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/ NetNews Usenet Archive 1993 #1 / NN_1993_1.iso / spool / sci / electron / 22224 < prev    next >
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Text File  |  1993-01-07  |  6.9 KB  |  124 lines

  1. Newsgroups: sci.electronics
  2. Path: sparky!uunet!psinntp!newsserver.pixel.kodak.com!kodak!ornitz
  3. From: ornitz@kodak.kodak.com (Barry x24904/ER/167B-TED)
  4. Subject: Re: Microwave Oven Plasma Etcher? (definitions)
  5. Message-ID: <1993Jan8.011550.14994@kodak.kodak.com>
  6. Followup-To: sci.electronics
  7. Keywords: microwave, Reike and Hartree diagrams, Gerling Labs
  8. Sender: Barry L. Ornitz
  9. Organization: Eastman Chemical Company
  10. References: <rich.726361718@pencil> <1993Jan7.005550.6869@kodak.kodak.com> <1ii7fgINNh20@shelley.u.washington.edu>
  11. Distribution: net
  12. Date: Fri, 8 Jan 93 01:15:50 GMT
  13. Lines: 109
  14.  
  15. In article <1ii7fgINNh20@shelley.u.washington.edu> whit@carson.u.washington.edu 
  16. (John Whitmore) writes:
  17. >    In the context of the original question (lowering the power
  18. >density in the microwave oven), this is irrelevant.  First, the
  19. >load is the contents of the microwave oven (and this can, we all know,
  20. >vary quite a lot without stalling the oven).  Second, we don't
  21. >care about the exact frequency (nor the exact power); only large 
  22. >power-output changes are of interest.
  23. >    The load would only change markedly if the feed horn
  24. >from the magnetron were altered.
  25.  
  26. Microwaves are no different than high frequency RF sources in that they expect
  27. low VSWR from their load.  High VSWR means that the magnetron must dissipate
  28. reflected power as heat - decreasing the tube life.  Most home cooking
  29. applications which present variable loads to the microwave occur for short
  30. times.  Cooking a roast, however, gives you a fairly stable load.  Note that
  31. many ovens warn you to place a glass of water in them (giving them a stable
  32. load) when cooking other relatively non-absorbing items.  I would assume the
  33. plasma etching application is a long duration operation.
  34.  
  35. >>A Hartree diagram ...
  36. >    This is obviously of concern.  I would have thought that the
  37. >magnetron was just a diode, and that changing the input current (by
  38. >substituting a smaller capacitor in the charge-pump power supply)
  39. >would alter the output power.  The implication here is that at too-low
  40. >voltages the magnetron doesn't oscillate.
  41.  
  42. Quite true.  The efficiency also changes rapidly with voltage too.  Magnetrons
  43. are far from simple diodes, however, in their characteristics.  Changing the
  44. capacitor in the doubler circuit is NOT the way to do this.  Remember what I
  45. said about the transformer having high leakage reactance.  This is there for
  46. a reason, not because cheap transformers are often made this way.
  47.  
  48. To get a reasonably stable output from a microwave, it is necessary to provide
  49. substantially constant anode current to the magnetron independent of the
  50. supply voltage and load conditions.  For magnetrons with non-adjustable fields
  51. (i.e. permanent magnet types like those found in home ovens), some means must
  52. be found to adjust the voltage to regulate the current.  In home ovens, the
  53. technique used is very similar to that in Sola constant-voltage transformers.
  54. The power transformer uses its leakage reactance much like a saturable
  55. reactor which is resonated with the capacitor at a frequency higher than the
  56. line frequency.  As the anode current increases, the inductance drops which
  57. raises the impedance of the (series) resonant circuit which in turn drops the 
  58. voltage and limits the current.  This is a low-cost system since it has no 
  59. active components but it has the disadvantage that power adjustment is not 
  60. possible.  This is also the reason that home microwave ovens are so sensitive 
  61. to supply frequency variations.  [It also explains why microwave ovens often
  62. fail quickly with non-frequency stabilized camping generators and solar/hydro/
  63. etc. inverter systems.]
  64.  
  65. >    Again, I think this is not prohibitive: magnetrons are more than
  66. >85% efficient, and this implies that the input voltage (which is
  67. >unfiltered) is in the operating range for a substantial fraction of the
  68. >whole 60-Hz duty cycle.  That implies that the input voltage can vary 
  69. >by a factor of four or so before the magnetron stops oscillating.
  70.  
  71. Home magnetrons are rarely this efficient.  Most are in the 50 to 60% range.
  72. Read the section above about the resonant power supply again and then measure
  73. the actual waveform as seen by the magnetron.  It is hardly sinusoidal - it
  74. will be more like a square wave (like the output on non-harmonic neutralized
  75. constant voltage transformers).  The voltage over a cycle varies less than
  76. you think; the regions where the voltage falls are short compared to the
  77. regions where the voltage is relatively constant.
  78.  
  79. Changing the value of the capacitor is a fast way of destroying your oven.
  80. The design of the oven power supply is fairly precise, but the results from
  81. such a simple system are surprizingly good.  Many home ovens can maintain
  82. less than a percent variation in anode current with more than a ten percent
  83. change in line voltage.
  84.  
  85. >    It might be impossible to get a 100:1 output power range, but
  86. >10:1 still looks reasonable.  As long as the magnetron doesn't overheat
  87. >from the current during the 'wasted' time, the microwave oven will
  88. >still operate even if the magnetron has output efficiency of zero
  89. >for most of the cycle.  It just means that the output power drops
  90. >to zero faster than proportionally to the input power.
  91.  
  92. I doubt if you can get a 10:1 range from home ovens without excessively short
  93. tube life or major modifications of the power circuit.
  94.  
  95. However, if you can change the magnetic field of the magnetron, things are a
  96. lot different.  Using an electromagnet rather than permanent magnets gives
  97. you lots of control.  A 1% change in electromagnet current can often give
  98. greater than a 10% change in output power. Commercial microwave systems often
  99. have 30 to 40 dB of dynamic power range by using a feedback loop and a power
  100. sensor to control the magnets.  Commercial systems also often use circulators
  101. to protect the magnetron from reflected power from load changes.  The 
  102. purpose of the circulator is to divert reflected power to an absorbing load
  103. rather than back to the magnetron.  You waste energy this way but protect the
  104. expensive tubes (at least they are in multikilowatt systems).
  105.  
  106. I agree with John DeArmond, just use some water elsewhere in the oven to
  107. absorb the excess power if this is a simple one-shot experiment.  
  108.  
  109. As a final note to end this discussion, the plasma itself is a load with
  110. negative resistance characteristics under certain operating conditions.
  111. Adding a resistive load in parallel is a good idea anyway to stabilize the
  112. generation of the plasma.  Commercial plasma etching systems cost big bucks
  113. for a reason.
  114.                         Barry
  115.  -----------------
  116. |  ___  ________  |    Dr. Barry L. Ornitz          WA4VZQ
  117. | |  / /        | |    Eastman Chemical Company
  118. | | / /         | |    ECC Research Laboratories, Engineering Research Div.
  119. | |< < K O D A K| |    Process Instrumentation Research Laboratory
  120. | | \ \         | |    P. O. Box 1972, Building 167B
  121. | |__\ \________| |    Kingsport, TN  37662  (615/229-4904, FAX 615/229-4558)
  122. |                 |    INTERNET:   ornitz@kodak.com
  123.  -----------------
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