Высокочастотный емкостный плазмотрон

 

Изобретение относится к технике электрических разрядов в газе, а именно к конструкции высокочастотных плазмотронов, и может быть использовано в плазмохимии, в процессах тепловой и ионной обработки диэлектрических и металлических материалов и изделий (упрочнение поверхности металлов, плавление, сварка, резка и др.), в диагностике плазмы. Техническим результатом, который позволяет достичь изобретение, является расширение технологических возможностей высокочастотных емкостных (ВЧЕ) плазмотронов за счет свободного доступа к участку положительного столба (дуги) разряда между электродами. Указанный результат достигается за счет того, что в ВЧЕ-плазмотроне, состоящем из диэлектрической газоразрядной камеры-трубки, системы охватывающих трубку проводящих охлаждаемых электродов, присоединяемых к источнику высокочастотного напряжения, системы подачи и вывода газа из камеры, газоразрядная камера-трубка выполнена из двух соосно размещенных участков, располагаемых с некоторым регулируемым зазором между ними так, что образуется свободное технологическое пространство, открывающее доступ к положительному столбу разряда, служащее одновременно для выхода плазмообразующего газа, причем оптимальное отношение величины зазора l к диаметру трубки d лежит в пределах 0,10 - 0,25. Высокочастотное устройство состоит из двух, охлаждаемых проточной водой, проводящих цилиндрических электродов, охватывающих камеру-трубку, которая состоит из двух соосно размещенных участков. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к технике электрических разрядов в газе, а именно к конструкции высокочастотных (ВЧ) плазмотронов, и может быть использовано в плазмохимии, процессах тепловой и ионной обработки диэлектрических и металлических материалов и изделий (упрочнение поверхности металлов, плавление, сварка, резка и др.), в диагностике плазмы.

Известны ВЧ емкостные (ВЧЕ) плазмотроны с дуговой формой разряда [1] и с тлеющим разрядом [2], снабженные внешними кольцевыми электродами, охватывающими диэлектрическую разрядную камеру, с торцовым узлом ввода плазмообразующего газа и обрабатываемого материала.

Недостатком этих устройств является узкая область технологического применения, ограниченная в основном плазмохимией. Это обязано тому, что торцовая подача эффективна лишь для реагентов и материалов, находящихся в газообразном состоянии. Обработка твердых материалов, например порошков, требует либо изменения конструкции ВЧЕ-плазмотрона, либо использования "хвоста" плазмы, где ее энергетические параметры существенно ниже, чем в самом разряде.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является ВЧЕ-плазмотрон, содержащий диэлектрическую разpядную камеру, охватывающие ее кольцевые электроды, подключенные к ВЧ-генератору, торцовые узлы встречного ввода реагентов в ВЧЕ-разряд и реактор, присоединенный к разрядной камере, для чего в ее средней части имеется отверстие. Сама разрядная камера может иметь форму как прямой, так и изогнутой трубки.

Недостатки ВЧЕ-плазмотронов и с торцовым вводом исходных продуктов присущи и прототипу.

Изобретение позволяет расширить технологические возможности ВЧЕ-плазмотронов за счет свободного доступа к участку положительного столба (дуги) разряда между электродами.

Поставленная задача решается следующим образом.

В ВЧЕ-плазмотроне, состоящем из диэлектрической газоразрядной камеры-трубки, системы охватывающих трубку проводящих охлаждаемых электродов, присоединяемых к источнику ВЧ-напряжения, системы подачи и вывода газа из камеры, газоразрядная камера-трубка выполнена из двух соосно размещенных участков, располагаемых с некоторым регулируемым зазором между ними так, что образуется свободное технологическое пространство, открывающее доступ к положительному столбу разряда, служащее одновременно для выхода плазмообразующего газа, причем оптимальное отношение величины зазора l к диаметру трубки d лежит в пределах l/d = 0,10-0,25, (1). Верхний предел отношения (1) обусловлен необходимостью устойчивого положения столба на оси плазмотрона, нижний - допустимыми температурами торцов трубок. Участки камеры-трубки могут размещаться также под углом между осями участков трубки, который не должен быть более 90о.

Для повышения устойчивости столба на оси плазмотрона в зазоре и регулирования диаметра столба торцы разрядной трубки, обращенные к зазору, могут быть снабжены сменными насадками из диэлектрического тугоплавкого материала. Они служат также для защиты материала торцов (обычно кварцевого стекла) от температурного разрушения и увеличивают ресурс работы плазмотрона.

Плотность эмиссионного тока, а следовательно, и ток положительного столба могут быть увеличены при неизменном напряжения между электродами плазмотрона посредством нанесения эмиссионно-активного покрытия в виде тонкого слоя окислов SiO2, MgO, Al2O3 и др. толщиной 0,1-0,5 мм на расположенные под электродами участки внутренней поверхности трубок (трубки).

Существенным отличием заявляемого плазмотрона от прототипа является наличие особенностей конструкции, обеспечивающих новое качество плазмотрона: создание технологического доступа к выбранному участку положительного столба, позволяющее осуществить ряд новых для ВЧЕ-плазмотрона технологических процессов: сварку элементов стекловолоконной оптики, высокотемпературную обработку проводниковых и пролупроводниковых материалов, активацию поверхности порошковых материалов и др. Конструктивные особенности заявленного устройства обусловлены своеобразием физических процессов, протекающих в ВЧЕ-плазмотронах с тлеющим разрядом.

ВЧ-тлеющий разряд включает области пристеночных процессов - выхода вторичных электронов с поверхности диэлектрика под воздействием ионной бомбардировки мгновенного катода, определяющих собой существование тлеющего разряда, и положительный плазменный столб с малым электрическим сопротивлением, связующим его с областями катодного и анодного падения напряжения. Анодом здесь служит аналогичный участок трубки под другим электродом. При смене полярности ВЧ-напряжения катод и анод меняются местами. Положительный столб располагается строго на оси камеры-трубки. Это обязано электростатическому взаимодействию положительных зарядов на поверхности столба и диффундирующих на стенки трубок отрицательных зарядов, где они рекомбинируют с положительными ионами так, что электрическое поле между столбом и стенкой трубки при выбранной величине тока разряда и роде плазмообразующего газа оказывается неизменным. Как показали опыты, разделение разрядной камеры-трубки на две части с небольшим зазором между ними не вызывает заметной утечки зарядов с поверхности столба и трубки и, следовательно, изменения его температуры и положения на оси симметрии разрядной камеры. Малое относительно всей цепи тока разряда сопротивление столба несущественно влияет на настройку ВЧ-генератора. Таким образом, предлагаемое изменение конструкции плазмотрона, расширяющее его технологические возможности, не изменяет физической природы тлеющего разряда, но обеспечивает расширение технологических возможностей ВЧЕ-плазмотрона.

Значительная часть мощности, вкладываемой в ВЧЕ-разряд, выделяется в виде тепла в прикатодных областях разряда, что приводит к разогреву участков кварцевой трубки под электродами. Чтобы увеличить ток в положительном столбе, не повышая приложенного к плазмотрону напряжения, на участки поверхности трубок наносятся тонкие слои активных в плане ионно-электронной эмиссии материалов SiO2, MgO, Al2O3 и др. Упомянутая тонкая пленка окислов является элементом, не изменяющим габариты и принцип действия плазмотрона, и может быть отнесена к конструктивным элементам плазмотрона.

На фиг. 1 представлен ВЧЕ-плазмотрон с газоразрядной камерой-трубкой, разделенной на две части; на фиг.2 - ВЧЕ-плазмотрон с разрядной камерой, два участка которой расположены под углом друг к другу, где 1,2 - газоразрядная камера-трубка диаметром d, состоящая из двух участков, 3,4 - система охватывающих камеру металлических охлаждаемых электродов (система охлаждения на фигурах не показана), 5,6 - система встречной подачи и одностороннего вывода газа из камеры-трубки, 7 - источник ВЧ-напряжения, 8 - регулируемый зазор, l - величина зазора, 9 - технологическое пространство, образуемое зазором, 10,11 - слой эмиссионно-активного материала толщиной 0,1-0,5 мм.

ВЧ-устройство состоит из двух охлаждаемых проточной водой, проводящих цилиндрических электродов 3,4, охватывающих диэлектрическую разрядную камеру-трубку, которая состоит из двух соосно размещенных участков 1,2. На внутреннюю поверхность кварцевых трубок под электродами наносится слой 10,11 эмиссионно-активного материала толщиной 0,1-0,5 мм, например MgO. Электроды 3,4 подключены к ВЧ-генератору мегагерцевого диапазона. Подача плазмообразующего газа (аргон) и рабочих органов (кислород, азот) осуществляется с торцов 5, 6 разрядной камеры, газоотвод - через зазор 8 между участками трубки.

ВЧЕ-плазмотрон работает следующим образом.

В диэлектрическую газоразрядную камеру-трубку, разделенную на два соосно расположенных участка, подается через систему 5 встречной подачи плазмообразующий газ (аргон), на систему охватывающих трубку проводящих охлаждаемых электродов 3, 4 - ВЧ-напряжение, затем возбуждается ВЧЕ-разряд, после чего аргон с помощью системы 6 подвода и вывода газа замещается рабочим газом (кислород, азот и т.п.) либо смесью газов. В разрядной камере плазмотрона разряд располагается по оси трубки и приобретает визуально наблюдаемый диаметр, зависящий от состава и расхода рабочего газа, мощности источника и диаметра разрядной камеры-трубки.

После выхода плазмотрона на рабочий режим материалы или изделия, требующие высокотемпературной обработки (плавление, сварка и т.п.), вводят в технологическое пространство 9. Например, в процессе получения ответвителей оптических волокон предварительно обработанный и скрученный пучок волокон, расположенный горизонтально, вводится через зазор величиной 5 мм в вертикальный столб (дугу) диаметром 6 мм кислородно-аргоновой плазмы. Сплавление волокон происходит на оси столба при температурах 1700оС. По окончании процесса, длящегося доли секунды, изделие выводится из технологического пространства.

Формула изобретения

1. ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ЕМКОСТНЫЙ ПЛАЗМОТРОН, состоящий из диэлектрической газоразрядной камеры-трубки, системы охватывающих трубку проводящих охлаждаемых электродов, присоединяемых к источнику высокочастотного напряжения, системы подачи и вывода газа из камеры, отличающийся тем, что газоразрядная камера-трубка выполнена из двух соосных участков, располагаемых с некоторым регулируемым зазором между собой так, что образуется свободное технологическое пространство, открывающее доступ к положительному столбу разряда и служащее одновременно для выхода плазмообразующего газа, причем оптимальное отношение величины зазора к диаметру трубки лежит в пределах l/d = 0,10 - 0,25.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что газоразрядная камера-трубка разделена на два участка, размещенных под некоторым углом < 90 один к другому.

3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что участки внутренней поверхности газоразрядной камеры-трубки, расположенные под электродами, покрыты слоем эмиссионно-активного материала толщиной 0,1 - 0,5 мм.

4. Устройство по пп. 1-3, отличающееся тем, что торцы газоразрядной камеры-трубки, обращенные к зазору, снабжены сменными насадками из диэлектрического тугоплавкого материала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технологии машиностроения и может быть использовано при плавлении металлов электрической дугой в электрических печах, электроконтактной обработке, плазменной резке, плазменно-механической обработке и других подобных процессах

Изобретение относится к способам формирования дугового разряда в плазмотроне и плазмотрон для их осуществления

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для растопки энергетических и водогрейных котлов и стабилизации горения пылеугольного факела

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам преобразования электрической энергии в тепловую с помощью электродугового разряда и может быть использовано для производства плавленных огнеупорных материалов, а также в металлургии

Изобретение относится к средствам дезинсекции и дезинфекции продуктов зернового происхождения перед их хранением, использованием для переработки или в качестве предпосевной обработки

Изобретение относится к микроволновым (СВЧ) плазменным реакторам с увеличенным объемом плазмы
Изобретение относится к электротермии, в частности к способам управления плазмотронов

Изобретение относится к электротермии, в частности к конструкциям вакуумных дуговых электропечей для выплавки слитков тугоплавких, высокореакционных металлов и сплавов, например титановых
Наверх