Автоматизированный контроль параметров высокочастотного емкостного разряда

Рассмотрен метод автоматизированного контроля параметров высокочастотного емкостного разряда, используемого в технологии плазмохимических процессов. Метод предусматривает процедуру определения электрических параметров объекта с помощью системы автоматической оптимизации, сопряженной с вычислительным устройством.

A robotized method to control high frequency discharge plasma characteristics for chemical processes is proposed. It involves the procedure of determination electrical characteristics of an object the with the help of optimal control system, connected to computer.


Низкотемпературная плазма находит применение в различных областях техники (очистка поверхности материалов, модифицирование поверхности полимеров, получение плазмополимеризованных пленок, травление полимеров с поверхности твердого тела и пр.). Однако, несмотря на достигнутые результаты, механизм взаимодействия системы низкотемпературная плазма – твердая поверхность изучен недостаточно, а полученные положительные эффекты не находят ясного физического истолкования. Как справедливо отмечается в работе [1], это не позволяет оптимизировать уже существующие процессы и целенаправленно создавать новые.

Среди плазменных процессов существенными преимуществами (равномерность обработки, устойчивость к шнурованию, неограниченный ресурс работы) отличается неравновесная плазма высокочастотного емкостного (ВЧЕ) разряда [2-4]. Физические явления в ВЧЕ разряде наиболее сложны и наименее изучены. Последнее в значительной степени обусловлено слабым уровнем развития техники экспериментирования с разрядами данного типа. Остановимся подробнее на причинах такого состояния вопроса.

Зажигание разряда вызывает появление в межэлектродном промежутке, кроме емкости С₀ пустого разрядного конденсатора, дополнительной емкости ΔС. Эквивалентную емкость С_d разрядного конденсатора (С_d = С₀ + ΔС) до настоящего времени определяют косвенными методами, например, путем фотометрической оценки [4], либо приближенным расчетом толщины d_S приэлектродного слоя пространственного заряда через скорость дрейфа электронов в плазменном столбе [4,5]. Учитывая зависимость емкости С_d от частоты и тока разряда I_d, измерение малых значений которого на высокой частоте сопряжено с большой погрешностью, неудивительно, что приводимые в литературе данные о характеристиках слаботочного ВЧЕ разряда (α-разряда) – активного сопротивления плазмы R_р, тока разряда I_d, мощности разряда P_р – плохо коррелируют друг с другом [2, 4, 6], если не сказать, что недостаточно достоверны.

Неразработанность методов достоверного определения характеристик ВЧЕ разряда вызывает существенные трудности при задании и воспроизведении режимных параметров разряда и тем самым препятствует практическому использованию перспективного высокочастотного способа плазмохимической обработки в различных технологиях.

В настоящей работе рассматривается экспериментальный метод определения характеристик ВЧЕ разряда.

На рисунке 1, слева от штриховой линии, представлена принципиальная электрическая схема ВЧ-емкостного разряда. Здесь С_d – эквивалентная емкость межэлектродного пространства разрядного конденсатора, учитывающая появление в нем плазменного проводника в момент зажигания разряда (величина С_d определяется суммарной толщиной двух приэлектродных слоев 2d_S); С_g – измеренная заранее паразитная емкость между пустыми электродами и металлическим корпусом разрядной камеры; R_р – активное сопротивление плазмы.

Электродами в экспериментах служили алюминиевые диски диаметром 70 мм (расстояние между электродами d₀ = 9 мм). Корпус разрядной камеры соединялся с землей через безындукционный резистор R_b. Тем самым обеспечивалась возможность определения тока I в неразветвленной части цепи через напряжение U_b, измеряемое на R_b. Питание разрядной камеры осуществлялось от двухконтурного генератора, что позволяло c помощью конденсатора связи между контурами изменять в широких пределах ВЧ-напряжение U на электродах. К разрядной камере – так, как это показано в правой части схемы на рисунке 1, подключался измерительный колебательный контур, состоящий из конденсатора переменной емкости С_V со шкалой отсчета емкости и катушки индуктивности L, сопротивление активных потерь в которой r определялось заранее методом измерения добротности.

Эксперименты проводили, начиная с наименьшего значения напряжения U, при котором зажженный разряд полностью заполнял межэлектродное пространство в поперечном к току направлении. В этот момент настраивали колебательный контур с подключенными к нему элементами разрядной камеры в резонанс и производили отсчет значения емкости CV, а также измерение напряжений U и U_b и частоты f ЭМ-колебаний. Относительная погрешность измерения напряжений не превышала 6%, частоты – 2%. Аналогичную серию измерений проводили при других (более высоких) значениях питающего напряжения. Полученные таким путем данные представлены в таблице 1.

Таблица 1 — Определение характеристик слаботочного ВЧЕ разряда в схеме с измерительным колебательным контуром: плазмообразующий газ-воздух, F = 1 кПа f = 29,3 МГц, С₀ = 3,8 пФ, С_g = 4,5 пФ, L = 0,26 мкГн, r = 0,2 Ом, R_b = 10,2 Ом

U, В	Ub, В	I, мА	Pp, Вт
136	1,25	122,5	15,26
138	1,30	127,5	16,10
152	1,45	142,1	19,85
158	1,60	156,9	22,89
168	1,75	171,6	26,70
182	1,90	186,3	31,40
188	2,00	196,1	34,18
192	2,05	201,0	35,80
200	2,15	210,8	39,12

Составим уравнения для нахождения искомых параметров С_d и R_p.

Ток в неразветвленной части цепи и полное сопротивление цепи соответственно равны:

1)

2)

где

3)

В соотношении (3) обозначено:

Недостающее уравнение следует из условия резонанса:

4)

Im Z = 0.

Ток разряда I_d и активная мощность разряда P_p соответственно равны

5)

Толщина приэлектродного слоя d_S и дополнительная емкость ΔС определяются по формулам

6)

Здесь

ε0	—	абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума;
S	—	площадь электрода.

Процесс настройки колебательного контура с подключенными к нему элементами разрядной камеры в резонанс и процедуру вычислений можно автоматизировать. На рисунке 2 показана блок-схема системы автоматической оптимизации, реализующей эту задачу.

При резонансе в параллельном колебательном контуре ток I, идущий от источника, минимален. Схема экстремальной системы на рисунке 2 построена по принципу запоминания минимального значения показателя качества I = min [7, 8].

Выходной сигнал объекта 1 – ток I – измеряется универсальным цифровым прибором В7-40 и подается на вход вентильного устройства 2, которое включено на пропускание в запоминающее устройство 3 только отрицательного приращения показателя качества. Сигнал с выхода блока 3 сравнивается с текущим значением тока I. Разностный сигнал μ подается на вход сигнум-реле 4 – устройства логического действия, предназначенного для определения направления движения к экстремуму [7]. Электродвигатель исполнительного механизма (ИМ) 5 вращается непрерывно с постоянной скоростью. Блок 6 преобразует угол поворота α исполнительного механизма (конденсатора переменной емкости) в емкость С_V.

Если система движется к экстремуму, то разность μ = – I(τ) равна нулю. Если система достигла экстремума и продолжает двигаться в том же направлении, то величина перестает изменяться (запоминается). Появляется разность μ, отличная от нуля. По достижении величиной μ некоторого конечного значения, равного зоне нечувствительности сигнум-реле, происходит реверс двигателя и одновременно мгновенное шунтирование вентильного устройства 2. Тогда становится равным I(τ) в момент реверса. Далее система работает аналогичным образом. При достижении экстремума показателя качества объекта по сигналу μ ≠ 0 происходит запуск вычислительного устройства 7, осуществляющего расчет параметров ВЧЕ разряда по уравнениям (1-6). В этот момент на вход блока 7 подаются соответствующие условию резонанса мгновенные значения (τ₀) и С_V(τ₀).

Следует отметить, что хотя для поиска экстремума применена непрерывная автоколебательная система, в рассматриваемом случае режим автоколебаний вокруг экстремума не устанавливается, так как запуск расчетных процедур осуществляется в точности в момент определения значения I = min.

На рисунке 3 построена полученная с помощью описанной методики вольт-амперная характеристика ВЧЕ разряда. На рисунках 4-6 приведены соответственно зависимости толщины d_S слоя пространственного заряда, емкости ΔС и активного сопротивления плазмы R_p от плотности разрядного тока j.

Вольт-амперная характеристика (рис.3) начинается со значения минимальной плотности разрядного тока j_min, при котором разряд полностью заполнял площадь электрода, так как именно такой – аномальный [3] – режим горения α-разряда обеспечивает возбуждение объемной плазмы при средних давлениях среды, отличается достаточно широким диапазоном рабочих параметров и по этим причинам наиболее перспективен для технологического применения.

Толщина слоя d_S с увеличением плотности тока заметно уменьшается (рис.4), а зависимость ΔС(j) (рис.5) соответственно носит возрастающий характер, что указывает на емкостную природу приэлектродных слоев пространственного заряда слаботочного ВЧЕ разряда в рассматриваемом интервале изменения j (вплоть до перехода в γ-разряд). При этом суммарная емкость разрядного конденсатора более чем на порядок превышает емкость пустого (не заполненного плазмой) разрядного промежутка. Сопротивление плазмы R_p c ростом плотности тока убывает (рис.6).

Полученные результаты расширяют представления о свойствах слаботочного ВЧЕ разряда. Предложенный метод автоматизированного контроля может быть использован для определения и задания режимных параметров класса технологических процессов, протекающих в плазме высокочастотного емкостного разряда.

Литература

1. Рыбкин В.В. Низкотемпературная плазма как инструмент модификации поверхности полимерных материалов // Соросовский образовательный журнал. 2000. – Т. 6. – № 3. – С. 58-63.
2. Абдуллин И.Ш., Желтухин В.С., Кашапов Н.Ф. Высокочастотная плазменно – струйная обработка материалов при пониженных давлениях. Казань: Изд-во Казан. ун-та., 2000. – 348 с.
3. Райзер Ю.П., Шнейдер М.Н., Яценко Н.А. Высокочастотный емкостный разряд. М.: Изд-во Моск. физ.-техн. ин-та; Наука • Физматлит. – 1995. – 320 с.
4. Яценко Н.А. Связь высокого потенциала плазмы с режимом горения высокочастотного емкостного разряда среднего давления // Журн. техн. физики. – 1981. – Т. 51. – Вып. 6.– С. 1195-1204.
5. Яценко Н.А. Механизм формирования пространственной структуры высокочастотного емкостного разряда // Журн. техн. физики. – 1988. – Т. 58. – Вып. 2. – С. 294-301.
6. Райзер Ю.П., Шнейдер М.Н. Нагрев молекулярного газа в высокочастотном емкостном разряде и его влияние на переход между α- и γ-формами // Физика плазмы. – 1990. – Т. 16. – Вып. 7. – С. 878-884.
7. Казакевич В.В., Родов А.Б. Системы автоматической автоматизации. – М.: Энергия, 1977. – 260 с.
8. Справочник по теории автоматического управления /Под общ. ред. А.А.Красовского. – М.: Наука, 1987. – 712 с.