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解开谜样的等离子热问题…

2021-09-26 阅读:
我们的实验室研究使用了13.56MHz RF讯号源,并将其应用于一段石英管,管中充斥着各种在真空状态下流动的气态反应物。施加于气体混合物中的RF会产生等离子体——这种谜样的电离状态通常称为“物质的第四态”(fourth state of matter)...

“我的计算机系统经常发生崩溃,而在等离子(plasma)反应器上某些位置的同轴电缆也变得越来越热了,”实验室的一位助教这么对我说。bQrednc

我们的实验室研究计划目前使用了13.56MHz射频(RF)讯号源,并将其应用于一段内径约1.6毫米(mm)、外径1.9mm且长12.7mm的石英管。该石英管中充斥着各种在真空状态下流动的气态反应物。施加于气体混合物中的RF会产生等离子体——这种谜样的电离状态通常称为“物质的第四态”(fourth state of matter)。bQrednc

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在此状态下,RF功率如何传输?我们于是将两个电极直接连接到同轴电缆(Coax),该同轴电缆再端接至调谐的RF产生器。bQrednc

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于是,研究人员接着问:“现在该如何解决这个问题呢?”我的手边刚好有一个RF探棒以及一台用来“窥探”实验过程的“示波器”。但是,在我们的实验中出现了几个问题。bQrednc

首先,不锈钢管和支架以管道方式连接成回路,使其作为理想的耦合电路。但在负载和同轴电缆之间存在着不平衡的状态。bQrednc

“如何测得负载阻抗?”这是下一个问题。后来实验室助理回报说,透过一支外借来的阻抗计测得了负载为10 – j375 奥姆(Ω)。很显然地,这其中存在阻抗不匹配的问题。bQrednc

负载看来似乎是平衡的,因为从电极到同轴电缆的两条开放馈线是平行的。这种看起来“平衡”的负载直接连接到不平衡的同轴电缆。但其中存在阻抗耦合的问题,可能致使反射功率产生驻波,从而导致电缆沿线部份出现热点。bQrednc

当然,RF电源配备了“自动调谐器”,用于确保电源受到保护,但对于负载本身则没有任何实质的帮助。根据上网搜寻并深入研究发现,针对这一类应用的许多商用RF产生器都提到了对于调谐电路的需求,并描述导线如何直接连接到等离子负载。在这些研究中甚至还提供了如何计算匹配网络的史密斯图(Smith Chart)方法教学。bQrednc

不过,这些研究和教程并没有太多解释,仅展示调谐负载和RF产生器之间存在1/4波长的同轴电缆连接。这些问题需要进行多次更改和添加,我们可以将其概括为阻抗不匹配和平衡问题。bQrednc

无可避免地,“如何校正阻抗不匹配?”就成为下一个问题。采用链接耦合调谐器将等离子负载耦合到50Ω的同轴电缆,将有助于解决这个问题。这是用于将平衡负载耦合到不平衡同轴电缆讯号源的经典设计。业余的无线电爱好者(火腿族)应该非常了解这个问题。bQrednc

进行简单的Spice仿真,即可显示所需的电路:串联连接两个线圈L1和L3, 4mH,并将其连接至等离子负载。于是,在L1和L3线圈之间的耦合线圈L2, 6mH,连同谐振时的可变电容器C1, 23 pF,一并被连接到同轴电缆。此处图片显示完成的面包板电路:bQrednc

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为了测试电路,我使用了一个20公尺长的业余无线电发射机,并将负载作为灯泡。bQrednc

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维护和馈送馈线:同轴电缆是不平衡的传输线。由于“集肤效应”(skin effect),从负载返回遮蔽层的电流具有能够在遮蔽层内外表面来回的“坏习惯”。这会导致在电缆上产生驻波,致使RF从同轴电缆外部遮蔽层辐射,即使负载阻抗等于平衡线路阻抗。为了避免这种RF辐射,可以使用一种称为“巴伦”(balun)或“平衡-不平衡转换器”(可在“平衡”和“不平衡”之间进行转换)的装置。bQrednc

四分之一波夸克(Quark):考虑到传输线路的速度,同轴馈线被切割为1/4波长。为什么是¼λ?在许多商用RF产生器的文献中,这显示为所需要的同轴电缆长度,但为什么是¼λ呢?bQrednc

根据“戴维宁定理”(Thevenin theorem;或称等效电压源定律),我们必须考虑奇数倍¼ λ 传输线的Thevenin等效电路。还有,短路阻抗是什么?以史密斯图来看:0 +j0负载绘制于水平轴的最左侧。因此,以1/4 波长顺时针方向“朝着产生器”行进将阻抗置于无穷大,线路损耗可忽略不计。至于开路电压将会非常趋近于零,因为入射波和反射波的相位差为180°。该等效电路的示意图如下所示:bQrednc

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线路中不能有电流流向地面。同轴传输线是分布式阻抗,而在1/4波长的奇数倍时,相对于RG-213, 3200Ω线路阻抗,其阻抗相当高。其结果是奇数倍1/4波长充当巴伦,可用于平衡不平衡的线路。实现此目的的另一种方法是在外部遮蔽层增加电感、缠绕电缆,以及/或在负载连接处添加铁氧体磁珠。bQrednc

等到在实验室中测试该系统后,研究人员观察到,在不同的位置分接线圈,就可以移动等离子体,即改变等离子强度的空间分布(即发射光的强度或等离子密度)——而这对于我们研究也极其有利。bQrednc

(原文发表于ASPENCORE旗下EDN美国版,参考链接:Plasma problems,by Robert Heider;编译:Susan Hong)bQrednc

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