Создание научных основ разработки электротехнологического высокочастотного плазменного оборудования для обработки изделий электронного приборостроения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.10, доктор технических наук Хрусталев, Владимир Александрович

• Хрусталев, Владимир Александрович
• доктор технических наук
• 2002

Оглавление диссертации доктор технических наук Хрусталев, Владимир Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 ПРИБОРНО-РЕАКТРОНЫЕ СРЕДЫ ЭНЕРГО- И МАССО-ОБМЕНА, ЧАСТОТНО-СПЕКТРАЛЬНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ КОМПЛЕКСАМ

1.1. Постановка задачи.

1.2. Низкотемпературная плазма - активатор физико - химических процессов.

1.3. Особенности основных плазмообразующих газов.

1.4. Активации процессов в неравновесной плазме

1.5. Повышение технологической эффективности низкотемпературной плазмы при использовании электромагнитных колебаний с различными частотно-спектральными характеристиками.

1.6. Энергетические воздействия на низкотемпературную плазму детерминированного многочастотного колебания типа меандр.

Выводы.

ГЛАВА 2 ОБОБЩЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

ПРОЦЕСС (МОДЕЛЬНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ).

2.1. Эквивалентные схемы замещения разряда.

2.1.1. Трансформаторная электрическая эквивалентная схема замещения индукционного разряда.

2.1.2. Электрическая эквивалентная схема замещения емкостного разряда.

2.2. Обобщенное представление реакторных объемов любой конфигурации методом цепных аналогий.

2.3. Аналитическая интерпретация модели обобщенного электронно-технологического процесса как части электротехнологического комплекса.

Выводы.

ГЛАВА 3 ВЧ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

КОМПЛЕКСОВ И ИХ ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА.

3.1. Источники питания на основе традиционных ламповых генераторов.

3.2. Полигармонические ВЧ источники питания.

3.3. Схемные методы оптимизации параметров мощных генераторов.

3.4. Работа генератора в режимах многочастотной детерминированной генерации и автоколебательного шумообразования.

3.5. Приборное обеспечение плазменных высокочастотных электротехнологий.

3.5.1 Мощные приборы с сеточным управлением для промышленных целей. Анализ тенденций развития.

3.5.2. Сетевые магнетроны. Анализ тенденций развития . . .174 Выводы.

ГЛАВА 4 СОЗДАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ

РЕЖИМОВ РАБОТЫ РЕАКТОРНЫХ СИСТЕМ ПЛАЗМО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТРОННОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ.

4.1. Постановка задачи.

4.1.1. Системы на базе объемных резонаторов СВЧ.

4.1.2. Гибридные реакторные системы.

4.1.3. Протяженные и дискретно распределенные плазменные реакторы.

4.2. Источники энергии ВЧ плазмотронов.

4.2.1. Емкостные генераторы плазмы.

4.2.2. Индукционные генераторы плазмы.

4.2.3. Гибридные генераторы плазмы.

4.2.4. Многоканальные генераторы плазмы.

Выводы.

ГЛАВА 5. МОДЕЛЬНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ И РЕАЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОННО-ФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ПРИБОРОСТРОЕНИИ

5.1. Оптимизация процессов высокочастотной термин

5.2. ВЧ(СВЧ) плазмотермия, оптимизация методов деструкции полимеров.

5.2.1. Нагрев временной полимерной пленки.

5.2.2. Плазмохимическая реакция травления.

5.3. Высокочастотное возбуждение активной среды газовых лазеров технологического назначения.

5.3.1. Энергетическая модель активной среды лазера.

5.3.2.Использование явления вторичной электронной эмиссии при создании лазерной плазмы.

5.3.3. Измерение ненасыщенного показателя усиления газового лазера с ВЧ возбуждением.

5.3.4. Высокочастотные источники питания газовых лазеров технологического назначения.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Создание научных основ разработки электротехнологического высокочастотного плазменного оборудования для обработки изделий электронного приборостроения»

Рациональное использование и экономия топливно-энергетических ресурсов являются важнейшими условиями динамичного развития экономики страны. При этом важное значение имеет вовлечение в хозяйственный оборот новых видов энергии, что не только снизит возрастающие темпы истощения топливно-сырьевой базы, но и окажет благоприятное влияние на состояние окружающей среды.

По оценкам «Международного энергетического агентства» население планеты с 5 млрд в 1990 году увеличится к 2010 году до 7 млрд, а суммарные мировые потребности в энергоносителях, несмотря на интенсивное внедрение энергосберегающих технологий, возрастут на 35 - 40 % при среднегодовом темпе роста 1,7-2,1 % [ 1 ]. Прогнозируется, что глобальные выбросы С02 в 2010 году по сравнению с уровнем 1990 года увеличатся примерно на 30 - 40 %. В связи с этим во всех разрабатываемых в различных странах сценариях развития энергетики предусматривается опережающий рост доли использования новых видов энергоносителей и энергопереносчиков. Предполагается, что рост потребления энергопереносчиков, использующих иные формы «организации движения материи», обладающих большим продуктоэффектом, должен привести к экономии так называемых невозобновляемых ресурсов.

В России природно-климатические, структурно-промышленные и социально-демографические условия делают энергопотребление весьма специфичным. Упадок оборонной промышленности и реформы последних лет привели к тому, что повысился удельный вес коммунального и кустарнопромышленного (включая «мелкий бизнес») энергопотребления, базирующегося в большинстве случаев на отсталой научно-технической базе.

В то же время следует отметить, что опережающее развитие отраслей, предоставляющих как материальные, так и нематериальные услуги, является закономерностью мировой экономики, в том числе российской, и, естественно, должно привести к перераспределению в нашей стране объемов энерго-, а значит, и электропотребления. В России доля потребления электроэнергии сферой услуг в 1990 году составляла 10,5 %, в 2000 году -15,1 %, причем этот показатель значительно ниже, чем в других развитых странах. Учитывая, что в Новосибирской области на каждого из 2,7 млн. жителей приходится в среднем 100 Вт мощности источника Освещения типа лампы накаливания, мы получаем годовой расход электроэнергии свыше 550 млн кВт.ч при весьма низком эффекте, в данном случае - светоэффекте. То же самое можно сказать и о других видах коммунально-бытового и мелкопроизводственного энергопотребления, в том числе и силового. Следует отметить, что приведенные цифры имеют явную тенденцию к росту.

Промышленное энергопотребление в сибирских регионах отличается тем, что здесь сосредоточено большое количество энергоемких предприятий металлообработки и машиностроения, электронного приборостроения, электро- и радиоаппаратостроения, а также энергоспецифичных химико-метуплургических производств. На ряде предприятий весьма высок удельный вес технологий, использующих специальные среды энерго- и массообмена, а также высокочастотные и сверхвысокочастотные поля. К ним можно отнести высокочастотные термию и плазмохимию. Используется энергия упругих колебаний ультразвукового диапазона.

Несмотря на то, что высокочастотный киловатт-час в 1,5 - 3,0 раза (в зависимости от условий) дороже сетевого, его эффективность значительно выше: поскольку с использованием высокочастотных полей на уровне так называемых энергий активации реализуются сложные, подчас уникальные технологии (при этом во многих случаях из технологического цикла может быть исключена дорогостоящая, экологически неблагополучная жидкостная технохимия), удешевляется водоподготовка и пр. Поэтому современное приборно-машиностронтельное производство с его развитым технологическим циклом требует преобразования 10 - 20 % и более мощностей заводских подстанций в энергию с высокочастотным признаком, и эта закономерность имеет тенденцию к росту [ 2,3,4 ].

Для электронного приборостроения России сегодня характерно использование экстенсивных технологий, которые базируется на хорошо апробированных, но малоэффективных процессах с низкими кинетикой, интенсивностью и управляемостью протекающих реакций, а также неэкономичной пространственной локализацией, необоснованно высокими рабочими температурами, весьма протяженными циклами. Кроме того, в результате использования таких технологий подчас нарушается экологическое благополучие прилегающих к предприятиям территорий.

Такое положение дел сложилось потому, что технологические циклы сочетают процессы эффективного газоотделения и малопроизводительного газовыноса, что приводит к их неоправданному удлинению, невысокому проценту выхода и большим энергозатратам. В технологиях часто используются малоэффективный резистивный нагрев, одночастотные электромагнитные колебания, токсичные катализаторы химических процессов, применение последних в электронном приборостроении должно быть ограничено. Кроме того, развитие электронного приборостроения в настоящее время сдерживает отсутствие адекватных модельных представлений о физических механизмах, лежащих в основе используемых технологических процессов.

Интенсификация технологий электронного приборостроения возможна за счет гораздо более широкого внедрения плазменных технологических процессов при дополнительной активации сред энерго- и массопереноса.

Разнообразие физических механизмов и конструкций, материалов и габаритовесовых характеристик приборов в современном приборостроении, а также физико-химических явлений, лежащих в основе технологических процессов, зачастую приводит к неоднозначным или даже противоречивым техническим решениям. Это затрудняет синтезирование адекватных математических моделей, снижает возможности реального интерпретирования технологического процесса и его управления. Поэтому в современном приборостроении явно наметился разрыв между уровнями требуемых и существующих технологий.

Накопленный к настоящему времени опыт и сформировавшиеся тенденции технологического развития отрасли позволяют выделить основные пути совершенствования высокочастотного «плазменного обеспечения» электронно-технологических процессов в приборостроении. Для довольно широкого перечня физических и химических механизмов, используемых в приборостроительных производствах, задача совершенствования сводится к выработке ряда критериев, которые бы удовлетворяли современным требованиям и позволяли дифференцировано подходить к проведению технологических операций и созданию технологического оборудования.

Несмотря на большое количество публикаций, посвященных конкретным схемным решениям или частным методам расчета элементов и параметров плазменного технологического оборудования, следует признать, что сегодня отсутствует общая энергофизическая трактовка процессов, протекающих в электротехнологических комплексах на основе плазменных технологий. Это усложняет задачу создания плазменных устройств для реализации интенсивных технологий электронного приборостроения, разработку научных рекомендации по проведению технологических операции и не позволяет произвести строго обоснованный выбор состава и режимов прокачки плазмообразующих газов, частотных и спектральных характеристик возбуждающих полей, методов возбуждения реакторной плазмы, конструктивного оформления реакторов, основных системных параметров управления, определить степень влияния основных параметров поля на скорость и качество протекающих технологических операций и, в конечном счете, сформулировать концепцию построения электротехнологических комплексов и определить область их применения.

В настоящей работе обобщены научно-технические и патентно-лицензионные исследования, выполненные автором в 1975 - 2001 годы в Новосибирском государственном техническом университете по проблемам повышения эффективности плазменных технологических процессов и технологического оборудования в приборостроении.

Цель работы и задачи исследования.

Цель диссертационной работы состоит в решении крупной научно-технической проблемы повышения эффективности плазменных технологических процессов в приборостроении путем теоретического и практического обоснования новых концепций построения электротехнологических комплексов и разработки методов их расчета и алгоритмов управления, что связано с масштабным использованием плазменного оборудования в различных отраслях народного хозяйства и имеет большое экологическое и экономическое значение.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

1. Разработка концепции и принципов анализа энергетических характеристик плазменных сред и активации физико-химических процессов в плазме при воздействии на них полей с различными частотными характеристиками.

2. Разработка теории представления реакторных объемов ЭТК виде «цепных» аналогов.

3. Создание математического аппарата, модели и методов расчета обобщенных электротехнологических процессов как части ЭТК.

4. Анализ электромагнитных процессов (во временной и частотных областях) и энергетических характеристик моночастотных и полигармонических источников мощности, оптимизация спектральных и энергетических параметров мощных генераторов с задержанной обратной связью, определение условий возникновения автоколебательных процессов шумообразования и многочастотной детерминированной генерации. Электротехнологическое согласование парвметров плазменной нагрузки и источников питания в оптимальных режимах работы.

5. Математический анализ тенденций развития энергетических, частотных и конструктивных параметров активных элементов высокочастотных источников мощности ЭТК.

6. Разработка теории создания принципиально новых высокочастотных генераторов низкотемпературной плазмы с протяженными реакторными объемами и улучшенными радиальной и продольной однородностью параметров плазменного факела, сочетающих ВЧЕ и ВЧИ типы возбуждения плазмы и способных работать в полигармоническом режиме на рассредоточенную нагрузку с учетом нелинейно-диссипативного фактора.

7. Разработка теории создания активной среды газоразрядных лазеров технологического назначения с использованием низкотемпературной плазмы.

8. Разработка новых типов ЭТК для высокочастотной термин, плазмотермии, плазмохимии и систем возбуждения активной среды лазеров и их внедрение.

Выполнение работы было связано с реализацией ряда государственных и отраслевых программ по созданию и совершенствованию энерго- и ресурсосберегающих экологически чистых производств: «Технологии, машины и производства будущего», «Трансферные технологии, комплексы и оборудование в машиностроении. Мелкосерийная малотоннажная продукция», «Современные энергосберегающие электротехнологии»,

Научные исследования Высшей школы по технологии живых систем», «Инновации высшей школы и введение интеллектуальной собственности в хозяйственный оборот», федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники», программ сотрудничества Министерства образования Российской Федерации и Министерства обороны Российской Федерации по направлению «Научно-инновационное сотрудничество», Международной программы TEMPUS / TACIS (Проект СР 20021-98), а также хозяйственных договоров на проведение научно-исследовательских работ между НГТУ (НЭТИ) и крупнейшими предприятиями России и стран СНГ: ОАО «Новосибирский завод Экран» (г. Новосибирск); Холдинговая компания ОАО «Новосибирский электровакуумный завод - Союз» (г. Новосибирск); Институт авиационного приборостроения (г. Новосибирск); ОАО Научно-производственное объединение «Точмаш» (г. Новосибирск); ОАО СКБ Сиб-элекгротерм (г. Новосибирск); ОАО Научно-производственное объединение «Триада-ТВ» (г. Новосибирск); ООО ЦКБ «Арсенал» (г. Киев); Научно-исследовательский институт мощного радиостроения (г. Москва); Государственное Предприятие «Промсвязь» (г. Алматы), а также договорами о научно-техническом сотрудничестве с Томским политехническим университетом, с Томским государственным университетом систем управления и радиоэлектроники.

Методы исследования

Решение поставленных задач потребовало привлечения математического аппарата, включающего в себя тензорный анализ, теорию матриц и линейных операторов, функциональный анализ, преобразование Фурье, дифференциальное и интегральное исчисление, методы математической статистики и численного моделирования.

Достоверность основных теоретических положений подтверждается сопоставлением расчетных и экспериментально определенных электрических, энергетических и спектрально-частотных параметров серии ЭТК, технические задания на проектирование отдельных узлов которых сформулированы с использованием предлагаемых методов.

Научная новизна

Научная новизна результатов работы состоит в том, что исследован комплекс научных и прикладных задач по новому направлению развития вакуумного высокочастотного плазменного электротехнологического оборудования, включая формирование основных концепций выбора исходных параметров системы нагрева, режимов работы оборудования и принципов обеспечения и самоподдержания квазистационарности и воспроизводимости тепловых и технологических условий в рабочем пространстве при оптимальных соотношениях энергораспределения в рабочих зонах при одноканальном и многоканальном введении энергии. Выявлены частотно-энергетические зависимости параметров низкотемпературной плазмы; установлено, что скорость плазмохимических реакций в традиционных системах энергопереноса увеличивается с ростом частоты от (10-30) МГц и выше. Частотные ограничения при монохроматических параметрах рабочих режимов находятся в области значений (2,5-3,0) ГГц. Доказано, что использование многочастотных колебаний, а в предельном случае шумов, позволяет существенно повысить энерговклад в плазму на низких частотах (0,1-10) МГц и снизить энергопотери в составляющих узлах элекгротехнологического комплекса, разработать алгоритм оптимизации и управления этими параметрами.

На основе физических экспериментов и расчетно-теоретического анализа выявлены качественные и количественные особенности и закономерности одновременно протекающих процессов энергораспределения, тепло и массопереноса при локализации химико-термических процессов в конкретных областях рабочего пространства. Доказано, что рабочее пространство установок можно рассматривать как отдельные области с объемно-распределенными параметрами, сопряженными между собой. Это позволило разработать эквивалентные схемы замещения, включающие формализованные сопротивления плазмы ВЧЕ и ВЧИ тлеющих разрядов, и провести оценку электрофизических параметров плазмы в широком диапазоне частот возбуждающего поля, прогнозировать значения падений напряжения на разрядах для конкретных электротехнологий, значения необходимых электронных концентраций при использовании различных плазмообразующих газов. Распространение методов обобщенной теории волновых цепей на анализ физических явлений в плазменных объемах многосвязных электродинамических систем с распределенными погонными параметрами позволило представить реакторную плазму как технологическую нагрузку с конкретными нелинейными и частотными свойствами. Установлено, что согласование ВЧ-источника необходимо обеспечивать с учетом комплексного характера сопротивления нагрузки с вероятностными пространственно-временными характеристиками, включающими отпечаток статистических особенностей подготовительных операций и статистических особенностей самих плазменных процессов. Разработанный подход анализа позволил сформулировать критерии оптимизации процессов при реализации электронных и ионных электротехнологий и определять энергочастотные параметры энергопереноса с учетом частотно-статистических свойств обрабатываемых изделий, когда плазма является промежуточным звеном для энергопереноса. Основными факторами при выработке критериев оптимальности являлись принципы энергодостаточности и энергосбережения. Первый фактор связан с равномерностью и управляемостью параметрами плазменных сред, а второй определяет КПД источников питания ЭТК. Оба фактора зависят от числа спектральных линий взаимообразно, что позволяет определить оптимальные условия проведения технологических операций.

Основные положения, защищаемые автором

1. Принципы разработки технических решений и электротехнологических схем вакуумных высокочастотных (плазменных) комплексов, обеспечивающих увеличение удельных единичных мощностей при протяженном рабочем пространстве; методы определения оптимальных значений рабочих частот при монохроматическом, полигармоническом и шумовом режимах работы.

2. Основы теории, комплекс элекгротехнологических моделей рабочих режимов в высокочастотных электротехнологических установках, включая конструктивно-аналитический метод согласования параметров нагрузки и источников питания при локальных и распределенных вариантах ввода энергии в рабочее пространство установок; принципы реализации и расчета систем самосогласования параметров источников питания с вероятностными изменениями характеристик нагрузки при непрерывной последовательной обработке группы деталей из различных материалов.

3. Совокупность теоретических и экспериментальных исследований высокочастотных установок нового типа, обеспечивающих совмещенный нагрев диэлектрических и проводящих материалов за счет электрической (ВЧЕ) и магнитной (ВЧИ) составляющих электромагнитного поля (гибридный вариант схемно-конструкгивного решения системы «рабочий объем - один источник питания»); результаты реализации принципов избирательности технологической обработки участков и объемов изделий с использованием различий их электрофизических свойств и взаимодействия поверхности изделий с плазмой в одновременно горящих ВЧИ+ВЧЕ тлеющих разрядах.

4. Теоретическое обоснование и результаты экспериментальных исследований плазменного рабочего объема электротехнологических комплексов при ВЧЕ и ВЧИ тлеющих разрядах как системы с распределенными параметрами, обеспечивающие формализацию и расчет рабочих параметров в широком диапазоне частот с использованием эквивалентных схем замещения; метод оптимизации спектральных и энергетических характеристик кольцевых автоколебательных устройств и критерии перевода работы таких устройств в частотные режимы шумогенерации.

5. Результаты создания и промышленного освоения элекгротехнологи-ческих комплексов - вакуумных высокочастотных установок для нагрева и плазменной обработки деталей и изделий в электронном приборостроении.

Практическая ценность работы

1. Предложенная концепция и разработанный на ее основе метод интенсификации химических реакций в реакторных узлах ЭТК с использованием ВЧ полей со сложным спектральным составом позволили выработать алгоритмы построения технологических установок различного назначения, что является основой инженерной методики выбора варианта структуры и расчета параметров ЭТК.

2. Разработанный метод цепной трактовки эквивалентных схем замещения ВЧЕ, ВЧИ и ВЧЕ-ВЧИ разрядов является основой методики расчета основных энергетических параметров элементов ЭТК, выбора рабочей частоты, спектрального состава электромагнитных полей.

3. Выбранный критерий минимизации энергопотребления ЭТК в моночастотных и полигармоноческих режимах работы ВЧ генераторов позволил в процессе проектирования на стадии формирования технических требований оптимизировать реакторные узлы и источники питания электротехнологических установок различного назначения.

4. Использование критерия минимизации энергопотребления позволило оптимизировать спектральные и энергетические параметры мощных автогенераторов с задержанной обратной связью на базе усилителей с распределенным усилением и определить диапазоны многочастотной детерминированной генерации и шумообразования.

5. Анализ тенденций развития активных элементов ВЧ генераторов ЭТК позволил сформулировать требования к конструкции и энергетическим параметрам мощных вакуумных приборов с сеточным и магнитным управлением, что может быть весьма важным в процессе проектирования как элементной базы генераторов, так и отдельных узлов ЭТК.

6. Разработанные принципы построения, критерии и методы управления позволили впервые создать экономичные ЭТК с протяженными реакторными узлами, плазменный объем которых за счет использования ВЧ генераторов в многочастотных режимах работы и многоканального ввода энергии характеризуется высокой поперечной и осевой пространственной однородностью. Необходимое произвольное увеличение размеров реакторных узлов ЭТК позволяет эффективно осуществлять групповую плазменную обработку и конвейеризацию ряда процессов в производстве изделий приборостроения, таких как плазменная очистка, напыление, окисление и т.д., сохраняя высокую повторяемость их параметров.

7. Ряд положений разработанной теории использованы в учебном процессе.

Реализация результатов работы

На различных этапах работы были получены следующие практические результаты: разработана, изготовлена и испытана серия ЭТК для финишной очистки внутренних поверхностей резонаторов СВЧ магнетронов (совместно с ОАО «ТОЧМАШ»,г. Новосибирск); разработана, изготовлена и испытана серия малогабаритных линейных и кольцевых He-Ne лазеров с СВЧ возбуждением активной среды для систем определения координат аппаратов подводного плавания (совместно с ООО «АРСЕНАЛ», г. Киев); разработана, испытана и внедрена серия ЭТК для плазмохимической очистки поверхностей электровакуумных приборов (ЭВП), ВЧ термин при сварке элементов электронно-оптических преобразователей, деструкции полимерных пленок при сборке экранов электронно-лучевых трубок и фотоэлектронных умножителей (совместно с ОАО «Новосибирский завод Экран», г. Новосибирск); разработана и испытана серия лазерных теодолитов с СВЧ возбуждением активной среды He-Ne лазера и питанием от сети постоянного тока 12 В и 24 В для автоматического нивелирования развитых поверхностей при проведении строительных работ (совместно с АО Трест «Строймеханизация», г. Новосибирск); разработана, изготовлена и испытана мощная лазерная установка с выходной мощностью 1,0 кВт на базе газоразрядного лазера с ВЧ возбуждением активной среды на смеси углекислого газа и азота (совместно с ОАО «СКВ Сибэлектротерм», г. Новосибирск); разработаны мощные автогенераторы ВЧ диапазона (рабочая частота - 40,68 МГц и 81, 36 МГц), предназначенные для промышленной термин (совместно с Республиканским Государственным Предприятием «Промсвязь», г. Алматы); создана плазменная высокочастотная установка для обработки внутренних поверхностей элементов волноводов, ответвителей, диплексеров мощных телевизионных передатчиков (совместно с ООО Hi 111 «Триада-ТВ», г. Новосибирск). Кибернетическому Центру Томского политехнического университета передан пакет программ, позволяющий осуществлять моделирование плазменных установок с протяженными реакторными узлами с высокой пространственной однородностью плазменных объемов, предназначенных для групповой конвейерной обработки изделий.

Апробация работы Основные результаты работы были представлены: на Всесоюзной научной сессии НТО им. А.С. Попова (г. Москва, 1978 г., 1988 г.), на Всесоюзной НТК «Применение лазеров в приборостроении, машиностроении и медицинской технике» (г. Москва, 1979 г.), на 1 Региональной НТК «Электронное приборостроение» (г. Новосибирск, 1986 г.), на Международной НТК « Актуальные проблемы электронного приборостроения» ( г. Новосибирск, 1994 г., 1996 г.,

1998 г.), на Международной НТК «Информатика и проблемы телекоммуникаций» (г. Новосибирск, 1997 г., 1998 г.), на Русско-Корейском международном симпозиуме по науке и технологии KORUS (г. Новосибирск,

1999 г., 2001 г., г. Томск, 2001 г., г. Ульсан, Корея, 2000 г), на Международной конференции «Микроволновая электроника» - MIA-ME (г. Новосибирск, 1999 г., 2001 г.), на Семинаре «Современные энергосберегающие электротехнологии» в рамках международной программы TEMPUS / TACIS (Проект СР 20021-98) (г. Сама-ра, 2000 г., г Новосибирск, 2000 г.) и ряде других конференций и семинаров.

Основные результаты работы отражены в 58 печатных работах, в том числе в 2 монографиях, 10 статьях в центральных изданиях, 23 тезисах и докладах, 16 авторских свидетельствах на изобретения, 5 патентах, 2 учебных пособиях.

Работа выполнялась на кафедрах «Электронные приборы» и «Автоматизированные электротехнологические установки» НГТУ. Автор считает приятным долгом выразить искреннюю благодарность за постоянное внимание, консультации и помощь в работе кандидату технических наук, профессору Геллеру В.М. и доктору технических наук, профессору Чередниченко B.C.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 247 наименований и приложений. Основная часть диссертации содержит 377 страниц текста, 135 рисунков и таблиц - 23,

Заключение диссертации по теме «Электротехнология», Хрусталев, Владимир Александрович

ВЫВОДЫ

1. Центральным вопросом при реализации любого технологического процесса с использованием низкотемпературной плазмы является оптимальное согласование ВЧ источника питания с технологической нагрузкой, представляющей собой плазменный реакторный объем с погруженным в него обрабатываемым изделием. Использование эквивалентных схем с сосредоточенными параметрами и основных характеристик слоевой структуры низкотемпературной плазмы тлеющего разряда дает возможность адекватно оценить в широком диапазоне частот (низкие и радиочастоты) воз буждающего поля ее электрофизическое состояние, а также прогнозировать значения падений напряжения на разряде для заданных значений электронных концентраций в различных плазмообразующих газах. Для более высоких рабочих частот использование эквивалентных схем с сосредоточенными параметрами не совсем корректно, и необходимо введение погонных параметров плазмы.

Применение методов обобщения теории цепей, в том числе волновых, на явления в плазменных объемах в многосвязных электродинамических системах с цепными погонными параметрами позволяет определить эквивалентные параметры плазменных объемов, а значит, достаточно строго оценить реакторную плазму ЭТК как технологическую нагрузку с конкретными характеристиками и произвести оптимальное ее согласование с ВЧ источником питания.

2. Электротехнологические процессы с использованием низкотемпературной плазмы реализуются чаще всего в условиях, исключающих возможность их детерминированного представления. При этом ВЧ источник возбуждения плазмы имеет в качестве нагрузки комплексное сопротивление с вероятностными пространственно-временными характеристиками, что обусловлено тем, что обрабатываемое в плазме изделие может иметь сложную форму и нести на себе отпечаток статистических особенностей подготовительных операций формообразования, а также и статистическими особенностями самих плазменных процессов. На неопределенность па-раматров нагрузки влияют состояние поверхности и особенности струк-турообразования метериала обрабатываемого изделия. В такой ситуации оптимизация плазменных технологических процессов электронного приборостроения, приводящая к минимизированию суммарного энергопотребления ЭТК, заключается в определении энергетических и частотных параметров

ВЧ источника на основе учета частотно-статистических свойств обрабатываемого изделия и среды энергообмена.

Оптимальный технологический процесс, характеризующийся высокой стабильностью и экономичностью, может быть реализован только в условиях оптимального согласования ВЧ генератора с технологической нагрузкой. Это вынуждает придавать статистический характер спектральному составу ВЧ генератора и переходить к использованию детерминированных многочастотных колебаний или к стохастическим колебаниям в виде шумов.

3. Использование многочастотных электромагнитных колебаний, а в предельном случае - шумов, для возбуждения геометрически нерегулярных технологических объемов с низкотемпературной плазмой как средой энергообмена, в которые в качестве технологической нагрузки погружено обрабатываемое изделие, позволяет не только более оптимально произвести согласование ВЧ генератора с нагрузкой, что имеет несомненные энергетические преимущества по сравнению с использованием монохроматического колебания, но и за счет расширения полосы шума повысить эффективность воздействия электромагнитного поля на плазму.

В реальном электротехнологическом процессе параметры реакторной плазмы как технологической нагрузки подвергаются изменениям. В процессе обработки деталей возможны значительные колебания мощности источника, давления и даже состава плазмообразующего газа. В случае групповой конвейерной обработки изделий параметры нагрузки изменяются в результате движения изделий или наличия в плазме изделий с различными габаритами и геометрией. Все это приводит к изменению резонансной частоты реактора ЭТК и в случае использования монохроматических электромагнитных колебаний - к ухудшению согласования системы ВЧ генератор - технологическая нагрузка. Для многочастотного и шумового режимов работы ВЧ источника изменения частоты, вызванные

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Хрусталев, Владимир Александрович, 2002 год

1. Для источника питания процесс поджига плазмы эквивалентен переходу от режима XX к номинальному режиму работы, что сопряжено с возникновением всевозможных перенапряжений на активных элементах (вакуумных или полупроводниковых).

2. Процесс, обратный поджигу, срыв плазмы, эквивалентен переходу от режима полной загрузки ЭТК (режим, близкий к КЗ) к режиму XX. В этом случае также возможны перенапряжения на элементах источника.

3. Источники питания на основе традиционных ламповых генераторов.

4. Рассмотрим основные схемные решения источников питания, используемые в электротехнологиях.

5. Следует отметить, что практически любую из схем источников питания, применяемых в настоящее время для конкретных технологий, можно отнести к тому или иному типу.

6. Рассмотрим особенности схем ламповых генераторов ЭТК для индукционного нагрева, получивших распространение как у нас в стране, так и за рубежом.