[go: up one dir, main page]

RU2695541C1 - Device for inputting energy into gas-discharge plasma - Google Patents

Device for inputting energy into gas-discharge plasma Download PDF

Info

Publication number
RU2695541C1
RU2695541C1 RU2018123994A RU2018123994A RU2695541C1 RU 2695541 C1 RU2695541 C1 RU 2695541C1 RU 2018123994 A RU2018123994 A RU 2018123994A RU 2018123994 A RU2018123994 A RU 2018123994A RU 2695541 C1 RU2695541 C1 RU 2695541C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
circuit
plasma
inductor
amplifier
frequency
Prior art date
Application number
RU2018123994A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Юльевич Тычинский
Сергей Вадимович Карамов
Original Assignee
Акционерное общество "Концерн "Созвзедие"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Концерн "Созвзедие" filed Critical Акционерное общество "Концерн "Созвзедие"
Priority to RU2018123994A priority Critical patent/RU2695541C1/en
Priority to PCT/RU2019/000437 priority patent/WO2020009611A1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2695541C1 publication Critical patent/RU2695541C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32082Radio frequency generated discharge
    • H01J37/321Radio frequency generated discharge the radio frequency energy being inductively coupled to the plasma

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)

Abstract

FIELD: astronautics.SUBSTANCE: invention relates to devices for high-frequency excitation and maintenance of discharge of gas-discharge plasma in ion sources, ionic engines of spacecrafts with conversion of energy of direct-current source into radio-frequency electromagnetic energy of inductor field interacting with plasma volume through mutual inductance. Device for inputting energy into gas-discharge plasma includes at least one power supply connected to first input of amplifier, outputs of which are connected in parallel to at least one capacitor of LC-circuit, connected to inductor of this circuit, interacting through mutual inductance with plasma, at least one communication element with an LC circuit, the output of which is connected to the second input of the amplifier. Set of amplifier, LC-circuit, plasma, inductively interconnected with inductor of LC-circuit, coupling element of LC-circuit with amplifier together form self-oscillator.EFFECT: high rate of reaction of the energy input device into the gas-discharge plasma to change the resonant frequency of the circuit with the inductor, associated with the volume of plasma through mutual inductance, and stabilization of field intensity inside volume of inductor at variations of plasma density or changes in speed of working medium supply to plasma at high efficiency of energy input into plasma, with insignificant number of elements.4 cl, 4 dwg

Description

МПК H01J 27/16IPC H01J 27/16

Устройство ввода энергии в газоразрядную плазмуDevice for introducing energy into a gas discharge plasma

Изобретение относится к устройствам высокочастотного возбуждения и поддержания разряда газоразрядной плазмы в ионных источниках, ионных двигателях космических аппаратов с преобразованием энергии источника постоянного напряжения в радиочастотную электромагнитную энергию поля индуктора, взаимодействующего с объемом плазмы через взаимную индуктивность. The invention relates to devices for high-frequency excitation and maintenance of a discharge of a gas discharge plasma in ion sources, ion engines of spacecraft with the conversion of the energy of a constant voltage source into radio frequency electromagnetic energy of an inductor field interacting with a plasma volume through mutual inductance.

Известна «Система управления электрическим ракетным двигателем» (Патент на изобретение РФ №2564154 МПК F03H 1/00 (2006.01), опубл. 27.09.2015 Бюл. № 27). Система содержит микроконтроллер, усилитель мощности, источник электропитания усилителя мощности. Микроконтроллер выполнен с аналого-цифровым преобразователем входных управляющих сигналов, цифроаналоговым преобразователем выходных сигналов и тактовым генератором сигнала с перестраиваемой частотой. Выходы усилителя мощности соединены через линию связи с устройством ввода энергии, которое выполнено в виде индуктора. Устройство установлено с внешней стороны стенок газоразрядной камеры. В линию связи с устройством ввода энергии включены датчики тока и напряжения. Выходы датчиков подключены к входам фазового детектора и к сигнальным входам микроконтроллера. Выход фазового детектора подключен к сигнальному входу микроконтроллера. The well-known "Control system of an electric rocket engine" (Patent for the invention of the Russian Federation No. 2564154 IPC F03H 1/00 (2006.01), publ. 09/27/2015 Bull. No. 27). The system contains a microcontroller, a power amplifier, a power source of the power amplifier. The microcontroller is made with an analog-to-digital converter of input control signals, a digital-to-analog converter of output signals and a clock signal generator with a tunable frequency. The outputs of the power amplifier are connected via a communication line with an energy input device, which is made in the form of an inductor. The device is installed on the outside of the walls of the gas discharge chamber. Current and voltage sensors are included in the communication line with the energy input device. The outputs of the sensors are connected to the inputs of the phase detector and to the signal inputs of the microcontroller. The output of the phase detector is connected to the signal input of the microcontroller.

Данная система обладает двумя существенными недостатками: This system has two significant drawbacks:

1) Для обеспечения настройки встроенного в микроконтроллер тактового генератора сигнала с перестраиваемой частотой в резонанс с последовательным контуром из конденсатора связи и индуктора применена аналого-цифровая фазовая автоподстройка частоты (ФАПЧ), включающая в себя датчики тока и напряжения, фазовый детектор, аналого-цифровой преобразователь, внутренние узлы микропроцессора, программно замыкающую петлю обратной связи по фазе между током индуктора и напряжением на контуре индуктора, генератор сигнала с перестраиваемой частотой. Известно, что любая система с аналоговой или аналогово-цифровой ФАПЧ для устойчивости её работы требует наличия петлевого фильтра, обладающего определенной задержкой во времени и соответствующей амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристиками. Указанная задержка приводит к запаздывающей реакции частоты и фазы тактового генератора от сигнала рассогласования по фазе между током и напряжением соответствующих датчиков, подключенных к контуру индуктора. Случайное или функционально вызванное рассогласование по частоте и фазе, даже кратковременное, способно в значительной мере изменить амплитуду тока в контуре индуктора, как правило, уменьшив её из-за ухода с частоты резонанса, приводя к нежелательным последствиям в виде, например, гашения плазмы.1) To ensure the adjustment of the clock signal generator integrated in the microcontroller with a tunable frequency into resonance with a serial circuit from the coupling capacitor and inductor, an analog-digital phase locked loop (PLL) is used, which includes current and voltage sensors, a phase detector, an analog-to-digital converter , internal microprocessor units, software-closing phase feedback loop between the inductor current and the voltage on the inductor circuit, a signal generator with a tunable frequency . It is known that any system with an analog or analog-to-digital PLL for the stability of its operation requires a loop filter with a certain delay in time and corresponding amplitude-frequency and phase-frequency characteristics. The specified delay leads to a delayed response of the frequency and phase of the clock generator from the phase mismatch signal between the current and voltage of the respective sensors connected to the inductor circuit. A random or functionally caused mismatch in frequency and phase, even short-term, can significantly change the amplitude of the current in the inductor circuit, as a rule, reducing it due to departure from the resonance frequency, leading to undesirable consequences in the form, for example, of plasma quenching.

2) Для обеспечения «эффективного ввода энергии в газоразрядную камеру двигателя», для максимизации КПД, кроме «синфазности тока и напряжения в резонансном контуре» требуется выполнение условия соотношения сопротивлений: выходного сопротивления усилителя мощности Rвых и эквивалентного сопротивления плазмы и потерь проводимости индуктора Rпл+Ri, приведенного к выходу усилителя. Общепринятым фактом считается, что должно выполняться соотношение Rвых<<Rпл+Ri. С другой стороны, в связи с изменением плотности плазмы, значение Rпл+Ri может изменяться в значительных пределах, приводя к соответствующему изменению тока в цепи последовательного резонансного контура индуктора и пропорциональному изменению потребляемой мощности от источника питания, что особенно ярко проявляется при отсутствии разряда в плазме, когда приведенное значение Rпл равно нулю. Для предотвращения нежелательных значительных вариаций потребляемого тока от источника питания применено «автоматическое программно-расчетное регулирование мощности ВЧ сигнала» изменением напряжения источника питания усилителя мощности, что является усложнением системы и не исключает резких изменений тока индуктора и потребляемого тока при переходных процессах, как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения.2) To ensure "efficient energy input into the gas discharge chamber of the engine", to maximize the efficiency, in addition to "phase matching of the current and voltage in the resonant circuit", the condition for the ratio of the resistances: the output resistance of the power amplifier Rout and the equivalent plasma resistance and inductor loss Rpl + Ri given to the output of the amplifier. It is generally accepted that the ratio Rout << Rpl + Ri should be satisfied. On the other hand, due to a change in the plasma density, the value of Rpl + Ri can vary significantly, leading to a corresponding change in the current in the circuit of the series resonant circuit of the inductor and a proportional change in the power consumption from the power source, which is especially pronounced in the absence of a discharge in the plasma when the given value of Rpl is equal to zero. To prevent undesirable significant variations in the current consumption from the power source, “automatic programmed and calculated control of the RF signal power” was applied by changing the voltage of the power amplifier’s power source, which is a complication of the system and does not exclude sharp changes in the inductor current and current consumption during transients, as upwards , and downward.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является «Высокочастотный генератор для ионных и электронных источников» (патент на изобретение РФ № 2461908 МПК H01J27/00, опублик. 20.09.2012 Бюл. № 26), принятый за прототип.The closest in technical essence to the claimed device is "High-frequency generator for ion and electronic sources" (patent for the invention of the Russian Federation No. 2461908 IPC H01J27 / 00, published. 09/20/2012 Bull. No. 26), adopted as a prototype.

Устройство-прототип состоит из разрядной камеры для ионизируемого газа, намотанной вокруг разрядной камеры катушки связи для подвода высокочастотной энергии, необходимой для возбуждения плазмы, конденсатора связи, электрически связанного с катушкой связи, и высокочастотного генератора, электрически связанного с катушкой связи и вместе по меньшей мере с одним конденсатором связи образующего резонансный контур, причем высокочастотный генератор снабжен регулятором с фазовой подстройкой частоты (ФАПЧ) для автоматического согласования полного сопротивления резонансного контура, что обеспечивает возможность работы резонансного контура с резонансной частотой. Катушка связи подключается к высокочастотному генератору и образует с конденсатором связи высокочастотного генератора параллельный или последовательный резонансный контур. The prototype device consists of a discharge chamber for ionizable gas, wound around the discharge chamber of a communication coil for supplying the high-frequency energy necessary to excite the plasma, a coupling capacitor electrically connected to the communication coil, and a high-frequency generator electrically connected to the communication coil and together at least with one coupling capacitor forming a resonant circuit, and the high-frequency generator is equipped with a phase-locked loop (PLL) for automatic matching impedance of the resonant circuit, which makes it possible to operate the resonant circuit with a resonant frequency. The coupling coil is connected to the high-frequency generator and forms a parallel or series resonant circuit with the coupling capacitor of the high-frequency generator.

Устройство исправляет фазовые ошибки по току и напряжению в выходном силовом каскаде высокочастотного генератора путем автоматического отслеживания частоты и фазы резонансной частоты цепи нагрузки. Принцип такого регулирования основан на том, что схема регулирования с ФАПЧ непрерывно сравнивает положение по фазе синусоидального высокочастотного выходного тока и положение по фазе выходного напряжения генератора посредством цифрового фазового детектора и исправляет возникающую фазовую ошибку путем подстройки частоты генератора с помощью генератора, управляемого напряжением (ГУН), на частоту резонансного контура, пока фазовая ошибка не станет равной нулю.The device corrects phase errors in current and voltage in the output power stage of a high-frequency generator by automatically tracking the frequency and phase of the resonant frequency of the load circuit. The principle of this regulation is based on the fact that the PLL control circuit continuously compares the phase position of the sinusoidal high-frequency output current and the phase position of the generator output voltage using a digital phase detector and corrects the resulting phase error by adjusting the generator frequency using a voltage-controlled generator (VCO) , to the frequency of the resonant circuit, until the phase error becomes zero.

Устройство-протопип имеет три существенных недостатка:The protopip device has three significant drawbacks:

1) Система с обратной связью по фазовой ошибке в виде петли ФАПЧ обладает известной инерционностью подстройки частоты и фазы, которая в описании патента заявлена значением до 100 мкс. Резкое изменение плотности плазмы, которое может быть вызвано разными причинами, приводит к изменению резонансной частоты контура и отличию её от запаздывающего изменения частоты задающего ГУН. Для высокочастотного генератора с частотой порядка 1-2 МГц задержка 100 мкс эквивалентна 100-200 периодам этой частоты, что с учетом реальной практической добротности нагруженного резонансного контура QL=10…20 в присутствии плазмы означает падение амплитуды тока

Figure 00000001
в резонансном контуре в 4000 раз и более в соответствии с экспоненциальной зависимостью
Figure 00000002
, 1) A phase error feedback system in the form of a PLL loop has a known inertia of frequency and phase adjustment, which is stated in the patent description up to 100 μs. A sharp change in plasma density, which can be caused by various reasons, leads to a change in the resonant frequency of the circuit and its difference from a delayed change in the frequency of the master VCO. For a high-frequency generator with a frequency of the order of 1-2 MHz, a delay of 100 μs is equivalent to 100-200 periods of this frequency, which, taking into account the real practical Q factor of the loaded resonant circuit Q L = 10 ... 20 in the presence of a plasma, means a decrease in the current amplitude
Figure 00000001
in the resonant circuit 4000 times or more in accordance with the exponential dependence
Figure 00000002
,

где

Figure 00000003
;Where
Figure 00000003
;

t – время от начала переходного процесса.   t is the time from the beginning of the transition process.

Несмотря на рост добротности контура при падении амплитуды тока в контуре из-за возникающего при этом падения плотности плазмы, результирующее падение амплитуды тока контура остается значительным на указанном интервале времени и может сопровождаться гашением плазменного разряда. Описанный в этом пункте недостаток имеет место в первую очередь для варианта с последовательным резонансным контуром, который в патенте описан наиболее полно и имеет пояснения в большинстве фигур.Despite the increase in the quality factor of the circuit with a decrease in the amplitude of the current in the circuit due to the resulting decrease in plasma density, the resulting decrease in the amplitude of the current of the circuit remains significant over the indicated time interval and can be accompanied by the quenching of the plasma discharge. The disadvantage described in this paragraph occurs primarily for the variant with a serial resonant circuit, which is described in the patent most fully and has explanations in most figures.

2) Для варианта исполнения генератора, нагруженного на параллельный колебательный контур, по описанию патента имеется несколько противоречий, затрудняющих реальное осуществление изобретения. Например, упоминается «положение по фазе синусоидального высокочастотного выходного тока и положение по фазе выходного напряжения генератора посредством цифрового фазового детектора и исправляет возникающую фазовую ошибку путем подстройки частоты». Для параллельного колебательного контура, на который может быть нагружен генератор (в соответствии с п. 5 формулы изобретения-прототипа), для которого обязательным условием резонанса является синусоидальная форма напряжения на нем, данное пояснение означает и синусоидальность напряжения на выходе генератора, однако, при одновременном синусоидальном токе и синусоидальном напряжении выходной каскад генератора может работать лишь в классах A, AB и B (угол проводимости ≥ 180°), которые в патенте не используются и не упоминаются, но в любом случае КПД такого выходного каскада генератора не может превысить теоретический предел в 78,5%, что не согласуется с упоминаемыми в патенте значениями в 90-95% КПД. Указанные в патенте (п.17 формулы) классы C, E, F не работают с синусоидальными выходными токами усилительного элемента, спектр тока таких высокоэффективных каскадов содержит широкий набор гармоник, резко отличающийся от спектра напряжения на колебательном контуре. Во временной области требуется разделение фаз тока и напряжения для классов C, E, F для выполнения условий, определенных для работы в этих классах (см. Sokal, N. Class-E RF Power AmpLfiers // QEX. — 2001).2) For the embodiment of the generator loaded on a parallel oscillatory circuit, according to the description of the patent, there are several contradictions that impede the actual implementation of the invention. For example, mention is made of the "phase position of the sinusoidal high-frequency output current and the phase position of the output voltage of the generator by means of a digital phase detector and corrects the resulting phase error by adjusting the frequency." For a parallel oscillatory circuit onto which a generator can be loaded (in accordance with paragraph 5 of the claims of the prototype invention), for which a sine wave form on it is a prerequisite for resonance, this explanation also means a sinusoidal voltage at the generator output, however, at the same time sinusoidal current and sinusoidal voltage, the output stage of the generator can only work in classes A, AB and B (conductivity angle ≥ 180 °), which are not used in the patent and are not mentioned, but in any case ae efficiency of the generator output stage may not exceed the theoretical limit of 78.5%, which is not consistent with the values mentioned in the patent in the 90-95% efficiency. The classes C, E, F indicated in the patent (claim 17) do not work with the sinusoidal output currents of the amplifier element, the current spectrum of such high-efficiency stages contains a wide range of harmonics, which differs sharply from the voltage spectrum on the oscillatory circuit. In the time domain, a separation of the phases of current and voltage is required for classes C, E, F to fulfill the conditions defined for working in these classes (see Sokal, N. Class-E RF Power AmpLfiers // QEX. - 2001).

3) Для устройства, содержащего контур подстройки частоты и фазы и регулируемые источники энергии для регулировки мощности ВЧ генератора, не предусмотрены элементы, обеспечивающие стабильность напряженности поля внутри разрядной камеры во время переходных процессов, например при зажигании разряда, даже при условии условно идеальной отработки схемы ФАПЧ по поддержанию согласования полного сопротивления резонансного контура, приведенного к выходу высокочастотного генератора. Известно, что полное сопротивление последовательного резонансного контура может изменяться в несколько раз в условиях идеального согласования при вариации плотности плазмы или в момент ее зажигания, вызывая пропорциональное изменение напряженности поля, что является недостатком.3) For a device containing a frequency and phase adjustment loop and adjustable energy sources for adjusting the power of the RF generator, there are no elements providing stability of the field strength inside the discharge chamber during transients, for example, when a discharge is ignited, even if the PLL circuit is conditionally perfect to maintain coordination of the impedance of the resonant circuit brought to the output of the high-frequency generator. It is known that the impedance of a series resonant circuit can change several times under conditions of perfect matching when varying the plasma density or at the moment of its ignition, causing a proportional change in the field strength, which is a drawback.

Ни одно из известных технических решений не позволяет действительно быстро в реальном времени отрабатывать изменение резонансной частоты контура связи с объемом плазмы в совокупности с поддержанием стабильной напряженности поля внутри разрядной камеры при вариациях плотности плазмы или изменениях в скорости подачи рабочего тела в плазму.None of the known technical solutions makes it possible to really quickly real-time work out the change in the resonant frequency of the coupling circuit with the plasma volume in combination with maintaining a stable field strength inside the discharge chamber with variations in the plasma density or changes in the velocity of the working fluid into the plasma.

Техническим результатом изобретения является повышение скорости реакции устройства ввода энергии в газоразрядную плазму на изменение резонансной частоты контура с индуктором, связанного с объемом плазмы через взаимную индуктивность и стабилизация напряженности поля внутри заполненного рабочим газом объема, охваченного индуктором, при вариациях плотности плазмы или изменениях в скорости подачи рабочего тела в плазму при высокой эффективности ввода энергии в плазму, при незначительном количестве элементов.The technical result of the invention is to increase the reaction rate of the device for introducing energy into a gas-discharge plasma to a change in the resonant frequency of the circuit with the inductor associated with the plasma volume through mutual inductance and stabilization of the field strength inside the volume filled by the working gas covered by the inductor, with variations in the plasma density or changes in the feed rate working fluid in the plasma with high efficiency of energy input into the plasma, with a small number of elements.

Для достижения вышеуказанного технического результата в устройство ввода энергии в газоразрядную плазму, содержащее, по крайней мере, один источник питания, соединенный с первым входом усилителя, выход которого подключен к параллельному LC-контуру, индуктор этого контура, взаимодействующий через взаимную индуктивность с плазмой внутри объема индуктора LC-контура, согласно изобретению, второй вход усилителя, по крайней мере, через один элемент связи соединен с параллельным LC-контуром, причем совокупность усилителя, LC-контура, элемента связи LC-контура с усилителем совместно образуют автогенератор.To achieve the above technical result, a device for inputting energy into a gas-discharge plasma, containing at least one power source connected to the first input of the amplifier, the output of which is connected to a parallel LC circuit, an inductor of this circuit interacting through mutual inductance with the plasma inside the volume inductor LC circuit, according to the invention, the second input of the amplifier through at least one coupling element is connected to a parallel LC circuit, and the combination of amplifier, LC circuit, element connected The LC circuit with the amplifier together form a self-oscillator.

Примеры осуществления изобретения поясняются эквивалентными схемами, представленными на фиг. 1-3, где обозначено:Embodiments of the invention are illustrated by equivalent circuits shown in FIG. 1-3, where indicated:

1 - источник питания;1 - power source;

2 - автогенератор;2 - auto generator;

3 - усилитель;3 - amplifier;

4 - LC-контур;4 - LC circuit;

5 - взаимная индуктивность;5 - mutual inductance;

6 - плазма;6 - plasma;

7 - элемент связи.7 - communication element.

В качестве элемента связи с LC-контуром, с которого снимается сигнал положительной обратной связи, может выступать, например, конденсатор, последовательно включенный в резонансную цепь параллельного LC-контура или трансформатор, параллельно включенный к индуктору LC-контура, или может быть использован отвод от части витков индуктора LC-контура, или использована индуктивная связь с мощным полем индуктора посредством расположения в его ближнем поле индуктивного компонента с ненулевой взаимной индуктивностью к индуктору LC-контура.For example, a capacitor connected in series to the resonant circuit of a parallel LC circuit or a transformer connected in parallel to an LC inductor, or a tap from part of the turns of the LC circuit inductor, or inductive coupling is used with the powerful field of the inductor by arranging in its near field an inductive component with nonzero mutual inductance to the LC circuit inductor.

Устройство ввода энергии в газоразрядную плазму по настоящему изобретению, один из вариантов выполнения которого представлен на фиг. 1, работает следующим образом. The gas plasma input device of the present invention, one embodiment of which is shown in FIG. 1, works as follows.

От источника питания 1 на усилитель 3 поступает напряжение питания, усилитель после этого плавно переходит из выключенного состояния в активный режим класса А с плавным нарастанием коэффициента передачи от входа на выход. По достижении необходимого минимального коэффициента передачи, требуемого по условиям самовозбуждения, в LC-контуре 4 начинают возникать колебания с нарастающей амплитудой благодаря действию положительной обратной связи от LC-контура 4 через элемент связи 7 на второй вход усилителя 3. Нарастающая амплитуда колебаний последовательно переводит усилитель 3 из режима А в режим АВ, затем B, далее C (или E, или F, или DE). Для предлагаемого устройства является несущественной последовательность смены классов работы усилителя от А до В, а существенно только то, что в установившемся режиме колебаний усилитель работает в классах C, DE, E, F. После момента установления амплитуды колебаний в LC-контуре 4, одним из известных способов (например, как описано в патенте РФ № 2564154) инициируется газовый разряд (плазма 6) внутри заполненного рабочим газом объема, охваченного индуктором L. From the power source 1, the voltage 3 is supplied to the amplifier 3, the amplifier then smoothly switches from the off state to the active class A mode with a smooth increase in the transfer coefficient from input to output. Upon reaching the required minimum transfer coefficient required by the conditions of self-excitation, oscillations with increasing amplitude begin to appear in the LC circuit 4 due to the positive feedback from the LC circuit 4 through the communication element 7 to the second input of the amplifier 3. The growing amplitude of the oscillations sequentially transfers the amplifier 3 from mode A to mode AB, then B, then C (or E, or F, or DE). For the proposed device, the sequence of changing the classes of operation of the amplifier from A to B is insignificant, but the only thing that is important is that in the steady state oscillation mode the amplifier operates in classes C, DE, E, F. After the oscillation amplitude is established in LC circuit 4, one of known methods (for example, as described in the patent of the Russian Federation No. 2564154), a gas discharge (plasma 6) is initiated inside the volume filled with the working gas covered by the inductor L.

Способ инициации разряда не является предметом данного изобретения. После зажигания плазмы 6 она развивается лавинообразно при достаточной расчетной напряженности поля внутри объема, охваченного индуктором L. При этом увеличивается плотность плазмы 6 и растет ее проводимость, возникает электрический ток в объеме плазмы 6 и одновременно с этим возникает взаимодействие этого тока плазмы с индуктором L через взаимную индуктивность 5, возникает процесс трансформаторной передачи энергии из LC-контура 4 через индуктор L в плазму 6 внутри объема, охваченного индуктором L. The method of initiating a discharge is not the subject of this invention. After ignition of plasma 6, it develops like an avalanche with a sufficient calculated field strength inside the volume enclosed by inductor L. At the same time, the density of plasma 6 increases and its conductivity increases, an electric current arises in the volume of plasma 6, and at the same time, this plasma current interacts with inductor L through mutual inductance 5, there is a process of transformer energy transfer from the LC circuit 4 through the inductor L into plasma 6 inside the volume enveloped by inductor L.

Одновременно с этим, являясь единым процессом, протекающим со скоростью распространения электромагнитного взаимодействия, потери энергии в плазме 6 совместно с реакцией от взаимной индуктивности 5, приводящей к росту реактивной компоненты тока индуктора, трансформируются в первичную цепь индуктора L в виде резкого уменьшения приведенного сопротивления потерь параллельного колебательного LC-контура 4 и некоторого уменьшения его индуктивности. At the same time, being a single process that proceeds with the propagation speed of electromagnetic interaction, the energy loss in the plasma 6 together with the reaction from the mutual inductance 5, which leads to the growth of the reactive component of the inductor current, is transformed into the primary circuit of the inductor L  in the form of a sharp decrease in the reduced loss resistance of the parallel oscillating LC circuit 4 and some decrease in its inductance.

Автогенератор 2 мгновенно реагирует на увеличение потерь в LC-контуре 4, обеспечивая увеличение порций энергии от источника как минимум один раз за период частоты автогенератора для однотактных схем исполнения усилителя 3 или два раза за период частоты автогенератора для двухтактных схем исполнения усилителя 3. Также быстро автогенератор 2 реагирует на уменьшение индуктивности индуктора L, обеспечивая поддержание колебаний именно на резонансной частоте контура без задержек.The oscillator 2 instantly responds to an increase in losses in the LC circuit 4, providing an increase in portions of energy from the source at least once during the period of the oscillator frequency for single-cycle amplifier circuits 3 or twice during the period of the oscillator frequency for push-pull amplifier circuits 3. Also quickly the oscillator 2 responds to a decrease in the inductance of the inductor L, ensuring that oscillations are maintained precisely at the resonant frequency of the circuit without delay.

На фиг.4 продемонстрирован процесс влияния возникшей связи через взаимную индуктивность индуктора L с плазмой 6 в момент ее образования. Графические изображения тока в индукторе и тока в плазме, являющиеся результатом математического SPICE моделирования электрических процессов автогенератора, демонстрируют отсутствие задержек при переходном процессе смены частоты в момент образования плазмы 6. На отметке 100 мкс в модели условно “зажигается” газовый разряд, образуется плазма 6 и изменяется частота/период автогенератора за очень короткое время, практически мгновенно, т.е. в течение менее одного периода колебаний. Figure 4 shows the process of the effect of the resulting connection through the mutual inductance of the inductor L with the plasma 6 at the time of its formation. Graphic images of the current in the inductor and the current in the plasma, which are the result of mathematical SPICE modeling of the electrical processes of the oscillator, demonstrate the absence of delays during the transient frequency change at the moment of plasma formation 6. At 100 μs, a gas discharge is conditionally “ignited” in the model, plasma 6 and the frequency / period of the oscillator changes in a very short time, almost instantly, i.e. for less than one period of oscillation.

На рисунке фиг. 4. показаны два примера влияния на частоту в зависимости от плотности плазмы 6. При большой плотности и большом токе плазмы частота изменяется сильнее, и ток плазмы по фазе ближе к току индуктора L. При малой плотности и малом токе плазмы частота практически не изменяется, и ток плазмы по фазе отличается от тока индуктора L почти на 90 градусов. Фигура 4 также демонстрирует практическое отсутствие влияния плазмы 6 на амплитуду тока индуктора L при существенно разных величинах тока в плазме. In the figure of FIG. 4. two examples of the effect on the frequency depending on the plasma density are shown 6. With a high density and a large plasma current, the frequency changes more strongly, and the plasma current in phase is closer to the current of the inductor L. At a low density and a small plasma current, the frequency practically does not change, and the plasma current in phase differs from the inductor current L by almost 90 degrees. Figure 4 also demonstrates the practical absence of the influence of plasma 6 on the amplitude of the inductor current L at substantially different values of the current in the plasma.

Таким образом, быстрая реакция предлагаемого технического решения на изменение плотности плазмы в индукторе L по частоте и отсутствие существенного влияния от наличия/отсутствия плазмы 6 на амплитуду тока индуктора L показывают очевидное превосходство данного решения над известными техническими решениями. Падение амплитуды тока при смене резонансной частоты в устройства-аналогах, использующих относительно медленную петлю ФАПЧ для настройки контура в резонанс, может провоцировать гашение плазмы в процессе инициации газового разряда. Указанное явление гашения плазмы полностью исключено в предлагаемом техническом решении.Thus, the quick reaction of the proposed technical solution to a change in the plasma density in the inductor L in frequency and the absence of a significant effect of the presence / absence of plasma 6 on the current amplitude of the inductor L show the obvious superiority of this solution over the known technical solutions. A drop in the current amplitude when changing the resonant frequency in analog devices using a relatively slow PLL to adjust the loop to resonance can provoke plasma quenching during the initiation of a gas discharge. The specified phenomenon of plasma quenching is completely excluded in the proposed technical solution.

В другом варианте осуществления изобретения, представленном упрощенной схемой на фиг. 2, усилитель 3 автогенератора показан как двухтактная схема на быстродействующих полевых транзисторах MOSFET c n и p каналами проводимости. Здесь элементом связи 7 с контуром является конденсатор C2. Конденсатор C3, включенный последовательно с индуктором L, может выполнять роль разделительного конденсатора и иметь большее значение емкости по сравнению с емкостью конденсатора C1, тем самым не влиять существенным образом на частоту настройки LC-контура. Или, напротив, при выборе емкости конденсатора C3, примерно равной емкости C1 в пределах порядка, выполнять роль элемента трансформации импеданса со стороны индуктора L к выходу усилителя 3. In another embodiment of the invention represented by the simplified diagram in FIG. 2, the oscillator amplifier 3 is shown as a push-pull circuit on high-speed MOSFET field effect transistors with n and p conduction channels. Here, the coupling element 7 with the circuit is a capacitor C2. The capacitor C3, connected in series with the inductor L, can act as an isolation capacitor and have a larger capacitance value than the capacitor C1, thereby not significantly affect the tuning frequency of the LC circuit. Or, on the contrary, when choosing the capacitance of the capacitor C3, approximately equal to the capacitance C1 within the order, to act as an impedance transformation element from the side of the inductor L to the output of the amplifier 3.

Последовательное соединение конденсаторов C1-C3 по данному варианту осуществления образуют резонансную емкость LC-контура 4. Конденсатор С2 выполняет двойную функцию – как элемент связи 7 и как элемент LC-контура 4. Самовозбуждение такого автогенератора не предусмотрено. Запуск генерации незатухающих колебаний данного автогенератора может производиться «ударным способом», например путем резкого заряда или разряда одного или нескольких конденсаторов С1-С3 или иным способом, например включенным между элементом связи 7 (конденсатором С2) по направлению к затворам полевых транзисторов вспомогательным генератором первоначального возбуждения. The series connection of capacitors C1-C3 according to this embodiment form the resonant capacitance of the LC circuit 4. The capacitor C2 has a dual function - as a coupling element 7 and as an element of the LC circuit 4. Self-excitation of such a self-oscillator is not provided. The generation of undamped oscillations of a given oscillator can be started by the “shock method,” for example, by abruptly charging or discharging one or several capacitors C1-C3 or in another way, for example, connected between the coupling element 7 (capacitor C2) in the direction of the gates of the field-effect transistors by an auxiliary generator of the initial excitation .

В третьем варианте осуществления изобретения, представленном упрощенной схемой на фиг. 3, усилитель 3 автогенератора показан как двухтактная схема на быстродействующих полевых транзисторах MOSFET одинакового типа проводимости. In a third embodiment of the invention represented by the simplified diagram of FIG. 3, the oscillator amplifier 3 is shown as a push-pull circuit on high-speed MOSFET field effect transistors of the same conductivity type.

Для некоторых вариантов осуществления изобретения в качестве усилителя 3 могут использоваться однотактные схемы с дополнительными элементами обеспечения цепей питания. For some embodiments of the invention, single-ended circuits with additional power supply circuit elements can be used as amplifier 3.

В качестве усилителя может применяться любая схема на любых походящих для этой задачи компонентах для усиления мощности колебаний на резонансной частоте LC-контура с учетом влияния плазмы, но предпочтительно усилитель должен работать в энергоэффективном классе усиления С, DE, Е, F во время установившихся колебаний. As an amplifier, any circuit can be used on any components suitable for this task to amplify the oscillation power at the resonant frequency of the LC circuit, taking into account the influence of the plasma, but preferably the amplifier should operate in the energy-efficient amplification class C, DE, E, F during steady-state oscillations.

Описание классов С, DE, Е, F а также A, B, AB можно найти в следующих источниках:Description of classes C, DE, E, F as well as A, B, AB can be found in the following sources:

- Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. Том II. — 12-е изд.. — М.: ДМК-Пресс, 2007; - Titz U., Schenk K. Semiconductor circuitry. Volume II - 12th ed .. - M.: DMK-Press, 2007;

- Albulet, M. RF Power AmpLfiers. — Noble PubLshing, 2001;- Albulet, M. RF Power AmpLfiers. - Noble PubLshing, 2001;

- Лившиц, И. И. Транзисторные усилители в режиме D. — Л.: Энергия, 1973.;- Livshits, I. I. Transistor amplifiers in the D. mode. - L .: Energy, 1973 .;

- Sokal, N. Class-E RF Power AmpLfiers // QEX. — 2001. - Sokal, N. Class-E RF Power AmpLfiers // QEX. - 2001.

в русской https://ru.wikipedia.org/wiki/Классификация_электронных_усилителей in Russian https://ru.wikipedia.org/wiki/Classification of electronic amplifiers

и в английской версии Википедии https://en.wikipedia.org/wiki/Power_ampLfier_classes.and in the English version of Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Power_ampLfier_classes .

Реализованные на основе изобретения варианты устройства ввода энергии в газоразрядную плазму всегда работают на резонансной частоте контура ввода энергии или близкой к ней. Высокая эффективность ввода энергии в плазму обеспечивается тем, что основной реактивный ток LC-контура, который в 10 и более раз больше активного тока эквивалентных потерь в плазме, протекает только внутри этого контура и не замыкается через активные элементы усилителя и источник питания.Implemented on the basis of the invention, variants of a device for introducing energy into a gas-discharge plasma always operate at the resonant frequency of the energy input circuit or close to it. High efficiency of energy input into the plasma is ensured by the fact that the main reactive current of the LC circuit, which is 10 times or more the active current of equivalent losses in the plasma, flows only inside this circuit and does not close through the active elements of the amplifier and the power source.

Таким образом, достижение технического результата в заявляемом устройстве происходит за счет:Thus, the achievement of the technical result in the claimed device is due to:

- мгновенной реакции автогенератора на частоту настройки его LC-контура при изменении плотности плазмы в силу отсутствия каких либо существенных задержек от элементов связи с LC-контуром к усилителю, соизмеримых с периодом колебаний;- instant response of the oscillator to the tuning frequency of its LC circuit when the plasma density changes due to the absence of any significant delays from communication elements with the LC circuit to the amplifier, commensurate with the period of oscillation;

- параллельного включения выхода усилителя, работающего в классах С, DE, Е, F на параллельный колебательный LC-контур или его эквивалент с секционированным включением конденсаторов (англ. tapped capacitor);- parallel connection of the output of an amplifier operating in classes C, DE, E, F to a parallel oscillating LC circuit or its equivalent with sectioned switching on of capacitors (English tapped capacitor);

- параметрического задания частоты и амплитуды напряжения и тока в LC-контуре, причем амплитуда тока индуктора и напряженность создаваемого им поля не зависят от эквивалентного сопротивления потерь в плазме, приведенного к параллельному LC-контуру, или зависимость очень слабая.- parametric specification of the frequency and amplitude of the voltage and current in the LC circuit, and the amplitude of the inductor current and the strength of the field created by it do not depend on the equivalent plasma loss resistance reduced to the parallel LC circuit, or the dependence is very weak.

Кроме того, значительное уменьшение количества элементов предлагаемого технического решения, в связи с его структурной простотой, позволяет снизить сложность изготовления, снизить стоимость устройства и увеличить его надежность.In addition, a significant reduction in the number of elements of the proposed technical solution, due to its structural simplicity, allows to reduce the complexity of manufacturing, reduce the cost of the device and increase its reliability.

Claims (4)

1. Устройство ввода энергии в газоразрядную плазму, содержащее по крайней мере один источник питания, соединенный с первым входом усилителя, выход которого подключен к параллельному LC-контуру, индуктор этого контура, взаимодействующий через взаимную индуктивность с плазмой внутри объема индуктора LC-контура, отличающееся тем, что второй вход усилителя по крайней мере через один элемент связи соединен с параллельным LC-контуром, причем совокупность усилителя, LC-контура, элемента связи LC-контура с усилителем совместно образуют автогенератор.1. A device for introducing energy into a gas-discharge plasma containing at least one power source connected to the first input of the amplifier, the output of which is connected to a parallel LC circuit, an inductor of this circuit interacting through mutual inductance with the plasma inside the volume of the LC circuit inductor, characterized the fact that the second input of the amplifier through at least one communication element is connected to a parallel LC circuit, and the combination of the amplifier, LC circuit, communication element of the LC circuit with the amplifier together form an oscillator . 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что усилитель выполнен с возможностью работы в классах С, DE, Е, F во время установившихся колебаний.2. The device according to claim 1, characterized in that the amplifier is configured to operate in classes C, DE, E, F during steady-state oscillations. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что параллельный LC-контур содержит более чем один конденсатор.3. The device according to claim 1, characterized in that the parallel LC circuit contains more than one capacitor. 4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что параллельный LC-контур содержит более чем один индуктор.4. The device according to claim 1, characterized in that the parallel LC circuit contains more than one inductor.
RU2018123994A 2018-07-02 2018-07-02 Device for inputting energy into gas-discharge plasma RU2695541C1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018123994A RU2695541C1 (en) 2018-07-02 2018-07-02 Device for inputting energy into gas-discharge plasma
PCT/RU2019/000437 WO2020009611A1 (en) 2018-07-02 2019-06-20 Device for inputting energy into a gas-discharge plasma

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018123994A RU2695541C1 (en) 2018-07-02 2018-07-02 Device for inputting energy into gas-discharge plasma

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2695541C1 true RU2695541C1 (en) 2019-07-24

Family

ID=67512328

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018123994A RU2695541C1 (en) 2018-07-02 2018-07-02 Device for inputting energy into gas-discharge plasma

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2695541C1 (en)
WO (1) WO2020009611A1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2729778C1 (en) * 2020-03-03 2020-08-12 Общество с ограниченной ответственностью "АВАНТ - СПЭЙС СИСТЕМС" Control method of output power in resonance high-frequency generators of plasma sources
CN112684256A (en) * 2020-12-11 2021-04-20 兰州空间技术物理研究所 Device and method for testing equivalent complex impedance of discharge chamber of ion thruster

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030215373A1 (en) * 2002-05-20 2003-11-20 Reyzelman Leonid E. Method and apparatus for VHF plasma processing with load mismatch reliability and stability
US20070114945A1 (en) * 2005-11-21 2007-05-24 Mattaboni Paul J Inductively-coupled RF power source
RU2461908C2 (en) * 2007-08-02 2012-09-20 Астриум Гмбх High-frequency generator for ionic and electronic sources
RU2564154C1 (en) * 2014-11-18 2015-09-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" Control system of electrical rocket engine
EP3340746A1 (en) * 2016-12-22 2018-06-27 Technische Hochschule Mittelhessen Control unit for controlling a high frequency generator

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030215373A1 (en) * 2002-05-20 2003-11-20 Reyzelman Leonid E. Method and apparatus for VHF plasma processing with load mismatch reliability and stability
US20070114945A1 (en) * 2005-11-21 2007-05-24 Mattaboni Paul J Inductively-coupled RF power source
RU2461908C2 (en) * 2007-08-02 2012-09-20 Астриум Гмбх High-frequency generator for ionic and electronic sources
RU2564154C1 (en) * 2014-11-18 2015-09-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" Control system of electrical rocket engine
EP3340746A1 (en) * 2016-12-22 2018-06-27 Technische Hochschule Mittelhessen Control unit for controlling a high frequency generator

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2729778C1 (en) * 2020-03-03 2020-08-12 Общество с ограниченной ответственностью "АВАНТ - СПЭЙС СИСТЕМС" Control method of output power in resonance high-frequency generators of plasma sources
CN112684256A (en) * 2020-12-11 2021-04-20 兰州空间技术物理研究所 Device and method for testing equivalent complex impedance of discharge chamber of ion thruster

Also Published As

Publication number Publication date
WO2020009611A1 (en) 2020-01-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Jurkov et al. Tunable matching networks based on phase-switched impedance modulation
US20220216832A1 (en) Generation And Synchronization Of Pulse-Width Modulated (PWM) Waveforms For Radio-Frequency (RF) Applications
Liu et al. A fully integrated 0.27-THz injection-locked frequency synthesizer with frequency-tracking loop in 65-nm CMOS
CN101783677B (en) Locking method of phase-locked loop and locking circuit thereof
Tahir et al. Frequency and phase modulation performance of an injection-locked CW magnetron
US7551011B2 (en) Constant phase angle control for frequency agile power switching systems
CN103208406B (en) A kind of artificial intelligence phase modulation injection locking continuous wave magnetron microwave source
RU2695541C1 (en) Device for inputting energy into gas-discharge plasma
CN112740547B (en) Generation and synchronization of pulse width modulation (PWM) waveforms for radio frequency (RF) applications
Abramov et al. Adaptive self-tuned controller IC for resonant-based wireless power transfer transmitters
US20190081595A1 (en) Voltage waveform shaping oscillator
KR101930440B1 (en) Apparatus of supplying power for generating plasma
CN203377843U (en) Higher frequency multiplier
Wang et al. A novel stability improvement method of S-band magnetron systems based on its anode current feature
Zhou et al. Design of high-frequency, load-independent resonant inverter using phase-shift control method
WO2025168529A1 (en) Load tolerant resonant converter
US20130300203A1 (en) Wireless electrical power transmission system and its control method
CN104052465A (en) High-frequency-point, high-stability, low-noise and constant-temperature crystal oscillator
Li et al. Tracking control of class E inverter for the duty cycle control
Mitani et al. Development of a pulse-driven phase-controlled magnetron
Lee et al. Design and control of high-frequency resonant inverter for wide load variation
EP4169163A1 (en) High-accuracy adaptive digital frequency synthesizer for wireless power systems
NL2036982B1 (en) Radio frequency drive generator for plasma sources
EP3382883B1 (en) Phase adjusting circuit, inverter circuit, and power supply system
EP3754187B1 (en) Radio-frequency generator for plasma source and method for adjusting the same