Генератор высоковольтных импульсов для плазменно-иммерсионной ионной имплантации

Описана конструкция и конструкция генератора высоковольтных импульсов для обработки металлических и полимерных материалов методом плазменно-иммерсионной ионной имплантации (ПИИ). Генератор построен по схеме разрядной сети формирования импульсов (PFN), состоящей из десяти секций LC с л=300 мкГн, С=2,5 нФ и высоковольтный импульсный трансформатор с воздушным сердечником. Прибор рассчитан на получение регулируемого плоского импульса силой несколько ампер 70 кВ длительностью более 15 мкс с частотой повторения импульсов от 50 до 500 Гц.Генератор питается от высоковольтного источника питания (10 кВ, 1,7 А) с тиристорным регулятором напряжения от 0 до максимального значения напряжения в первичной обмотке трансформатора. Представлены формы импульсов напряжения и тока реактора ПШ при использовании этого источника импульсов.

Введение

Метод плазменно-иммерсионной ионной имплантации (ПИИ) был разработан в конце 1980-х годов для обработки поверхности неплоских компонентов в отличие от традиционного метода имплантации с использованием ионных ускорителей [1]. Существуют два основных ограничения методики ионной имплантации на основе ускорителей: прямая видимость и высокая стоимость оборудования и обработки. Метод PIII преодолевает эти ограничения за счет прямого извлечения интересующих ионов из плазмы, в которую погружаются подлежащие облучению образцы. Приложение отрицательных высоковольтных импульсов к мишени, погруженной в плазму, и последующее расширение оболочки в присутствии высокого напряжения позволяет осуществлять трехмерную имплантацию образцов. Чтобы добиться эффективной имплантации ионов, не влияя на энергетическое распределение имплантированных ионов, модулятор должен подавать на емкостную нагрузку PIII импульсы с временем нарастания менее нескольких микросекунд. Импульсные сети высокого напряжения можно в целом разделить на две категории систем: те, которые генерируют напряжение напрямую [2], и те, которые используют импульсный генератор линейного типа и повышающий трансформатор 3, 4. Предварительные результаты исследования INPE PIII с использованием Импульсная сеть с коммутацией тиратронов [5] показала успешную имплантацию N в образцы Al, но указала на необходимость лучшей оптимизации плазмы и подтвердила необходимость отрицательного высоковольтного импульса с более высокой частотой повторения.

Потребность в высоковольтном генераторе импульсов (регулируемый от 0 до 70 кВ, длительность импульса >15 мкс) с высокой частотой повторения послужила мотивом для проектирования и изготовления настоящего генератора импульсов. Наши усилия были сосредоточены на трех важных целях: 1.

Разработка генератора импульсов линейного типа (длительность импульса 15 мкс), регулируемое напряжение импульса в диапазоне 0–70 кВ для нелинейных нагрузок типа реактора ПIII.

Конструкция высоковольтного импульсного трансформатора между импульсным генератором и нагрузкой (реактор ПIII).

Разработка высоковольтного регулируемого источника питания (0–10 кВ/1,7 А) на основе тиристорного регулятора напряжения для линейного генератора высоковольтных импульсов.

Фрагменты раздела

Генератор импульсов

Генератор импульсов линейного типа широко известен как сеть формирования импульсов (PFN), поскольку он имеет сосредоточенную постоянную линию передачи, которая служит не только источником электрической энергии во время возникновения импульса, но и элементом формирования импульса. PFN в этом генераторе состоит в основном из катушек индуктивности и конденсаторов, установленных в определенной конфигурации, чтобы обеспечить желаемую форму импульса. На рис. 1 представлена ​​электрическая схема цепи генератора импульсов. В этой схеме конденсаторы PFN заряжаются

Импульсный трансформатор высокого напряжения

Используя данные из работ 4, 6, был построен высоковольтный трансформатор с воздушным сердечником в спирально-ленточной конфигурации. В этой конструкции трансформатора коэффициент усиления по напряжению в значительной степени зависит от радиальной толщины вторичной обмотки, поскольку витки непосредственно накладываются друг на друга. Таким образом, пакет обмоток имеет чисто радиальный градиент напряжения между внутренними витками высокого напряжения и внешними витками низкого напряжения. Однако из-за высокой плотности намотки спирально-ленточные обмотки обычно должны быть

Высоковольтный источник питания

Практическая принципиальная схема высоковольтного перестраиваемого (0–10 кВ, 1,7 А) источника питания представлена ​​на рис. 5. Она состоит из: 1.

Два силовых тиристора, включенных последовательно с первичной обмоткой высоковольтного трансформатора. Тиристоры приводятся в действие положительным импульсом от импульсного трансформатора [рис. 5(а)];

Импульсный генератор положительных узких прямоугольных импульсов, синхронизированных с нулевым уровнем мощности переменного тока. Частота генератора регулируется потенциометром Р₁, то есть напряжение

Выводы

Проверка работоспособности генератора высоковольтных импульсов проводилась с использованием реактора ПIII цилиндрического объема (диаметр 0,3 м, длина 0,5 м). Генерация плазмы производилась магнетроном 2,45 ГГц, мощностью 600 Вт, работающим в непрерывном режиме. Зависимость выходного напряжения от тока высоковольтного импульсного генератора на этом реакторе ПШИ представлена ​​на рис. 6, а типичные формы напряжения и тока во время работы — на рис. 7. Частота следования импульсов до 500 Гц достигалась при

Благодарности

Один из авторов (В.А. Спасов) благодарит Бразильский совет по науке и технологическому развитию (CNPq) и FAPESP (Сан-Паулу) за стипендию приглашенного ученого. Другой (М. Уэда) был поддержан FAPESP для участия в этой конференции.