧ источник питания. По этой причине в традиционных группах требуются РЧ источники питания, которые способны поддерживать значительные доли отраженной мощности при работе в условиях неполного резонанса.
На такие традиционные системы также негативно влияет ограничение на мощность, подаваемую только из РЧ источников питания синусоидального напряжения. Поэтому существует потребность в выполнении устройств, подходящих для передачи мощности и обеспечивающих передачу РЧ мощности, которые были бы более эффективными по отношению к традиционным устройствам.
В документах US6291938B1, US20040124779A1, US20130088146A1, US20040263412A1 предложены решения, соответствующие уровню техники, которые основаны на использовании переменных и постоянных емкостей, расположенных в соответствии со схемой блока согласования или схемой согласования.
Сущность изобретения
Таким образом, главная задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы улучшить устройства уровня техники для передачи РЧ мощности в материалы различного типа, особенно подходящие для генерации плазмы.
Другая задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы выполнить альтернативное устройство по отношению к традиционным устройствам.
Другая задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы выполнить устройство для передачи РЧ мощности, которое устраняет недостатки традиционных устройств.
Еще одна задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы выполнить устройство для передачи РЧ мощности, которое является простым в изготовлении и имеет конкурентоспособную себестоимость.
Еще одна задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы выполнить группу для передачи РЧ мощности, которая может быть запитана от РЧ источников питания, но не обязательно синусоидального напряжения.
Не в последнюю очередь задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы выполнить группу для передачи РЧ мощности, которая оптимизирует полученную передачу мощности.
Согласно одному аспекту настоящего изобретения предложено устройство, которое предназначено по существу для резонирования, подходящее для передачи РЧ мощности по п.1.
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения выполнена группа для передачи РЧ мощности по п.24.
Согласно третьему аспекту настоящего изобретения выполнен способ работы такой группы по п.28.
Согласно четвертому аспекту предложена аппаратура, которая содержит такую группу для передачи мощности по п.32.
Зависимые пункты формулы изобретения относятся к предпочтительным и преимущественным вариантам осуществления изобретения.
Краткое описание чертежей
Дополнительные характеристики и преимущества настоящего изобретения будут более ясны из подробного описания предпочтительных, но не исключающих вариантов осуществления устройства для передачи РЧ мощности с материалами различного типа, приведенных в качестве неограничивающего примера на сопроводительных чертежах, на которых:
фиг.1a представляет собой схематичное изображение группы, содержащей устройство с возможностью передачи РЧ мощности согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.1b показывает схематичное изображение группы, содержащей устройство с возможностью передачи РЧ мощности согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.1c иллюстрирует схематичное изображение группы (фиг.1a), снабженной модулем адаптера сигнала;
фиг.2a, 2b и 2c соответственно иллюстрируют вид продольного разреза, перспективный вид и электрическую схему первого варианта устройства с возможностью передачи РЧ мощности согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.3a, 3b, 3c и 3d соответственно показывают перспективный вид, вид продольного разреза, вид детали в увеличенном масштабе и электрическую схему второго варианта устройства для передачи мощности согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.4a, 4b и 4c соответственно показывают перспективный вид, вид продольного разреза и электрическую схему второго варианта в соответствии с фиг.3a, 3b, 3c и 3d, выполненного с несколькими дополнительными характеристиками согласно настоящему изобретению;
фиг.5a, 5b и 5c соответственно иллюстрируют перспективный вид, вид продольного разреза и электрическую схему третьего варианта устройства для передачи мощности согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.6a, 6b и 6c соответственно иллюстрируют перспективный вид, вид продольного разреза и электрическую схему третьего варианта в соответствии с фиг.5a, 5b и 5c, иллюстрирующего несколько дополнительных характеристик устройства для передачи мощности согласно настоящему изобретению;
фиг.7a, 7b и 7c соответственно иллюстрируют вид продольного разреза, перспективный вид и электрическую схему четвертого варианта устройства для передачи мощности согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.8a, 8b и 8c соответственно показывают вид продольного разреза, вид детали в увеличенном масштабе (фиг.8a) и электрическую схему пятого варианта устройства для передачи мощности согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения; и
фиг.9 схематично изображают аппаратуру, содержащую устройство для передачи мощности согласно изобретению, подходящую для генерации плазмы.
Подробное описание изобретения
Прежде всего, концепция, лежащая в основе устройства для передачи мощности согласно настоящему изобретению, состоит в том, что выполнение функции цепи в резонансном состоянии означает работу в наилучших возможных условиях передачи энергии.
В отличие от упомянутых вкратце традиционных способов, которые предусматривают "принуждение" по существу индуктивного устройства и средства согласования импеданса (блока согласования) работать на предварительно установленной резонансной частоте, устройство для передачи мощности согласно настоящему изобретению предусматривает работу при значении частоты, на которой оно свободно резонирует во время использования.
Это связано с тем, что полный резонанс позволяет получать электромагнитные поля высокой интенсивности, ограниченные в пределах устройства для передачи мощности или в непосредственной близости от него, обеспечивая высокую передачу радиочастотной мощности в нагрузку, содержащуюся в нем, например, в газ.
В настоящем описании и в нижеследующей формуле изобретения термин "емкостной элемент" обозначает как электрический компонент или множество электрических компонентов, которые в целом имеют электронный характер работы под напряжением и током, аналогичный работе конденсатора, так и емкостной эффект, обычно нежелательный и развивающийся при определенных условиях одного или нескольких электрических компонентов. Поэтому, термин "емкостной элемент" относится как к электрическим компонентам или их комбинациям, так и к паразитным емкостям.
Аналогично, в настоящем описании и в нижеследующей формуле изобретения термин "индуктивный элемент" обозначает как электрический компонент или множество электрических компонентов, которые, в целом, имеют электронный характер работы под напряжением и током, аналогичный характеру работы индуктора, так и индуктивный эффект, обычно нежелательный и развивающийся в некоторых условиях с помощью одного или более электрических компонентов. Поэтому термин "индуктивный элемент" относится как к электрическим компонентам или их комбинациям, так и к паразитным индуктивностям.
Со ссылкой теперь на фиг.1a и 1b будет отмечено, что они схематично иллюстрируют два предпочтительных варианта осуществления группы, содержащей устройство, подходящее для передачи РЧ мощности согласно настоящему изобретению. На этих фигурах группа для передачи РЧ мощности согласно настоящему изобретению обычно показана с поз.1 и содержит устройство 2 для передачи мощности LC типа, которое на техническом жаргоне также называется "антенной", и средство подачи РЧ мощности, показанное поз.3 и установленное для подачи мощности в устройство 2, работающее на постоянной или переменной частоте.
Как будет более понятно из приведенного ниже описания, одно такое устройство 2 для передачи мощности предназначено по существу для резонирования.
Группа для передачи мощности, проиллюстрированная на фиг.1a и 1b, также при необходимости содержит средство MM измерения, предназначенное для векторного измерения, во время использования напряжения и тока на выводах устройства 2, предназначенного по существу для резонирования и подходящего для передачи РЧ мощности.
Устройство 2, которое предназначено по существу для резонирования, содержит индуктивный элемент Lр и емкостной элемент Cр и предназначено для работы в состоянии резонанса, то есть на круговой частоте, равной:
.
Средство MM измерения, помимо измерения, как изложено выше, напряжений и токов на входе устройства 2, по существу предназначенного для резонирования, также выполнено с возможностью проверки возможного сдвига по фазе между такими физическими величинами для того, чтобы определить, работает или нет устройство во время использования в состоянии резонанса.
Согласно первому варианту осуществления, проиллюстрированному на фиг.1a, устройство 2, по существу предназначенное для резонирования, содержит первый индуктивный элемент Lр, в частности, катушку с емкостью Cр, расположенную параллельно ему, и может быть запитано напрямую от РЧ источника 3 питания (то есть без размещения между ними других электрических компонентов) с выводов индуктивного элемента Lр.
Однако, со ссылкой на фиг.1b, во втором варианте осуществления устройство 2, по существу предназначенное для резонирования и подходящее для передачи РЧ мощности, содержит трансформатор или автотрансформатор 4, который может быть запитан от РЧ источника 3 питания.
Такая цепь трансформатора или автотрансформатора 4 содержит, как показано на фиг.1b, первичную цепь, изображенную в виде катушки L1, имеющей n1 витков, и вторичную цепь, изображенную в виде индуктивного элемента Lр, в частности в виде катушки, имеющей n2 витков, которая, в свою очередь, электрически соединена с емкостным элементом Cр. В данном втором варианте осуществления первичная цепь запитывается с выводов катушки L1.
В устройстве 2, по существу предназначенном для резонирования и подходящем для передачи РЧ мощности, согласно настоящему изобретению, согласование импеданса необходимо для получения оптимизированной передачи мощности в зависимости, среди прочего, от размеров самого устройства. Преимущественно, в обоих вариантах осуществления настоящего изобретения емкостной элемент (Cр) и индуктивный элемент (L1, Lр) устройства 2, по существу предназначенного для резонирования, имеют такие значения, чтобы (на техническом жаргоне, "они имеют такой размер, что") эквивалентный импеданс на выводах РЧ источника 3 питания был, в состоянии резонанса, почти полностью резистивным и намного больше, чем паразитный импеданс цепи, расположенной выше по потоку относительно устройства 2.
В качестве ссылки, термин "намного больше" означает эквивалентный импеданс, который больше приблизительно в 10-100 раз, чем паразитный импеданс цепи, расположенной выше по потоку устройства 2 согласно настоящему изобретению.
Такие высокие значения эквивалентного импеданса устройства 2, по существу предназначенного для резонирования и подходящего для передачи РЧ мощности, оказывают незначительное влияние на паразитный импеданс РЧ источника 3 питания.
Что касается индуктивного элемента Lр, это означает работу с индуктивностями, имеющими высокое значение, например, значение, находящееся между несколькими сотнями нГн (например, 200 нГн) и 10 мкГн или более, что позволяет получить высокую добротность Q и в то же время уменьшить вышеупомянутые недостатки, связанные с явлением значительного рассеивания в традиционных системах. Аналогично, что касается емкостного элемента Cр, это означает работу с емкостью низкого значения, которая находится, например, между несколькими десятками пФ и сотнями пФ. Такое условие (пониженной емкости) дополнительно облегчает получение высокого значения добротности, что повышает эффективность резонансного контура.
Что касается емкостных элементов Cр, то устройство 2 согласно настоящему изобретению предусматривает несколько вариантов, которые будут лучше проиллюстрированы ниже.
Как правило, такие варианты способствуют генерации, главным образом, электрического поля, синхронно с магнитным полем, создаваемым индуктивными элементами. Это позволяет улучшить общее электромагнитное поле, излучаемое устройством с последующим повышением эффективности передачи энергии устройством 2, по существу предназначенным для резонирования в нагрузке (например, в газе, плазме или другом материале, находящемся внутри устройства 2 или в непосредственной близости от него). Как правило, емкостным элементом Cр устройства 2, по существу предназначенного для резонирования и подходящего для передачи РЧ мощности, может быть конденсатор, физически расположенный отдельно от индуктивного элемента Lр или выполненный как одно целое с ним, или так называемого распределенного типа, или полученный путем использования паразитных емкостей непосредственно самого индуктивного компонента.
Возвращаясь к эквивалентному модулю импеданса устройства 2, по существу предназначенного для резонирования с возможностью передачи РЧ мощности, эквивалентный импеданс устройства 2 на выводах РЧ источника 3 питания определяется не только размерами и физическими и электрическими характеристиками индуктивных элементов (L1, Lр), емкостных элементов (Cр) и любого другого элемента, возможно присутствующего в резонансном контуре, но также, во втором варианте осуществления (фиг.1b), отношением витков n1:n2 между первичной цепью и вторичной цепью трансформатора 4.
Фактически, в таком втором варианте осуществления различное отношение витков между первичной и вторичной цепями на практике только изменяет эквивалентный модуль импеданса, наблюдаемый на входных выводах устройства 2, без значительного изменения резонансной частоты. Это позволяет преимущественным образом получить, среди прочего, значение, равное 50 Ом, или другое значение, подходящее для выходного импеданса РЧ источника питания коммерческого типа или выполненного соответствующим образом.
Интервал значений эквивалентного импеданса, который можно получить путем соответствующего определения размеров элементов устройства 2, обычно составляет от 10 до 1000 Ом и обеспечивает возможность подключения устройства 2 также к нетрадиционным РЧ усилителям с эквивалентными выходными импедансами, которые также очень отличаются от традиционных 50 Ом - 75 Ом.
Специалист в данной области техники заметит, что при использовании одной такой конфигурации, таким образом, минимизируется компонент мощности, отраженный в РЧ источник питания. Кроме того, высокое значение модуля эквивалентного импеданса, в резонансном состоянии, позволяет преимущественно работать с высокими значениями напряжения и низкими значениями тока, тем самым минимизируя омические потери.
Следует также заметить, что при использовании конфигурации, описанной выше, устройство 2, по существу предназначенное для резонирования с возможностью передачи РЧ мощности, согласно настоящему изобретению, вопреки тому, что происходит в традиционных системах, можно запитать от РЧ генератора с коммутацией напряжения прямоугольной формы, работающего на фактической резонансной частоте устройства 2, если модуль адаптера вставлен между таким устройством и РЧ источником питания. Такой модуль адаптера, обозначенный поз.AS на фиг.1c, как правило, представляет собой последовательный резонансный LC-фильтр или аналогичное устройство, состоящее только из пассивных элементов. Это дает множество преимуществ, в том числе, среди прочего, тот факт, что, как известно, источник питания прямоугольного напряжения намного эффективней, чем генератор синусоидального напряжения.
Что касается устройства 2, ниже и со ссылкой на фиг.2a-8c, будут проиллюстрированы несколько вариантов варианта осуществления устройства 2, которое по существу предназначено для резонирования с возможностью передачи РЧ мощности, согласно настоящему изобретению, с конкретной ссылкой на второй вариант осуществления, в котором устройство 2, таким образом, содержит трансформатор или автотрансформатор 4.
В каждом конкретном случае специалист в данной области техники легко поймет, что такие варианты осуществления могут быть одинаково применены к первому варианту осуществления настоящего изобретения, то есть, в котором индуктивный элемент Lp устройства 2 непосредственно питается от РЧ источника 3 питания или при отсутствии первичной цепи L1.
Как видно, в вариантах, проиллюстрированных на этих фигурах, предусматривается наличие одного или нескольких электродов или емкостей, встроенных в конструкцию устройства 2, которые способствуют образованию осевого и/или радиального электрического поля в дополнение к магнитному полю из-за индуктивных элементов устройства 2. Эффект таких емкостей заключается в увеличении составляющей электрического поля, которое может генерироваться.
Такое дополнительное электрическое поле, как будет ясно видно из последующего описания, может быть также получено путем соответствующего выбора отношения между числом витков вторичной цепи Lр и первичной цепи L1 (n2/n1), если РЧ источник питания имеет выходной импеданс приблизительно 50-75 Ом с малой средней мощностью (приблизительно 50-200 Вт), таким образом, чтобы такое отношение было равно или больше 5, например, даже больше 20, поэтому значения напряжения на выводах вторичной цепи Lр являются особенно высокими.
Однако, если РЧ источник питания имеет высокие выходные напряжения, например, в случае РЧ источников питания с выходным импедансом 50-75 Ом и выходной мощностью больше 200-500 Вт, или в случае усилителей с выходными импедансами, которые даже отличаются от стандартных значений 50-75 Ом, но с выходными напряжениями больше 100-200 В, отношение n2/n1 может быть меньше 5 или даже равняться 1.
Естественно, требуемый уровень мощности, который может быть подан РЧ источником питания, зависит от различных факторов, таких, например, как требуемая плотность получаемой плазмы, объем, в котором создается такая плазма, возможный поток газа, тип газа и т.д.
Как правило, при тех же перечисленных выше параметрах отношение витков должно увеличиваться при снижении напряжения, подаваемого РЧ источником питания.
Со ссылкой, в частности на фиг.2a-2c, будет отмечено, что устройство 2, по существу предназначенное для резонирования и подходящее для передачи РЧ мощности, согласно настоящему изобретению содержит опорную конструкцию 5, выполненную из электроизоляционного материала, показанного на фигурах, прилагаемых к настоящему описанию, с трубчатой конфигурацией, с внутренней поверхностью 5а и внешней поверхностью 5b и с внутренним разграничением рабочей области 5c.
Однако несущая конструкция 5 может иметь любую конфигурацию, если она позволяет, как будет видно ниже, поддерживать другие компоненты устройства 2 и поддерживать их физически отделенными друг от друга, при этом опорная конструкция 5 ограничивает рабочую область или область 5с, которая во время использования подвергается воздействию электромагнитного поля, передаваемого устройством 2. Одна такая опорная конструкция 5 может, например, содержать множество удлиненных пластинчатых элементов, предпочтительно 3 или более, расположенных по существу параллельно, смещенных по углу друг от друга вокруг одной и той же продольной оси и установленных для поддержки компонентов устройства 2. Такие пластинчатые элементы ограничивают рабочую область 5с, и каждый из них имеет внешнюю поверхность 5b, противоположную внутренней поверхности 5а, направленной в такую рабочую область 5с.
Предпочтительно, опорная конструкция, выполнена из электроизоляционного материала, например, кварца.
Устройство 2, по существу предназначенное для резонирования и подходящее для передачи РЧ мощности, согласно настоящему изобретению содержит первую обмотку 6, расположенную в продольном направлении вокруг такой опорной конструкции 5 (трубчатой на фигуре) и в контакте с ее внешней поверхностью 5b. Такая первая обмотка 6 образует часть первичной цепи трансформатора 4, как показано на фиг.1b, и соответствует в электрической схеме фиг.2c катушке L1. Устройство 2, по существу установленное для резонирования, содержит на концах первой обмотки 6 средство 7 для электрического соединения с РЧ источником 3 питания.
Устройство 2 согласно настоящему изобретению также содержит вторую обмотку 8, расположенную коаксиально и внутри опорной конструкции 5 и в контакте с внутренней поверхностью 5a непосредственно этой конструкции. Такая вторая обмотка 8 соответствует, на электрической схеме фиг.2c, катушке Lр вторичной цепи трансформатора 4.
Согласно первому варианту устройства 2, по существу предназначенного для резонирования и подходящего для передачи РЧ мощности, согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения, емкостной элемент Cр устройства 2 представлен внешним конденсатором 9, электрически соединенным, как видно на фигурах, с выводами второй обмотки 8. В этом случае реофоры внешнего конденсатора 9 соединены, предпочтительно непосредственно сварены, то есть без взаимного размещения между ними дополнительных электрических компонентов, с выводами индуктивного элемента, например, второй обмотки 8, с тем, чтобы обеспечить минимально возможное значение трех паразитных величин: R (короткий провод), L (распределенная индуктивность, которая не создает магнитное поле) и C. Следовательно, реофоры преимущественно имеют сечение, равное нескольким мм2, например, около 10-20 мм2, и длину, которая меньше или равна 10-15 см.
При использовании одной такой конфигурацией можно легко понять, что в опорной конструкции 5, в рабочей зоне 5c, ограниченной таким образом, во время использования создается РЧ электромагнитное поле.
Со ссылкой теперь на фиг.3a-3d, будет отмечено, что устройство 2, по существу предназначенное для резонирования с возможностью передачи РЧ мощности, согласно настоящему изобретению по существу содержит одинаковую конструкцию устройства, проиллюстрированного на фиг.2a-2c, причем в (во втором) варианте, в данном случае, емкостной элемент Cр устройства 2 встроен в опорную конструкцию 5 или получен посредством пары пластинчатых элементов, выполненных из электропроводного материала, например, пары медных листов 10 и 11, наложенных на опорную конструкцию 5 на одном ее конце - один внутри и один снаружи. Такие элементы образуют две обкладки конденсатора Cʹx с диэлектриком, расположенным между ними, как показано на фиг.3d.
Специалист в данной области техники легко поймет, что в этом случае опорную конструкцию 5 можно выполнить полностью эквивалентным образом, например, посредством:
множества удлиненных пластинчатых элементов, расположенных параллельно и смещенных по углу вокруг продольной оси, и
трубчатого элемента, например, круглого сечения, присоединенного к одному ее концу, на который наносятся медные листы 10 и 11, выполненные из электропроводного материала. В этом случае конденсатор Cʹx также соединен с выводами катушки 5 Lр вторичной цепи трансформатора 4, которая на фигурах соответствует второй обмотке 8.
На фиг.4a-4c показано устройство 2, которое по существу предназначено для резонирования с возможностью передачи РЧ мощности, полностью эквивалентное устройству, показанному на фиг.3a-3d, в котором, тем не менее, вторичная цепь трансформатора 4 содержит катушку Lр с двойным слоем. В варианте осуществления, показанном на фиг.4a и 4b, такая катушка соответствует второй обмотке 8 и содержит два слоя, расположенных на противоположных сторонах по отношению к опорной конструкции 5 устройства.
Третий вариант устройства 2, по существу предназначенного для резонирования с возможностью передачи РЧ мощности, согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения проиллюстрирован на фиг.5a-5c.
В этом случае, как первая обмотка 6, так и вторая обмотка 8 намотаны снаружи на опорную конструкцию 5, выполненную из изоляционного диэлектрического материала. Емкостной элемент Cр устройства 2 фактически встроен в конструкцию 5 и получен посредством двух пар элементов, выполненных из электропроводного материала, например, как те, которые описаны со ссылкой на фиг.3a-3d, при этом пластинчатые элементы каждой пары накладываются следующим образом: один накладывается внутри, а другой накладывается снаружи опорной конструкции 5. Каждая пара накладывается на один конец такой опорной конструкции 5. Как видно на фиг.5b, пары элементов из электропроводного материала электрически соединены друг с другом последовательно посредством соединительного элемента 12, выполненного из электропроводного материала. Во всяком случае, ничто не запрещает предусмотреть множество таких соединительных элементов 12 для последовательного соединения пар элементов, выполненных из электропроводного материала, например, расположенных с угловым смещением относительно друг друга вокруг опорной конструкции 5.
Такие элементы образуют обкладки двух конденсаторов Cʹx с расположенным между ними диэлектриком и электрически соединены последовательно с выводами второй обмотки 8 (Lр на фиг.5c).
С точки зрения достижения, специалист в данной области техники легко поймет, что проводящий элемент Cр устройства 2, по существу предназначенного для резонирования с возможностью передачи РЧ мощности, можно получить только с одной емкостью или с многочисленными емкостями, последовательно и/или параллельно соединенными друг с другом. Элементы, выполненные из электропроводного материала, нанесенного на опорную конструкцию 5, можно разрезать в продольном направлении во избежание возникновения короткозамкнутых витков.
Согласно альтернативной и дополнительной конфигурации вышеописанного третьего варианта, проиллюстрированного на фиг.6a-6c, вторая обмотка 8 может быть предусмотрена внутри опорной конструкции 5, и, кроме того, как будет объяснено ниже, в этом случае между двумя последовательно включенными конденсаторами Cʹx предусмотрено земляное соединение 13 для того, чтобы получить уравновешивание напряжения во вторичной цепи.
Согласно четвертому варианту второго варианта осуществления (фиг.7a-7c), для резонирования устройство 2, по существу предназначенное с возможностью передачи РЧ мощности, содержит вторую обмотку 8 с двойным слоем, и емкостной элемент Cр устройства 2 представлен паразитными емкостями, которые проявляются в нем. Такие паразитные емкости обозначены поз.Cx на фиг.7c. В этом случае опорная конструкция 5 может содержать только множество пластинчатых удлиненных элементов, расположенных под углом относительно друг друга вокруг продольной оси и расположенных между обмоткой 6 первичной цепи и обмоткой 8 вторичной цепи таким образом, чтобы поддерживать обмотки на расстоянии друг от друга.
В еще одном таком четвертом варианте проиллюстрирован пластинчатый электрод 14, который предусмотрен на внутренней поверхности 5a опорной конструкции 5 на одном его конце и электрически соединен со второй обмоткой 8 (смотри, в частности, фиг.7c). Такой пластинчатый электрод 14 имеет функцию увеличения осевого и/или радиального электрического поля в непосредственной близости от самого устройства и может быть запитан синхронным электрическим потенциалом, возможно смещенным относительно напряжения питания группы для передачи мощности.
На фиг.8a-8c показаны другие варианты группы 2 передачи мощности. В этом случае устройство 2, по существу предназначенное для резонирования с возможностью передачи РЧ мощности, содержит пластинчатый электрод 14 типа, описанного со ссылкой на фиг.7a-7c, но наложенный на внешнюю часть опорной конструкции 5, всегда электрически соединенную со второй обмоткой 8. Устройство 2, по существу предназначенное для резонирования с возможностью передачи РЧ мощности, может также содержать дополнительный электрод 15 проволочного типа, расположенный внутри стержнеобразного трубчатого средства, выполненного из изоляционного материала, аксиально поддерживаемого в опорной конструкции 5 посредством подходящего средства 16 поддержки. Кроме того, этот электрод 15 проволочного типа во время использования способствует образованию дополнительного электрического поля в устройстве.
На фиг.8a также показан дополнительный внешний трансформатор 17, при этом средство для повышения напряжения применяется в устройстве 2 для того, чтобы получить улучшенную связь по отношению к РЧ источнику питания. Такой дополнительный трансформатор можно получить с помощью двухпроводной технологии "согласующий трансформатор" с отношением витков 1:n или других эквивалентных технологий, используемых для РЧ трансформаторов или автотрансформаторов.
Специалист в данной области техники поймет, что такие вышеописанные варианты устройства 2, по существу предназначенного для резонирования с возможностью передачи РЧ мощности, можно реализовать в сочетании друг с другом для того, чтобы получить желаемую конфигурацию непосредственно устройства 2.
Специалист в данной области техники также поймет, что, если симметрирующий трансформатор типа "согласующего трансформатора" используется в качестве средства согласования импеданса, обмотка первичной цепи 6 запитывается напряжением, которое уравновешивается по отношению к земле, следовательно, среднее значение напряжения, распределенное в первичной цепи, равно нулю. Следовательно, среднее значение напряжения, распределенного во вторичной цепи 8 также равно нулю из-за емкостного эффекта с первичной цепью. В этой ситуации, если в качестве емкостных элементов устройства, по существу предназначенного для резонирования 2 с возможностью передачи РЧ мощности, используются два конденсатора Cʹx, включенные последовательно и эквивалентные друг другу, не имеет значения - внешний (как показано на фиг.2a) или встроенный (как показано, например, на фиг.6a), при условии, что они обеспечивают емкостной делитель разности потенциалов на выводах катушки вторичной цепи, точка электрического соединения между ними находится под нулевым потенциалом в каждый момент времени. Такая точка может затем быть подключена к земле устройства. Кроме того, в случае встроенных конденсаторов Cʹx, как показано на фиг.6a-6c, то есть коаксиальных по отношению к опорной конструкции 5, внешние обкладки 10 спонтанно находятся под нулевым потенциалом, следовательно, они могут быть электрически соединены друг с другом посредством соединительного средства 12 и к земле системы (13) вместе с внешним экраном (не является обязательным), который целиком намотан вокруг антенны.
Специалист в данной области техники также поймет, что возможны другие варианты, помимо описанных выше.
Например, можно получить первичную цепь трансформатора 4 с множеством проводников проволочного типа, расположенных параллельно, каждый из которых электрически изолирован от других для того, чтобы минимизировать недостатки, связанные со скин-эффектом, возникающим в электрической цепи при высокой частоте.
Можно выполнить вторичную цепь с несколькими проводниками, расположенными бок о бок друг с другом для того, чтобы лучше использовать скин-эффект.
Можно также выполнить как первичную цепь, так и вторичную цепь в виде двух или нескольких секций, расположенных в продольном направлении бок о бок друг с другом. Электроды 14 и 15 могут быть запитаны независимым образом или электрически соединены с резонансной группой LрCp.
Возможность выполнить вторичную цепь однослойной или многослойной была уже описана выше, так как имеется возможность выполнить трансформатор средства согласования импеданса в соответствии с различными технологиями с симметричным выходом или несимметричным выходом.
С конкретной ссылкой на вышеописанные обмотки их можно получить с помощью медного проводника (или проводника, выполненного из любого другого подходящего электропроводного материала) с круглым сечением, или прямоугольным сечением, или многоугольным сечением, или с несколькими проволоками (например, типа лицендрата), или трубчатого проводника (для обеспечения возможности циркуляции возможной охлаждающей жидкости).
Для обмоток, как первичной, так и вторичной, можно использовать проводник с круглым сечением, прямоугольным сечением (обычная пластина) и многоугольным сечением или провод типа лицендрат. Наиболее часто используемый проводник круглого сечения можно легко намотать, и он позволяет получить высокое отношение числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки на единицу длины и, следовательно, высокое значение получаемой индуктивности. При использовании проводника с прямоугольным сечением, учитывая тот же самый участок по отношению к круглому сечению, существует более низкое отношение числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки на единицу длины, следовательно, с более низким значением эквивалентной индуктивности; следовательно, улучшаются условия, касающиеся скин-эффекта. Сравнивая эти два решения (провод круглого сечения или пластина), известно, что пластина позволяет получить при одной и той же длине обмотки более низкую индуктивность с последующей более высокой резонансной частотой, но это является приемлемым, поскольку участок пластины лучше для использования скин-эффекта, который становится более очевидным по мере увеличения частоты. Возникает эффект типа самокомпенсации частотной характеристики при переходе от провода круглого сечения к пластине. Преимущество, связанное с проводом типа лицендрат, сопоставимо с проводом круглого сечения, но не с поведением, обусловленным скин-эффектом, сравнимым, если даже не лучше, чем для пластины. В то же время жесткий провод с круглым поперечным сечением может быть самоподдерживающимся проводом типа лицендрат, который не является жестким и требует опоры из изоляционного материала.
В любом случае специалист в данной области техники легко поймет, что в условиях работы с пониженной частотой, например, в диапазоне от нескольких сотен кГц до нескольких Гц, требуется большая индуктивность для катушки Lр вторичной цепи с большим числом витков, но менее сильный скин-эффект позволяет использовать проводник круглого сечения. В условиях работы при высокой частоте, например, от нескольких МГц до нескольких десятков МГц, требуется меньшая индуктивность катушки вторичной цепи 8 с меньшим числом витков, и при более сильном скин-эффекте предпочтительно использовать обмотку с прямоугольным сечением (с многоугольным сечением).
Вышеописанное устройство 2, по существу предназначенное для резонирования с возможностью передачи РЧ мощности, позволяет получить при использовании, в области 5c, ограниченной опорной конструкцией 5 или вблизи с ней, электромагнитные поля высокой интенсивности, которые, таким образом, особенно подходят для генерации плазмы или для других приложений, которые требуют передачи РЧ мощности в твердые, жидкие или газообразные материалы.
Для этой цели схематично проиллюстрировано на фиг.9 аппаратура, подходящая для генерации плазмы, начиная с источника газа, и использующая устройство 2 согласно настоящему изобретению.
Как видно, такая аппаратурапредусматривает средство подачи материала, например, газа, на вход устройства 2, по существу предназначенного для резонирования и подходящего для передачи мощности, как было описано выше, то есть на одном конце его опорной конструкции 5. Аппаратура также содержит РЧ источник питания, работающий на переменной или постоянной частоте и предназначенный при использовании для питания устройства 2, а также средство 18 фокусировки плазмы на выходе устройства 2, то есть на другом конце опорной конструкции 5 устройства. Такое средство 18 фокусировки содержит одну или более катушек, запитанных постоянным током, которые предназначены для повышения эффективности устройства для генерации плазмы.
Таким образом, устройство 2 такой аппаратуры, как видно из приведенного выше подробного описания, получается с точки зрения схемотехники согласно LC-конфигурации с дополнительным импедансом Z, соответствующим нагрузке (по существу резистивного типа), прикладываемой к нему, то есть газа или другого материала в рабочей зоне 5c непосредственно устройства 2 или в непосредственной близости от него. Такая аппаратура, как это очевидно, не обязательно требует согласующих элементов импеданса вне устройства 2, по существу предназначенного для резонирования, как описано выше РЧ, для того, чтобы обеспечить работу на определенной резонансной частоте
Аппаратура функционирует на фактической резонансной частоте устройства 2, по существу предназначенного для резонирования, а не, как уже было сказано выше, на резонансной частоте системы, состоящей по существу из индуктивного элемента и схемы согласования относительного импеданса, типичной для традиционных систем. Таким образом, электрический КПД передачи энергии аппаратуры является высоким, и, следовательно, становится более высокой мощность, передаваемая в нагрузку (в плазму или в материал другого типа).
Специалист в данной области техники легко поймет, что устройство 2, по существу предназначенное для резонирования с возможностью передачи РЧ мощности, не требует использования ферромагнитного сердечника в индуктивных элементах (L1, Lр). Тем не менее, ничто не запрещает вставлять ферромагнитный сердечник в качестве дополнительного элемента резонансного контура для приложений, которые в соответствии с этим случаем выиграют от этого.
Как изложено выше, в состоянии резонанса эквивалентный импеданс, наблюдаемый с помощью РЧ источника 3 электропитания, имеет резистивный тип, и это вместе с фактом использования преимущественно высоких импедансов подразумевает ряд преимуществ, в том числе:
факт устранения проблем, связанных с нерезистивной нагрузкой, когда реактивная составляющая мощности в элементах вне источника питания представляет собой источник рассеивания внутри самого источника питания (отраженной мощности);
факт получения, в состоянии резонанса, хорошей добротности, отмеченной высоким модулем эквивалентного импеданса. Такая ситуация позволяет в одинаковой степени минимизировать рассеивающее действие резистивных элементов как устройства, так и схемы источника питания;
паразитные составляющие, как индуктивные, так и емкостные (на практике не устранимые), незначительны при наличии высокого значения эквивалентного импеданса устройства 2, по существу предназначенного для резонирования;
около резонансной частоты получается характеристика фазы между напряжением и током монотонного типа, что позволяет обеспечить, посредством векторного измерения напряжения и тока, простое и точное определение состояния резонанса.
Значение 5 резонансной частоты является единственным из-за значений индуктивных компонентов и емкостных компонентов устройства 2, по существу предназначенного для резонирования с возможностью передачи РЧ мощности, которые зависят в целом незначительным образом от схемы источника питания устройства.
Наличие нагрузки, например, в виде плазмы или другого материала, внутри рабочей зоны 5c устройства 2, может варьировать как резонансную частоту, так и коэффициент полезного действия самого устройства 2 в режиме холостого хода, сохраняя при этом работу в качестве резонансного контура.
Преимущественно вышеописанное устройство 2, по существу предназначенное для резонирования с возможностью передачи РЧ мощности, может иметь геометрическую конфигурацию, которая является симметричной или асимметричной по отношению к своим выводам источника питания.
Электрическое поле, генерируемое в нем, может быть симметричным и уравновешенным относительно земли или опорного потенциала (13), асимметричным по отношению к поверхности земли или плавающим, то есть независящим от них.
Работа вышеописанного устройства 2, по существу предназначенного для резонирования с возможностью передачи РЧ мощности, и группы 1 довольно простой и надежной.
В основе настоящего изобретения лежит тот факт, что устройство 2, по существу предназначенное для резонирования с возможностью передачи РЧ мощности, РЧ-запитывается на частоте таким образом, чтобы он начал свободно резонировать.
Определение такой рабочей частоты, соответствующей резонансной частоте устройства 2, может быть получено путем соответствующего выбора емкостных элементов Cp и их индуктивных элементов Lp в зависимости от рабочей частоты РЧ источника 3 питания и/или, наоборот, путем подачи питания на устройство 2 с помощью источника питания, работающего с переменной частотой до тех пор, пока не будет достигнута резонансная частота. Путем измерения сдвига по фазе между напряжениями и токами на входе устройства 2, по существу предназначенного для резонирования посредством вышеописанного средства MM измерения или другого подходящего эквивалентного средства, частота РЧ источника 3 питания устанавливается на значении частоты, при которой фаза между напряжением и током на входе устройства 2 будет минимальной (нуль при оптимальных условиях).
Для этой цели устройство 2, по существу предназначенное для резонирования и подходящее для вышеописанной передачи РЧ мощности, выгодно и легко сочетается с системой автоматического согласования частоты РЧ источника 3 питания, которая однако не является частью настоящего изобретения. Такая комбинация возможна благодаря монотонному характеру функции фазы между напряжением и током около резонансной частоты.
Было обнаружено, что предварительные лабораторные испытания показали, что можно сделать устройство 2 таким образом, чтобы получить резонанс в диапазоне частот, которые колеблются от сотен до нескольких десятков МГц (30-40 МГц) при рабочих мощностях любого порядка, представляющего практический интерес.
Вышеописанные конфигурации устройства 2, по существу предназначенного для резонирования с возможностью передачи РЧ мощности, позволяют получать резонансные частоты в широком диапазоне значений. Устройство 2 также позволяет получить электромагнитное поле благодаря только индуктивным элементам L1, Lр или емкостным элементам Cp.
Другие преимущества, обеспечиваемые устройством 2, предназначенным по существу для резонирования с возможностью передачи РЧ мощности, согласно изобретению представлены ниже.
Прежде всего, так как во время использования устройство 2 свободно резонирует, существует возможность подачи питания на него посредством источника питания с традиционным переключением и последовательным подключением только одного LC фильтра, который также имеет низкую добротность, между таким источником питания и устройством 2.
Следует также отметить, что устройство 2, которое по существу предназначено для резонирования, подходит для передачи РЧ мощности, является предметом изобретения, может иметь переменные размеры, находящиеся в широком интервале с диаметром порядка нескольких см и длиной несколько см вплоть до размеров, которые масштабируются с коэффициентом пропорциональности от 10 до 50.
Затем с учетом размеров с точки зрения электрических компонентов устройства 2, по существу предназначенного для резонирования с возможностью передачи РЧ мощности, ясно, что во втором варианте осуществления можно изменить эквивалентный импеданс путем изменения отношения витков n1:n2 между первичной цепью и вторичной цепью трансформатора 4.
Кроме того, можно изменять резонансную частоту устройства 2 при отсутствии нагрузки путем соответствующего определения размера индуктивного элемента Lp и емкостного элемента Cp непосредствено устройства.
Аналогично, в этом случае можно варьировать коэффициент полезного действия устройства 2, по существу предназначенного для резонирования с возможностью передачи РЧ мощности, путем изменения отношения Lр/Cр вторичной цепи.
Как упомянуто выше, группа, содержащая устройство 2, по существу предназначенное для резонирования с возможностью передачи РЧ мощности, как описано выше, может использовать, в качестве РЧ источника питания, стандартные РЧ усилители с выходным импедансом 50-75 Ом или усилители, подходящим образом выполненные с нестандартными выходными импедансами.
Для этой цели, как видно из приведенного выше описания, если бы РЧ источник питания на высокой частоте имел бы стандартный выходной импеданс, как правило, находящийся между 50 и 75 Ом, необходимо было бы иметь возможность изменять эквивалентный импеданс устройства 2, по существу предназначенного для резонирования путем доведения его до значений, которые обеспечивают во время использования наилучшую возможную связь с РЧ источника питания. Такое действие может быть достигнуто с помощью двух приемов, также совместно используемых:
а) изготовление конструкции с трансформатором/автотрансформатором 4, без ферромагнитного сердечника, с первичной цепью 6 питания, запитанной от РЧ источника питания, и вторичной цепью 8, образованной резонансным контуром LрCр; и/или
б) использование дополнительного внешнего трансформатора средства повышения напряжения, которое может быть выполнено с использованием двухпроводной технологии "согласующего трансформатора" с коэффициентом трансформации 1:n, которая была упомянута выше, или посредством других технологий, используемых для РЧ трансформаторов или автотрансформаторов.
При использовании решения (a) резонансная частота существенно зависит от вторичной цепи устройства 2, в то время как отношение числа витков первичной цепи к числу витков вторичной цепи n1/n2 достигает согласования импеданса. Можно получить широкий диапазон значений эквивалентного импеданса, наблюдаемого в первичной цепи путем изменения отношения витков между первичной и вторичной цепями. Получение одной такой конструкции изменяет модуль импеданса в состоянии параллельного резонанса вторичной цепи, без существенного изменения значения такой частоты.
Используя эквивалентную схему трансформатора, вводится второе условие резонанса, то есть условие временной последовательности из-за распределенной индуктивности трансформатора при более высокой частоте, чем основной параллельный резонанс. Чем эффективнее связь между первичной и вторичной цепями, тем выше вторая резонансная частота по отношению к первому параллельному резонансу. При уменьшении числа витков в первичной цепи частота последовательного резонанса достигает значения параллельного резонанса. Это связано с ухудшением связи между первичной и вторичной цепями и с соответствующим уменьшением эффективности самого трансформатора.
Оптимальная точка функционирования, например, для возможной генерации плазмы, находится в состоянии параллельного резонанса, легко управляемого любым РЧ источником питания при наличии высокого значения эквивалентного импеданса устройства, по существу резистивного типа, согласно настоящему изобретению.
Состояние последовательного резонанса имеет модуль импеданса, который является чрезвычайно низким и, следовательно, критичным для большинства РЧ усилителей. При использовании усилителей стандартного типа (выходной импеданс 50-75 Ом) следует избегать такого условия, но ничто не запрещает использовать устройство 2, по существу предназначенное для резонирования и подходящее для передачи РЧ мощности при таком условии, с усилителями с низким выходным импедансом, способными передавать высокие токи.
Если, даже при максимальном отношении витков между первичной цепью и вторичной цепью устройства значение импеданса должно быть слишком высоким по отношению к имеющемуся РЧ источнику питания, можно вернуться к решению (b). Для того, чтобы чрезмерно не увеличивать отношение витков в рамках найденных решений, удобно использовать дополнительное согласование импеданса, обеспечиваемое дополнительным трансформатором/автотрансформатором за пределами устройства согласно изобретению.
Устройство 2 можно экранировать посредством экранов, выполненных из электропроводного материала и/или материала с высокой магнитной проницаемостью, размещенного из расчета эталонного электрического потенциала или плавающего потенциала.
Что касается вышеупомянутых документов уровня техники, то будет отмечено, что в документе US6291938B1 (смотри фиг.2 и 6, строки 1-9 из столбца 3, строки 55-62 из столбца 6 и строка 18 из столбца 9) делается ссылка на систему, состоящую из "резонансной секции", соединенной с "нерезонансной секцией", но резонансная секция, как говорят, включает в себя обмотку, то есть индуктивность.
Для такой цели, как известно, индуктивность не может резонировать без емкостного элемента, электрически соединенного с ней параллельно или последовательно, следовательно, авторы US6291938B1 явно исходят из неправильного предположения.
Помимо этого, в документе US6291938B1 говорится, что "резонансная секция" может быть соединена с РЧ источником питания посредством "стандартной схемы РЧ согласования", следовательно, согласно общей практике источника РЧ плазмы этого типа, то есть без электродов, погруженных в плазму. Система согласования состоит из переменных реактивных элементов (емкостей и/или индуктивности), которые подключены к антенне для того, чтобы убедиться, что усилитель "видит" резистивную нагрузку с модулем, равным своему выходному импедансу (типично 50 или 75 Ом для того, чтобы обеспечить максимальную передачу энергии от усилителя к антенне), а не реактивную нагрузку, чей модуль импеданса имеет очень маленькое значение, которым он не может управлять эффективным образом. Такой эффект достигается путем создания "распределенного" резонанса, то есть резонируют все вместе антенна, система согласования и соединительные провода.
Тем не менее, в этих условиях очень высокие токи циркулируют в антенне и в соединительных проводах между непосредственно антенной и системой согласования, принимая в расчет, что индуктивность антенны значительно снижена, и, таким образом, возникает импеданс, на рабочих частотах, сравнимый с паразитными элементами проводов и другими компонентами соединения; при этом такие высокие токи приводят к высоким омическим потерям и поэтому к пониженной эффективности системны, и чтобы повысить такую эффективность системы, особенно важно уделять особое внимание электрическим соединениям, в некоторых случаях с использованием активных системы охлаждения.
Аналогичные замечания можно сделать для US20040124779A1.
Устройство согласно настоящему изобретению, в отличие от устройства, которое описано в вышеупомянутых документах уровня техники, между тем по существу резонирует и за счет использования емкостей - например, встроенных в опорную конструкцию антенны (которая является в любом случае является индуктивной обмоткой), и/или их паразитных емкостей и/или внешней емкости, но напрямую соединенных с выводами катушки - получается система, которая резонирует без необходимости использования дополнительных элементов, таких как блоки согласования.
Это обеспечивает значительное преимущество по отношению к системам согласно уровню техники, поскольку при резонансе общий импеданс системы согласно настоящему изобретению является очень высоким по отношению к паразитным элементам, присутствующим в соединительных элементах (проводах и т.д.), что означает, что из всей мощности, подаваемой РЧ генератором, большая часть поглощается резонансной системой, обеспечивая высокую эффективность. Устройство согласно настоящему изобретению также в значительно меньшей степени критично, чем другие с точки зрения электрических соединений, при условии, что рассеивание в любом случае незначительно по отношению к поглощению мощности резонансной нагрузкой.
Для того, чтобы лучше объяснить то, что указано выше, как известно, для получения высокой эффективности передачи энергии для резонансной системы, необходимо иметь высокую добротность, которая, помимо прочего, зависит от значения сопротивления Rs потерь, которое определяется с помощью проводов электрического соединения. Что касается Rs, то его положение внутри резонансного контура является весьма значительным. Если Rs расположено между РЧ усилителем мощности и резонансным контуром (согласно настоящему изобретению) в состоянии резонанса через сопротивление потерь (соединительные провода) протекает ток, поглощаемый резонансным контуром, который, как установлено, имеет высокий модуль импеданса (действительно, потому что он работает в резонансе).
Если Rs находится между соединительными емкостями (блока согласования) и индуктивным элементом резонансного контура (что соответствует уровню техники), также в условиях резонанса через него протекает обменный ток между индуктивностью и емкостью, который становится тем выше при одинаковой резонансной частоте, чем меньше значение индуктивности, и, конечно, больше, чем ток, поглощаемый резонансной системой в целом.
В устройствах уровня техники, где индуктивный элемент резонансного контура находится в удаленном месте по отношению к резонансной емкости, участок линии между блоком согласования и индуктивным элементом пересекает обменный ток между L и C, и наличие сопротивления Rs вызывает значительное рассеивание. Единственный способ уменьшить такое рассеивание в устройствах уровня техники состоит в том, чтобы уменьшить значение Rs, но существуют ограничения из-за сопротивления проводов, контактных сопротивлений разъемов и скин-эффекта проводников.
В случае устройства согласно настоящему изобретению по существу резонансный контур не требует блока согласования, и через весь участок линии между РЧ усилителем и по существу резонансным устройством протекает ток, который не является высоким в действительности, так как параллельный резонансный контур (который приравнивается к устройству согласно настоящему изобретению) в состоянии резонанса имеет максимальный модуль импеданса. При наличии одинакового Rs эффект от такого импеданса по отношению к конфигурации предыдущих устройств является незначительным.
Принимая во внимание вышеизложенное, будет отмечено, что решение, лежащее в основе настоящего изобретения, которое обеспечивает стабилизацию емкостного элемента и индуктивного элемента с такими значениями, которые вырабатывают, в состоянии резонанса, эквивалентный импеданс, измеряемый на выводах устройства, по существу резистивного типа и намного больший, чем значение паразитного импеданса выше по потоку относительно выводов устройства, поэтому эффект паразитного импеданса во время использования становится в значительной степени незначительным, помимо того, что он является дифференцированным по отношению к ранее предложенным решениям, также является изобретательским по отношению к нему.
Действительно, для того чтобы повысить добротность систем, например, тех, которые приведены в документах US6291938B1 и US20040124779A1, специалист в данной области техники, исходя из указанного выше, уменьшит или попытается уменьшить сопротивление проводников и не будет оказывать влияния на работу емкостных или индуктивных элементов для того, чтобы получить в состоянии резонанса эквивалентный импеданс больше, чем значение паразитного импеданса выше по потоку относительно выводов устройства.
Что касается такого аспекта, ни один из вышеупомянутых документов уровня техники фактически не предусматривает применения такого решения; более того, существуют внутренние ограничения значений L и C в системах, указанных в таких документах, поэтому паразитные емкости проводов решений уровня техники добавляются к резонансной емкости, и, следовательно, налагают ограничения, связанные с невозможностью увеличения индуктивности катушки выше определенного предела, в противном случае фактическая резонансная частота будет уменьшаться, учитывая, что фактическая резонансная частота (как упомянуто выше) равна единице, поделенной на квадратный корень из индуктивности, умноженной на емкость.
Очевидно, что изменение резонансной частоты должно быть максимально предотвращено, особенно если усилитель не может, как это часто бывает, допускать или поддерживать ее изменение.
Кроме того, настройка, то есть изменение емкостей, такой же системы, как и в вышеупомянутых документах уровня техники, является довольно сложной и включает в себя наличие нерезистивных переходных нагрузок на усилитель, вызывающих начало так называемой отраженной мощности в направлении самого усилителя, поэтому необходимо по меньшей мере увеличивать размер усилителя.
Следовательно, будет понятно, что специалист в данной области техники не только не обнаружит предложений в существующем уровне техники для модификации ранее предложенных решений, чтобы решить в настоящем изобретении задачу настоящей патентной заявки, но также, исходя из изложенного выше, ему не следует рекомендовать даже только гипотетически такое решение.
Аналогичные соображения применены к группе, аппаратуре и способу согласно настоящему изобретению, в частности, к способу, согласно которому сдвиг по фазе измеряется между напряжением и током на входе устройства, и если сдвиг по фазе не равен нулю, частота источника питания регулируется до тех пор, пока измеренный сдвиг по фазе не станет практически нулевым, то есть к способу, который не исследован и даже не предложен существующим уровнем техники.
Таким образом, предложенное изобретение восприимчиво к многочисленным модификациям и вариациям в пределах объема защиты, ограниченного нижеследующей формулой изобретения.
Следовательно, существует, например, возможность совместного применения модуля измерения вольт-амперных характеристик и схема согласования формы сигнала, как при использовании устройства с простым резонансным LC-контуром согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения, так и при использования устройства с конструкцией трансформатора или автотрансформатора со вторичным резонансным LC-контуром, согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.
Кроме того, на практике используемые материалы, если они соответствуют конкретному применению, а также размеры и формы могут быть любого типа в соответствии с требованиями к применению и/или конструкции.
В дополнение, вышеупомянутое значение отношения n2/n1 является приблизительным и относительным для устройств, имеющих опорную конструкцию 5, ограничивающую изнутри рабочую зону 5c с объемом до сотен кубических сантиметров и мощность, подаваемую стандартными усилителями с выходным импедансом 50-75 Ом и мощностью 100-200 Вт. Можно с достаточной степенью уверенности утверждать, что, поскольку не существует заранее установленного ограничения для такого отношения витков, устройство согласно настоящему изобретению позволяет обеспечить согласование различных РЧ усилителей с различными конфигурациями источника газа для генерации плазмы при условии, что может быть достигнута наилучшая возможная связь между РЧ источником питания и устройством в соответствии с типом получаемой плазмы.
Кроме того, все детали могут быть заменены другими технически эквивалентными элементами с одинаковой функциональностью, даже если они имеют разные конструктивные режимы работы.
1. Устройство, выполненное с возможностью резонирования (2), подходящее для передачи РЧ мощности, в частности, используемой для генерации плазмы, и выполненное с возможностью электрического соединения ниже по потоку от радиочастотного источника (3) питания, имеющего постоянную или переменную частоту, содержащее:
по меньшей мере один индуктивный элемент (Lр), который при использовании может быть запитан от упомянутого по меньшей мере одного источника (3) питания;
по меньшей мере один емкостный элемент (Cр), электрически соединенный с выводами упомянутого по меньшей мере одного индуктивного элемента (Lр);
причем упомянутое по меньшей мере одно устройство (2) имеет резонансную круговую частоту, равную
,
отличающееся тем, что
упомянутый емкостный элемент (Cр) и упомянутый индуктивный элемент (Lр) имеют каждый такие значения, что в состоянии резонанса они обеспечивают эквивалентный импеданс, измеренный на выводах упомянутого устройства (2), по существу резистивного типа и намного выше, чем паразитный импеданс выше по потоку от выводов упомянутого устройства (2), так что при использовании эффект упомянутого паразитного импеданса является по существу незначительным.
2. Устройство по п.1, в котором упомянутый по меньшей мере один индуктивный элемент (Lр) может быть запитан непосредственно упомянутым источником (3) питания, то есть без размещения между ними дополнительных электрических компонентов.
3. Устройство по п.1, содержащее по меньшей мере один трансформатор или автотрансформатор (4), включающий в себя в свою очередь: одну первичную цепь упомянутого одного трансформатора или автотрансформатора (4), снабженную по меньшей мере одной катушкой (L1) с n1 витками, и одну вторичную цепь, снабженную по меньшей мере одним индуктивным элементом (Lр), имеющим n2 витков, причем упомянутая катушка (L1) упомянутой первичной обмотки непосредственно запитана упомянутым источником (3) питания.
4. Устройство по любому из пп.1-3, содержащее по меньшей мере одну опорную конструкцию (5), выполненную из электроизоляционного материала, имеющего одну внутреннюю поверхность (5a) и одну внешнюю поверхность (5b), причем упомянутая опорная конструкция (5) ограничивает изнутри рабочую зону (5c) для упомянутого устройства.
5. Устройство по любому из пп.1-4, в котором упомянутый по меньшей мере один индуктивный элемент (Lр) поддерживается упомянутой опорной конструкцией в продольном направлении вокруг него и в контакте с ним.
6. Устройство по п.5, в котором упомянутый по меньшей мере один емкостный элемент (Cр) содержит внешний конденсатор (9), электрически соединенный с упомянутым по меньшей мере одним индуктивным элементом (Lр) и поддерживаемый снаружи и на расстоянии от упомянутой опорной конструкции (5).
7. Устройство по п.6, в котором реофоры упомянутого внешнего конденсатора (9) соединены напрямую, то есть без размещения между ними дополнительных электрических компонентов, с выводами упомянутого индуктивного элемента (8).
8. Устройство по п.7, в котором упомянутые реофоры имеют сечение 10-20 мм2 и длину, меньшую или равную 10-15 см.
9. Устройство по любому из пп.4-8, в котором упомянутый по меньшей мере один емкостный элемент (Cр) выполнен как одно целое внутри упомянутой опорной конструкции (5).
10. Устройство по п.9, в котором упомянутый емкостный элемент (Cр) содержит по меньшей мере одну пару пластинчатых элементов (10, 11), выполненных из электропроводного материала и наложенных на упомянутую опорную конструкцию (5) на одном ее конце и на противоположных сторонах, причем упомянутые пластинчатые элементы (10, 11) таким образом образуют две пластины конденсатора (C'x) с диэлектрическим материалом между ними.
11. Устройство по любому из пп.4-9, в котором упомянутый по меньшей мере один емкостный элемент (Cр) содержит две пары пластинчатых элементов (10, 11), выполненных из электропроводного материала, приложенных один изнутри, а другой снаружи по отношению к упомянутой опорной конструкции (5), при этом каждая пара упомянутых пластинчатых элементов (10, 11) накладывается на один конец упомянутой опорной конструкции (5) и электрически соединяется последовательно с другой парой посредством по меньшей мере одного соединительного элемента (12), выполненного из электропроводного материала, при этом упомянутые пары таким образом образуют два конденсатора (C'x) с диэлектрическим материалом между ними и электрически соединены последовательно с выводами упомянутого по меньшей мере одного индуктивного элемента (Lр).
12. Устройство по любому из пп.4-11, в котором упомянутый по меньшей мере один емкостный элемент (Cр) задается паразитной емкостью (Cx) упомянутого по меньшей мере одного индуктивного элемента (Lр).
13. Устройство по любому из пп.4-12, содержащее по меньшей мере один пластинчатый электрод (14), наложенный на упомянутую опорную конструкцию (5) на одном ее конце и электрически соединенный с упомянутым по меньшей мере одним индуктивным элементом (Lр), причем упомянутый пластинчатый электрод (14) запитан с электрическим потенциалом, который является синхронным или возможно несовпадающим по фазе по отношению к напряжению питания упомянутого устройства (2).
14. Устройство по любому из пп.4-13, содержащее по меньшей мере один электрод (15) проволочного типа, аксиально поддерживаемый внутри упомянутой опорной конструкции (5) в упомянутой рабочей зоне (5c).
15. Устройство по любому из пп.4-14, в котором упомянутый по меньшей мере один индуктивный элемент (Lр) поддерживается изнутри и/или снаружи упомянутой опорной конструкции (5).
16. Устройство по любому из пп.4-15, в котором упомянутый по меньшей мере один индуктивный элемент (Lр) содержит один или более слоев, причем каждый слой поддерживается изнутри и/или снаружи упомянутой опорной конструкции (5).
17. Устройство по любому из пп.4-16, зависимому от п.3, в котором упомянутая катушка (L1) поддерживается снаружи упомянутой опорной конструкции (5).
18. Устройство по п.17, содержащее средство (7) соединения для электрического соединения с упомянутым источником (3) питания, предусмотренное на концах упомянутой катушки (L1).
19. Устройство по любому из пп.1-18, в котором упомянутый по меньшей мере один емкостный элемент (Cр) можно получить с одним или несколькими конденсаторами, соединенными последовательно и/или параллельно.
20. Устройство по любому из пп.10-18, в котором упомянутые пластинчатые элементы, выполненные из электропроводного материала, разрезаются в продольном направлении во избежание короткого замыкания катушек.
21. Устройство по любому из пп.1-18, в котором упомянутый по меньшей мере один индуктивный элемент (Lр) можно получить с одной или несколькими катушками индуктивности, соединенными последовательно и/или параллельно.
22. Устройство по п.3, в котором отношение между упомянутыми n2 витками упомянутого по меньшей мере одного индуктивного элемента (Lр) и упомянутыми n1 витками упомянутой по меньшей мере одной катушки (L1) равно или больше 5, если упомянутое устройство напрямую электрически соединено с выходными выводами РЧ источника питания, имеющего выходное напряжение между 50 В и приблизительно 200 В.
23. Устройство по п.3, в котором отношение между упомянутыми n2 витками упомянутого по меньшей мере одного индуктивного элемента (Lр) и упомянутыми n1 витками упомянутой по меньшей мере одной катушки (L1) меньше 5, если упомянутое устройство напрямую электрически соединено с выходными выводами РЧ источника питания, имеющего выходное напряжение более 100 В.
24. Система для передачи мощности, содержащая:
по меньшей мере один радиочастотный (РЧ) источник питания, работающий на постоянной или переменной частоте;
устройство, выполненное с возможностью резонирования (2), по любому из предыдущих пунктов, и электрически соединенное с упомянутым по меньшей мере одним радиочастотным источником (3) питания.
25. Система по п.24, содержащая по меньшей мере одно средство измерения (MM), выполненное с возможностью подключения между упомянутым по меньшей мере одним радиочастотным источником (3) питания и упомянутым по меньшей мере одним устройством (2), выполненное с возможностью измерения сдвига по фазе между напряжениями и токами, которые вырабатывает упомянутый по меньшей мере один источник (3) питания на входе упомянутого устройства (2).
26. Система по п.24 или 25, содержащая по меньшей мере один модуль адаптера (AS), выполненный с возможностью подключения между упомянутым по меньшей мере одним радиочастотным источником (3) питания и упомянутым по меньшей мере одним устройством (2), причем упомянутый модуль адаптера (AD) содержит по меньшей мере последовательный резонансный LC-фильтр, при этом упомянутый по меньшей мере один радиочастотный источник (3) питания представляет собой источник питания прямоугольного напряжения.
27. Система по любому из пп.24-26, содержащая одно устройство (2) по любому из пп.2-23.
28. Способ работы системы для передачи мощности на радиочастоте, содержащий следующие этапы:
размещение системы (1) по любому из пп.24-27;
подача питания на упомянутое по меньшей мере одно устройство (2) из упомянутой системы (1) на частоте, по существу соответствующей резонансной частоте упомянутого по меньшей мере одного устройства (2).
29. Способ по п.28, в котором предусмотрено выбирать компонент упомянутого по меньшей мере одного устройства (2) таким образом, чтобы резонансная частота упомянутого устройства (2) соответствовала рабочей частоте упомянутого по меньшей мере одного радиочастотного источника (3) питания.
30. Способ по п.28 или 29, в котором упомянутый этап подачи питания на упомянутое по меньшей мере одно устройство (2) на одной частоте, соответствующей резонансной частоте упомянутого по меньшей мере одного устройства (2), предусматривает подэтап выбора, в диапазоне частот, который может вырабатывать упомянутый по меньшей мере один радиочастотный источник (3) питания, причем частота соответствует резонансной частоте упомянутого по меньшей мере одного устройства (2).
31. Способ по п.30, в котором упомянутый подэтап выбора, в диапазоне частот, который может вырабатывать упомянутый по меньшей мере один радиочастотный источник (3) питания, частоты, соответствующей резонансной частоте упомянутого по меньшей мере одного устройства (2), содержит:
измерение сдвига по фазе между напряжением и током на входе упомянутого по меньшей мере одного устройства (2); и
регулировку частоты упомянутого источника (3) питания, если упомянутый сдвиг по фазе не равен нулю, до тех пор, пока упомянутый измеренный сдвиг по фазе не станет по существу равен нулю.
32. Аппаратура для генерации плазмы, начинающейся с газа, содержащая:
по меньшей мере одну систему (1) по любому из пп.24-27;
средство подачи упомянутого газа в упомянутое по меньшей мере одно устройство (2); а также
одно входное отверстие для газа;
одно выходное отверстие для плазмы;
одну рабочую зону (5c), продолжающуюся от упомянутого входного отверстия до упомянутого выходного отверстия.
33. Аппаратура по п.32, причем упомянутая система (1) содержит по меньшей мере одно устройство (2), включающее в себя опорную конструкцию (5), причем оно содержит средство (18) фокусировки и при этом упомянутое средство подачи и упомянутое средство (18) фокусировки размещены на противоположных сторонах упомянутой опорной конструкции (5).
34. Аппаратура по п.32 или 33, содержащая средство фокусировки плазмы (18) в выходном отверстии для плазмы упомянутого устройства (2), причем упомянутое средство (18) фокусировки содержит одну или несколько обмоток, которые могут быть запитаны постоянным током.
35. Аппаратура по любому из пп.32-34, причем упомянутая аппаратура работает, при использовании, на одной частоте, по существу равной резонансной частоте упомянутого устройства (2), когда в упомянутую рабочую зону (5c) подается упомянутый газ.
