Устройство для инициации свч-разряда и создания плазмы



Устройство для инициации свч-разряда и создания плазмы
Устройство для инициации свч-разряда и создания плазмы
Устройство для инициации свч-разряда и создания плазмы
Устройство для инициации свч-разряда и создания плазмы

 

H05H1/06 - Плазменная техника (термоядерные реакторы G21B; ионно-лучевые трубки H01J 27/00; магнитогидродинамические генераторы H02K 44/08; получение рентгеновского излучения с формированием плазмы H05G 2/00); получение или ускорение электрически заряженных частиц или нейтронов (получение нейтронов от радиоактивных источников G21, например G21B,G21C, G21G); получение или ускорение пучков нейтральных молекул или атомов (атомные часы G04F 5/14; устройства со стимулированным излучением H01S; регулирование частоты путем сравнения с эталонной частотой, определяемой энергетическими уровнями молекул, атомов или субатомных частиц H03L 7/26)

Владельцы патента RU 2431242:

Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Московский радиотехнический институт РАН" (RU)

Устройство для инициации СВЧ-разряда и создания плазмы относится к области генерации СВЧ-газоразрядной плазмы и может найти применение в широком спектре плазменных технологий, использующих плазму газового СВЧ-разряда. Устройство инициации СВЧ-разряда и создания плазмы содержит размещенный в газовой среде инициатор, проводящую поверхность-рефлектор и СВЧ-излучатель, воздействующий на инициатор, причем в качестве инициатора использован проводящий электрический вибратор. При этом инициатор СВЧ-разряда расположен параллельно проводящей поверхности на расстоянии h, существенно меньшем одной четверти длины волны λ от проводящей поверхности. Проводящий электрический вибратор может быть установлен над проводящей поверхностью или на поверхности радиопрозрачного диэлектрика, расположенного между проводящей поверхностью и инициатором. Устройство может содержать произвольное количество параллельных друг другу инициаторов СВЧ-разряда, которые расположены на любом заданном расстоянии друг от друга, но без электрического контакта между собой. Технический результат - возможность обеспечить требуемые характеристики генерируемой СВЧ-разрядной плазмы в широком динамическом диапазоне работы источника СВЧ-излучения. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области генерации СВЧ-плазмы и может быть использовано в системах зажигания и стабилизации горения в автомобильной промышленности, в авиационном и энергетическом двигателестроении, в плазменной аэродинамике, в СВЧ-плазмохимии и в широком спектре других плазменных технологий, использующих плазму газового СВЧ-разряда.

Известны устройства для генерации СВЧ-плазмы различного типа. Например, устройства для генерации СВЧ-плазмы, в которых газовый электрический разряд инициирован лазерным факелом на специальной мишени или инициатором в виде системы металлических острий - проволочной «метелки» (Труды ФИ АН СССР, 1985. Том 160, с.174-203). Известны также устройства для генерации плазмы, в которых использованы инициаторы газового электрического разряда в виде охватывающего разрядную область кольцевого искрового источника ультрафиолетового (УФ) излучения (ЖТФ, 1987. Том 57, вып.4. С.881-686).

Известно устройство для генерации плазмы, в котором в качестве инициатора газового электрического разряда использован лист радиопрозрачного диэлектрика со случайным образом внедренными в него металлическими включениями - опилками (Journal of Physics D: Applied Physics, 2002, vol.35, p.2687-2692).

Все перечисленные устройства для генерации плазмы обладают существенными недостатками. Так, лазерный факел или кольцевой источник УФ-излучения являются технически сложными устройствами, имеющими низкий энергетический КПД. Проволочная «метелка» и диэлектрическая мишень с металлическими вкраплениями локализуют область образования плазмы с большой пространственной неопределенностью; их положение не стабильно и хаотически меняется во времени. Параметры этих устройств необходимо периодически подбирать и настраивать экспериментально, причем отдельно для каждого нового устройства. Наконец, все перечисленные устройства не пригодны для одновременной инициации регулярной системы множественных электрических разрядов с фиксированной пространственной структурой.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство для генерации плазмы, содержащее размещенный в газовой среде инициатор и СВЧ-излучатель, воздействующий на инициатор, а в качестве инициатора использован проводящий электрический вибратор, который освещен ультрафиолетовым излучением. При этом электрический вибратор установлен вдали от элементов, формирующих электромагнитную волну (Патент РФ №2266629, кл. H05H 1/46, 2004 г.).

Недостатком этого устройства является необходимость в сравнительно высоком уровне мощности СВЧ-излучателя для инициации СВЧ-разряда, так как в них проводящий электрический вибратор устанавливается в области интерференционной пучности электромагнитной (ЭМ) волны. Кроме того, существующие СВЧ-генераторы сантиметрового и дециметрового диапазонов длин волн обеспечивают требуемую для надежной инициации СВЧ-разряда напряженность поля Е при давлениях газа P>100 Тор только в импульсном режиме их работы с длительностью импульса излучения, не превышающей нескольких десятков микросекунд. Применение в устройствах узлов УФ-«подсветки» решает указанную проблему лишь частично: динамический диапазон работы таких устройств по мощности в непрерывном режиме генерации очень мал, что сильно ограничивает область их практического применения.

Указанные устройства также не пригодны для одновременной инициации регулярной системы множественных близкорасположенных друг к другу СВЧ-разрядов с заданной пространственной структурой, так как при размещении двух и более инициаторов на близком расстоянии друг от друга в интерференционной пучности волны перед отражателем или без него их сильное взаимное электромагнитное взаимодействие приводит к возбуждению многомодовой структуры электромагнитного поля и инициации СВЧ-разрядов и генерации плазмы с сильно неоднородными характеристиками в пространстве.

Исходя из изложенного была поставлена задача разработать устройство для инициации СВЧ-разрядов и генерации плазмы, а также для одновременной инициации регулярной системы множественных СВЧ-разрядов с заданной пространственной структурой и генерации плазмы с заданными пространственными характеристиками, функционирующих как в импульсном, так и в непрерывном режимах работы СВЧ-излучателя в широком динамическом диапазоне работы СВЧ-излучателя по мощности и в широком диапазоне давлений газа.

Для решения этой задачи в устройстве для инициации СВЧ-разряда и создания плазмы, содержащем размещенные в газовой среде инициатор СВЧ-разряда, СВЧ-излучатель, воздействующий на инициатор СВЧ-разряда, проводящую поверхность, при этом инициатор СВЧ-разряда установлен между СВЧ-излучателем и проводящей поверхностью параллельно проводящей поверхности на расстоянии h, существенно меньшем одной четверти длины волны λ от проводящей поверхности.

Для решения этой задачи в устройстве для генерации плазмы между инициатором СВЧ-разряда и проводящей поверхностью расположен диэлектрик.

Для решения этой задачи устройство для инициации СВЧ-разряда и создания плазмы содержит произвольное количество параллельных друг другу инициаторов СВЧ-разряда, которые расположены на любом заданном расстоянии друг от друга, но без электрического контакта между собой. Технический результат достигается тем, что проводящий линейный электрический вибратор или система вибраторов устанавливаются в поле ЭМ волны дистанционного источника СВЧ-излучения перед проводящей поверхностью (металлическим отражателем) на расстоянии, меньшем (много меньшем) одной четверти длины волны электромагнитной волны от проводящей поверхности.

В отсутствие электрического вибратора (инициатора СВЧ-разряда) перед проводящей поверхностью (металлическим отражателем) со стороны СВЧ-излучателя в пространстве создается интерференционная картина результирующего электрического поля Е - стоячая волна; при этом максимальные значения амплитуда поля Е принимают в местах его интерференционной пучности на расстоянии, кратном нечетному числу четвертей длины ЭМ волны - h=(λ/4)(2n+1), где n=0, 1, 2, …

Однако при размещении линейного проводящего электрического вибратора между СВЧ-излучателем и проводящей поверхностью параллельно вектору поля Е и проводящей поверхности (плоскости отражателя) в непосредственной близости от отражателя, но без электрического контакта с ним, на расстоянии h, меньшем одной четверти длины волны СВЧ-излучения λ/4 (n=0), амплитуда результирующего дифракционного поля и коэффициент усиления поля KE на концах вибратора существенно превышают амплитуду и коэффициент усиления поля при размещении электромагнитного вибратора в интерференционной пучности поля стоячей волны.

При этом результирующее поле Е несимметрично относительно оси электрического вибратора и сосредоточено между вибратором и проводящей поверхностью. Поэтому рассеянное (переизлученное) поле не взаимодействует и не оказывает отрицательного влияния на соседние вибраторы; тем самым обеспечивается однородность возбуждаемого электромагнитного поля в системе электрических вибраторов и однородность характеристик инициируемых СВЧ-разрядов и генерируемой плазмы. Что подтверждает существенность вышеизложенных признаков.

Фиг.1 - схема работы устройства.

Фиг.2 - устройство для инициации СВЧ-разряда и создания плазмы.

Фиг.3 - схема установки проводящего электрического вибратора на проводящей поверхности с помощью диэлектрика.

Фиг.4 - схема размещения системы параллельных линейных проводящих электрических вибраторов.

Устройство для инициации СВЧ-разряда и создания плазмы (Фиг.2) содержит проводящий электрический вибратор 1, который расположен в зоне источника СВЧ-излучения 2 между СВЧ-излучателем 2 и проводящей поверхностью 3.

Проводящий электрический вибратор 1 может быть или свободно подвешен перед проводящей поверхностью 3 параллельно ей (Фиг.2), или установлен параллельно ей на поверхности радиопрозрачного диэлектрика 4 (Фиг.3). При генерации множественной структуры СВЧ-разрядов (Фиг.4) система электрических вибраторов 5 также устанавливается параллельно проводящей поверхности подобно одиночному вибратору 1 на Фиг.2 и Фиг.3.

Устройство работает следующим образом. СВЧ-излучатель 2 создает электромагнитную волну в некоторой области газовой среды. В данную среду помещается проводящий электрический вибратор 1 для инициации разряда. Непосредственно за ним на расстоянии h<λ/4 размещается проводящая поверхность, являющаяся отражателем электромагнитной волны СВЧ-излучателя. СВЧ-излучатель 2, воздействуя на проводящий электрический вибратор 1, вызывает протекание в нем индуцированного тока. Собственное поле проводящего электрического вибратора 1, вызванное этим током, имеет максимальное значение на его полюсах.

Результирующее дифракционное поле Е в устройстве (Фиг.2) имеет максимальное значение на концах (полюсах) электрического вибратора 1. Амплитуда этого поля в локальной области вблизи полюса значительно превышает исходную амплитуду поля СВЧ-излучателя Е0 и амплитуду поля в интерференционной пучности стоячей волны 2Е0 (Фиг.1). Подбирая параметры (длину, проводимость, диаметр, радиус закругления полюсов) электрического вибратора 1 и расстояние h между электрическим вибратором 1 и проводящей поверхностью 3, добиваются, чтобы амплитуда этого поля превышала пробойную величину поля Eпр при заданной мощности СВЧ-излучателя, составе и давлении газа. Электрический вибратор 1, который расположен вблизи проводящей поверхности 3, обладает более высокой добротностью и более высоким коэффициентом усиления поля KE на полюсах электрического вибратора 1 по сравнению с аналогами. При этом динамический диапазон работы устройства по мощности СВЧ-излучателя существенно повышается.

В зависимости от условий применения устройства для инициации СВЧ-разряда и генерации плазмы проводящий электрический вибратор 1 может быть или свободно подвешен перед проводящей поверхностью 3 параллельно ей (Фиг.2), или расположен параллельно ей на поверхности радиопрозрачного диэлектрика 4 (Фиг.3).

Устройство для инициации системы множественных СВЧ-разрядов с заданной пространственной структурой и генерации плазмы (Фиг.4) может содержать произвольное количество линейных электрических вибраторов 5, которые размещаются в зоне СВЧ-излучателя 2 перед проводящей поверхностью 3 (металлическим отражателем) на расстоянии, меньшем одной четверти длины ЭМ волны от проводящей поверхности 3, параллельно проводящей поверхности 3. При этом из-за существенно более низких потерь на излучение и электромагнитного взаимодействия между собой линейные электрические вибраторы 5 в системе не оказывают негативное влияние друг на друга, то есть инициаторы СВЧ-разряда могут размещаться на любом заданном расстоянии, в том числе на расстоянии, много меньшем длины СВЧ-волны, друг от друга. В результате чего при применении произвольного количества инициаторов реализуется заданное, в том числе однородное, пространственное распределение характеристик СВЧ-разрядов и генерируемой плазмы.

1. Устройство для инициации СВЧ-разряда и создания плазмы, содержащее размещенные в газовой среде инициатор СВЧ-разряда, СВЧ-излучатель, воздействующий на инициатор СВЧ-разряда, и проводящую поверхность, при этом инициатор СВЧ-разряда установлен между СВЧ-излучателем и проводящей поверхностью параллельно проводящей поверхности, отличающееся тем, что инициатор СВЧ-разряда расположен на расстоянии h существенно меньшем одной четверти длины волны λ от проводящей поверхности.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что между инициатором СВЧ-разряда и проводящей поверхностью расположен диэлектрик.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что устройство содержит произвольное количество параллельных друг другу инициаторов СВЧ-разряда, которые расположены на любом заданном расстоянии друг от друга, но без электрического контакта между собой.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области физики плазмы. .

Изобретение относится к ракетно-космической технике (РКТ) и может быть использовано в ионных электрических ракетных двигателях (ЭРД). .

Изобретение относится к области плазменных технологий, в частности к способам и устройствам для проведения генерации низкотемпературной плазмы в больших объемах. .

Изобретение относится к технологии поверхностной упрочняющей обработки режущих инструментов и может быть использовано в машиностроении и инструментальной промышленности.

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано для создания высокояркостных источников оптического излучения. .

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для получения тепловой энергии:- автономно для подачи перегретого пара на промышленные и бытовые теплообменники, турбоустановки, турбогенераторы и другие потребители перегретого водяного пара;- в ядерных энергетических установках с реакторами типа ВВЭР как для непосредственного перегрева насыщенного пара, так и для смешения насыщенного пара с перегретым паром с целью повышения коэффициента полезного действия, увеличения мощности, сокращения расхода охлаждающей воды, понижение влажности пара перед последними ступенями турбин, что позволит заменить турбины влажного пара на турбины перегретого пара для атомных электрических станций и транспортных установок, например, судовых и корабельных с повышением коэффициента полезного действия, мощности, надежности и безопасности эксплуатации;- по мощности и своим весогабаритным характеристикам энергетическая установка может быть использована в транспортных энергоустановках железнодорожного типа;- при заводском блочном исполнении агрегатов установки она может доставляться на стройплощадку посредством: автомобильного транспорта, например трейлер с тягачом типа «Faun», воздушным транспортом транспортным самолетом типа «Руслан», экранопланом, водным транспортом речным и морским.

Изобретение относится к области космической техники и может быть использовано при разработке, наземных испытаниях и эксплуатации электрореактивных двигателей (ЭРД), а также в области прикладного применения плазменных ускорителей.

Изобретение относится к области космической техники и может быть использовано при разработке электроракетных двигателей, а также в технологических плазменных ускорителях, применяемых в вакуумно-плазменной технологии.

Изобретение относится к плазменной технике. .

Изобретение относится к способу обработки поверхности металлов плазменной струей и может быть использовано в машиностроении, коммунальном хозяйстве, строительстве, ювелирном и зубопротезном деле, а также в бытовых условиях для сварки, резки, наплавки и закалки металлов

Изобретение относится к области электрореактивных двигателей, а именно к широкому классу плазменных двигателей (холловских, ионных), использующих в своем составе катоды

Изобретение относится к получению тепла, образующегося иначе, чем в процессах горения

Изобретение относится к плазменной технике

Изобретение относится к технике получения плазмы, частиц вещества, пучков ионов и электронов и может быть использовано при обработке деталей плазмой, а также в электронных и ионных источниках для нанесения покрытий, модификации поверхностей

Изобретение относится к способам нагрева плазмы с использованием электрических и магнитных полей и может быть применено для нагрева плазмы до термоядерных температур

Изобретение относится к области плазменной техники, а именно к системам подачи рабочего тела, и может быть использовано в пневматических трактах доставки самых разнообразных газообразных рабочих тел (РТ) плазменным ускорителям и двигателям на их основе, а также в технологических источниках плазмы, применяемых для ионно-плазменной обработки поверхностей различных материалов в вакууме

Изобретение относится к ракетным двигателям малой тяги

Изобретение относится к металлургической промышленности

Изобретение относится к области космической техники и может быть использовано в электроракетных двигателях (ЭРД), например, в стационарных плазменных двигателях и двигателях с анодным слоем, а также в технологических плазменных ускорителях, применяемых в вакуумно-плазменной технологии
Наверх