Устройство для возбуждения высокочастотного факельного разряда

Авторы патента:

H05H1/24 - 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 2499373:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" (RU)

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано для инициирования высокочастотной плазмы. Устройство для возбуждения высокочастотного факельного разряда содержит диэлектрическую трубку, установленную в пазу диэлектрического фланца, в осевом отверстии которого размещен полый силовой электрод так, что его глухой заостренный конец расположен внутри цилиндрической диэлектрической трубки, а другой конец силового электрода размещен за пределами диэлектрической трубки и электрически связан с высоковольтным электродом высокочастотного генератора. Конец силового электрода, расположенный за пределами диэлектрической трубки, снабжен двумя штуцерами. Первый штуцер, расположенный на наружном конце силового электрода, соединен с системой водоснабжения. Второй штуцер, ориентированный перпендикулярно оси силового электрода, соединен с системой канализации. На силовом электроде радиально, под острым углом к его оси, установлен дополнительный электрод, конец которого заострен и направлен к месту соприкосновения диэлектрической трубки и внешнего электрода, который своей вогнутой стороной охватывает часть внешней поверхности диэлектрической трубки. Внешний электрод установлен на первом конце штанги, имеющем возможность перемещения параллельно оси диэлектрической трубки, а второй конец штанги, через закрепленную на ней электроизолирующую вставку, соединен с приводом. Технический результат: уменьшение напряжения, необходимого для возбуждения барьерного разряда, инициирующего высокочастотный факельный разряд. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано для инициирования высокочастотной плазмы.

Известно устройство для осуществления поджига индукционного разряда в ВЧИ-плазмотроне [RU 96108559 A, МПК 6 H05H 1/46, опубл. 27.07.1998], содержащее установленный на узле подачи плазмообразующего газа и электрически изолированный от металлической разрезной разрядной камеры игнайтер, поджигающий электрод которого совместно с пневмопоршнем, имеет возможность возвратно-поступательного перемещения в направляющем пневмоцилиндре, подсоединенном к линии подвода сжатого газа. Игнайтер электрически соединен с одной и более металлическими пластинами, имеющими возможность перемещения в пространстве без касания относительно других металлических пластин, электрически соединенных с индуктором. Индукционный разряд возбуждают кратковременным введением поджигающего электрода внутрь разрядной камеры в зону индуктора.

Недостатками этого устройства являются эрозия поджигающего электрода, что ограничивает срок эксплуатации устройства, влияние поджигающего электрода на рабочую частоту генератора, необходимость использования дополнительного высоковольтного напряжения, что увеличивает минимально необходимое напряжение для возбуждения высокочастотного разряда.

Известна система формирования коронного разряда для возбуждения плазменной дуги в электрохирургической системе [US 6213999 B1, МПК 7 A61B 18/00, A61B 017/36, опубл. 10.04.2001], содержащая источник высокочастотной электрической энергии, связанные с ним рабочий и инициирующий электроды, между которыми имеется электрическая связь емкостного типа, диэлектрический барьер, расположенный между рабочим и инициирующим электродами. Поджиг плазменной дуги осуществляют путем возбуждения коронного разряда на рабочем электроде.

В этой системе повторное возбуждение коронного разряда затруднено из-за неизбежного закругления острия рабочего электрода в процессе поддержания разряда. Для возбуждения коронного разряда необходимо поддержание высоковольтного потенциала на инициирующем электроде, что увеличивает минимально необходимое напряжение для возбуждения высокочастотного разряда.

Известен источник плазмы [US 7608839 B2, МПК H01J 27/00, H01T 23/00, опубл. 27.10.2009], выбранный в качестве прототипа, содержащий заземленный внешний электрод, установленный на внешней поверхности диэлектрической трубки, силовой электрод, установленный внутри области, ограниченной диэлектрической трубкой и электрически соединенный с высокочастотным генератором. Возбуждение высокочастотного разряда осуществляют с помощью возбуждения барьерного разряда с силового электрода.

Неоптимальная конструкция силового электрода увеличивает минимально необходимое напряжение для возбуждения барьерного разряда для инициирования высокочастотного разряда.

Задачей изобретения является уменьшение напряжения, необходимого для возбуждения барьерного разряда, инициирующего высокочастотный факельный разряд.

Поставленная задача достигается тем, что устройство для возбуждения высокочастотного факельного разряда, также как в прототипе, содержит внешний электрод, который установлен на внешней поверхности диэлектрической трубки, силовой электрод, установленный внутри области, ограниченной диэлектрической трубкой и электрически соединенный с высокочастотным генератором.

Согласно изобретению диэлектрическая трубка установлена в пазу диэлектрического фланца, в осевом отверстии которого размещен полый силовой электрод так, что его глухой заостренный конец расположен внутри цилиндрической диэлектрической трубки, а другой конец силового электрода размещен за пределами диэлектрической трубки и электрически связан с высоковольтным электродом высокочастотного генератора. Конец силового электрода, расположенный за пределами диэлектрической трубки, снабжен двумя штуцерами. Первый штуцер, расположенный на наружном конце силового электрода, соединен с системой водоснабжения. Второй штуцер, ориентированный перпендикулярно оси силового электрода, соединен с системой канализации. На силовом электроде радиально, под острым углом к его оси, установлен дополнительный электрод, конец которого заострен и направлен к месту соприкосновения диэлектрической трубки и внешнего электрода, который своей вогнутой стороной охватывает часть внешней поверхности диэлектрической трубки. Внешний электрод установлен на одном конце штанги с возможностью перемещения параллельно оси диэлектрической трубки. Второй конец штанги, через закрепленную на ней электроизолирующую вставку, соединен с приводом.

Уменьшение величины электрического напряжения, необходимого для бесконтактного возбуждения высокочастотного факельного разряда, достигается за счет установки на силовом электроде дополнительного электрода, направленного своим заостренным концом к месту соприкосновения внешнего электрода и диэлектрического барьера. Вокруг заостренного конца дополнительного электрода образуется область с более высокой напряженностью электрического поля, чем для остальной части поверхности силового электрода. Это значительно снижает напряжение зажигания барьерного разряда и увеличивает разрядный ток.

На фиг.1 приведена схема предлагаемого устройства для возбуждения высокочастотного факельного разряда.

Устройство для возбуждения высокочастотного факельного разряда содержит цилиндрическую диэлектрическую трубку 1, установленную в пазу диэлектрического фланца 2. В осевом отверстии фланца 2 размещен полый силовой электрод 3 так, что его один конец заглушен и расположен внутри диэлектрической трубки 1, а другой конец выведен за ее пределы. Конец силового электрода 3, расположенный за пределами диэлектрической трубки 1, снабжен двумя штуцерами 4 и 5. Первый штуцер 4, расположенный на торце силового электрода 3, соединен с системой водоснабжения 6 (СВ). Второй штуцер 5, ориентированный перпендикулярно оси силового электрода 3, соединен с системой канализации 7 (СК). Конец силового электрода 3, расположенный за пределами диэлектрической трубки 1, электрически связан с высоковольтным электродом высокочастотного генератора 8. На силовом электроде 3 радиально, под острым углом к его оси, установлен дополнительный электрод 9, конец которого заострен и направлен к месту соприкосновения диэлектрической трубки 1 и внешнего электрода 10, который своей вогнутой стороной охватывает часть внешней поверхности диэлектрической трубки 1. Внешний электрод 10 установлен на одном конце штанги 11, выполненной с возможностью перемещения параллельно оси диэлектрической трубки 1. Второй конец штанги 11 через закрепленную на ней электроизолирующую вставку 12 соединен с приводом 13.

Диэлектрическая трубка 1 изготовлена из кварцевого стекла. Фланец 2 выполнен из термостойкого диэлектрика, например, фторопласта. В качестве силового электрода 3 использована медная трубка. Для формирования штуцеров 4 и 5 использованы медные трубки диаметра, меньшего, чем диаметр силового электрода 3. В качестве высокочастотного генератора 8 может быть использован, например, ВЧГ-2/4 (4 кВт, 17 МГц). Дополнительный электрод 9 представляет собой медный стержень. Внешний электрод 10 изготовлен из листа латуни, загнутого по цилиндрической поверхности. Подвижная штанга 11 представляет собой стальной стержень. В качестве материала для электроизолирующей вставки 12 может быть использован фторопласт. В качестве привода 13 использован шаговый электродвигатель MOTS 1 (12 В, 32 мА).

При работе устройства для возбуждения высокочастотного факельного разряда непрерывно подают воду в силовой электрод 3 через штуцер 4 из системы водоснабжения 6 (СВ) и сливают воду из силового электрода 3 через штуцер 5 в систему канализации 7 (СК). Включают привод 13, приближают внешний электрод 10 к наружной поверхности диэлектрической трубки 1 и соответственно к дополнительному электроду 9, расположенному на силовом электроде 3 внутри объема, ограниченного диэлектрической трубкой 1. С помощью высокочастотного генератора 8 подают высокочастотное напряжение на силовой 3 и дополнительный 9 электроды. За счет емкостной связи между силовым электродом 3 и внешним электродом 10 осуществляют электрический пробой промежутка между внешним электродом 10 и заостренным концом дополнительного электрода 9 и возбуждают барьерный разряд между дополнительным электродом 9 и внутренней поверхностью диэлектрической трубки 1. С помощью привода 13 внешний электрод 10 перемещают параллельно оси диэлектрической трубки 1 в направлении формирования плазменного потока. Этим переносят барьерный разряд с заостренного конца дополнительного электрода 9 на силовой электрод 3. С помощью барьерного разряда возбуждают высокочастотный факельный разряд с силового электрода 3.

Эксперименты показали, что напряжение, необходимое для возбуждения барьерного разряда между дополнительным электродом 9 и внутренней поверхностью диэлектрической трубки 1, снижается с уменьшением радиуса кривизны заостренного конца дополнительного электрода 9. В экспериментах использовались дополнительные электроды с различными радиусами кривизны заостренного конца. Внешний диаметр диэлектрической трубки 1 составлял 60 мм. Толщина стенки диэлектрической трубки 1 составляла 3 мм. Результаты представлены в таблице 1.

Таким образом, уменьшено напряжение, необходимое для возбуждения барьерного разряда в устройстве для возбуждения высокочастотного факельного разряда.

Таблица 1
R_кр, мм	0,055	0,13	0,25	0,4	0,515	0,65
U_бар, кВ	2,4	2,84	3,25	3,4	3,64	3,75

Устройство для возбуждения высокочастотного факельного разряда, содержащее внешний электрод, который установлен на внешней поверхности диэлектрической трубки, силовой электрод, установленный внутри области, ограниченной диэлектрической трубкой и электрически соединенный с высокочастотным генератором, отличающееся тем, что диэлектрическая трубка установлена в пазу диэлектрического фланца, в осевом отверстии которого размещен полый силовой электрод так, что его глухой заостренный конец расположен внутри цилиндрической диэлектрической трубки, а другой конец силового электрода размещен за пределами диэлектрической трубки и электрически связан с высоковольтным электродом высокочастотного генератора, при этом конец силового электрода, расположенный за пределами диэлектрической трубки, снабжен двумя штуцерами, причем первый штуцер, расположенный на наружном конце силового электрода, соединен с системой водоснабжения, а второй штуцер, ориентированный перпендикулярно оси силового электрода, соединен с системой канализации, на силовом электроде радиально под острым углом к его оси установлен дополнительный электрод, конец которого заострен и направлен к месту соприкосновения диэлектрической трубки и внешнего электрода, который своей вогнутой стороной охватывает часть внешней поверхности диэлектрической трубки, внешний электрод установлен на одном конце штанги с возможностью перемещения параллельно оси диэлектрической трубки, а другой конец штанги через закрепленную на ней электроизолирующую вставку соединен с приводом.

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано для ускорения плазмы до гиперскоростей и получения нанодисперсных порошков титана и меди. Коаксиальный магнитоплазменный ускоритель содержит соленоид, цилиндрический титановый ствол, цепь питания.

Устройство и способ моделирования магнитогидродинамики // 2497191

Изобретение относится к области исследования плазмы. Магнитогидродинамическое моделирующее устройство включает в себя плазменный контейнер, в который помещен первый ионизируемый газ, первый электрический контур, расположенный рядом с плазменным контейнером, содержащий промежуток, электрические контакты на первой и второй сторонах промежутка, и первое вещество, имеющее, по меньшей мере, низкую магнитную восприимчивость и высокую проводимость.

Генератор широкоаппертурного потока газоразрядной плазмы // 2496283

Изобретение относится к области получения направленных потоков низкотемпературной плазмы с большим током и может быть использовано в микроэлектронике при производстве интегральных микросхем на активных и пассивных подложках и в дифракционной оптике при производстве элементов дифракционной оптики.

Система управления потоком с использованием плазменного актуатора и способ ее использования для управления потоком, обтекающим оружейный отсек высокоскоростного подвижного носителя // 2489315

Способ получения углеродных наноматериалов с помощью энергии низкотемпературной плазмы и установка для его осуществления // 2488984

Изобретение относится к материаловедению и энергетике и может быть использовано для получения углеродных наноматериалов из угля с применением плазменных технологий.

Плазменный генератор тормозного излучения // 2488243

Изобретение относится к области плазменной техники. .

Способ очистки, деструкции и конверсии газа // 2486719

Изобретение относится к газовой и химической отраслям промышленности и предназначено для очистки газов от твердых, жидких, паро- и газообразных неорганических и органических веществ, деструкции и конверсии газов.

Плазменный источник энергии // 2485727

Изобретение относится к плазменной энергетике, конкретно к гибридным источникам энергии для получения электричества, горячего воздуха, горячей воды и горячего водяного пара в интересах коммунального хозяйства, товариществ собственников жилья (ТСЖ), садовых кооперативов, отдельных коттеджей и/или промышленных производств.

Плазменный реактор с магнитной системой // 2483501

Изобретение относится к устройствам технологического оборудования и может быть использовано в технологии производства электронных компонент. .

Способ локального нагрева участка поверхности катода // 2483500

Изобретение относится к области исследования физических свойств вещества, в частности к исследованию процессов в газоразрядных приборах и плазме. .

Плазменный катод // 2502238

Изобретение относится к области плазменной техники, а именно к катодам-компенсаторам, работающим на газообразных рабочих телах. Технический результат - увеличение ресурса надежной работы и снижение трудоемкости изготовления. Плазменный катод содержит полый держатель 1 с торцевыми стенками 2, 3 и проходными отверстиями 4, 5 рабочего тела, внутри которого размещен эмиттер 6, между которыми расположен барьерный слой 7 химически пассивного материала, между внутренними поверхностями 8 полого держателя и наружными поверхностями 9 эмиттера образованы зазоры 10, 10а, 10б, между которыми размещен экран 11. Поверхности экрана покрыты барьерными слоями 7а. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

Генератор плазмы (варианты) // 2503079

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для обработки материалов в среде низкотемпературной плазмы газового разряда, а именно к индукционным генераторам плазмы, размещаемым внутри технологического объема (рабочей камеры). Технический результат - повышение КПД устройства; повышение надежности работы устройства, повышение чистоты плазменной среды и увеличение плотности генерируемой плазмы; увеличение срока службы устройства; снижение уровня помех; уменьшение габаритов устройства. В генераторе плазмы по первому варианту выполнения, содержащем спиральную катушку, помещенную внутрь проводящего экрана, внутренняя поверхность которого имеет близкую к цилиндрической форму, причем пространство между витками катушки и между катушкой и экраном заполнено диэлектриком, катушка выполнена плоской, расстояние от плоскости катушки до внешней поверхности диэлектрика меньше удвоенной толщины катушки, а расстояние от плоскости катушки до основания внутренней поверхности экрана больше удвоенного расстояния от плоскости катушки до внешней поверхности диэлектрика. В генераторе плазмы по второму варианту выполнения катушка выполнена плоской, экран выполнен в виде кольца, ось которого перпендикулярна плоскости катушки, край кольца, обращенный к объему, в котором требуется создание плазмы закрыт диэлектриком. В генераторе плазмы по третьему варианту выполнения экран электрически соединен с одним из концов катушки, а диэлектрическая проницаемость диэлектрика находится в пределах от 2,5 до 50. 3 н. и 30 з.п. ф-лы, 7 ил.

Способ зондовой диагностики плазмы и устройство для его осуществления // 2503158

Заявленная группа изобретений относятся к области электрофизики, в частности к технике диагностики плазмы, и может быть использована для измерения электронной концентрации и температуры нестационарной плазмы в широком диапазоне исследуемых параметров. Заявленный способ включает установку зонда в плазму, приложение к зонду дискретных ступенчатых импульсов напряжения, регистрацию вольтамперной характеристики, измеряют потенциал пространства плазмы, напряжение каждой последующей ступени в импульсе задают большим по сравнению с предыдущей, ступени формируют с временными интервалами между ними, во время которых потенциал на зонде устанавливают равным потенциалу пространства плазмы. При этом длительность каждой ступени и интервалы времени между ними устанавливают не менее времени восстановления квазинейтральности плазмы. Устройство для зондовой диагностики плазмы содержит источник питания, зонд, генератор дискретных ступенчатых импульсов напряжения и блок измерения, генератор запускающих импульсов, соединенный с генератором дискретных ступенчатых импульсов. Генератор дискретных ступенчатых импульсов состоит из блока коммутации, источников постоянной ЭДС и микропроцессора, управляющего блоком коммутации, а блок измерения включает набор переключаемых резисторов. Технический результат заключается в повышении точности определения параметров плазмы (концентрации и температуры). 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

Устройство для сжатия плазмы и способ сжатия плазмы // 2503159

Изобретение относится к области плазменной техники. Предложены варианты систем для сжатия плазмы и способов сжатия плазмы, в которых могут быть достигнуты давления плазмы выше предела прочности твердого материала, за счет впрыска плазмы в воронку жидкого металла, в которой плазма сжимается и/или нагревается. Технический результат - повышение плотности плазмы. 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 7 ил.

Способ обработки поверхности, по меньшей мере, одного конструктивного элемента посредством элементарных источников плазмы путем электронного циклотронного резонанса // 2504042

Изобретение относится к области плазменной обработки поверхности. Способ заключается в том, что придают конструктивному элементу или конструктивным элементам (1), по меньшей мере, одно вращательное движение относительно, по меньшей мере, одного ряда неподвижно расположенных в линию элементарных источников (2), причем ряд или ряды расположенных в линию элементарных источников (2) размещают параллельно оси конструктивного элемента или осям вращения конструктивных элементов. Технический результат - повышение однородности обработки на множестве поверхностей конструктивных элементов. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 7 ил.

Анод генератора дуговой плазмы и генератор дуговой плазмы // 2504931

Изобретение относится к области плазменной техники. Генератор дуговой плазмы с многоступенчатой подачей газа содержит катод и анод. Анод выполнен, по меньшей мере, из двух участков, причем любые два соседних анодных участка электрически соединены друг с другом. Между любыми двумя соседними анодными участками обеспечены направляющие газ отверстия, которые являются тангенциальными отверстиями или отверстиями, которые обеспечивают газовый поток, направление скорости которого одновременно имеет тангенциальную и осевую составляющие. Технический результат - повышение надежности работы генератора плазмы. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 8 ил.

Трансформаторный плазматрон низкого давления для ионно-плазменной обработки поверхности материалов // 2505949

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к трансформаторным плазмотронам низкого давления, и может быть использовано в микроэлектронике для обработки полупроводниковых материалов (плазменное травление, оксидирование, очистка поверхности и т.д.), осаждения тонких пленок, в металлообработке для плазмохимического модифицирования поверхности металлов (ионно-плазменное азотирование, плазменное оксидирование и т.д.), для плазменной обработки полимерных материалов (уменьшение пористости, изменение гидрофобных свойств и т.д.). Трансформаторный плазматрон содержит замкнутую газоразрядную камеру с системой магнитопроводов с первичными обмотками, держатель для фиксирования обрабатываемого материала, источник питания, при этом газоразрядная камера включает рабочую камеру и одну или более одинаковых П-образных камер с меньшим внутренним диаметром и меньшей либо равной длиной, каждая из которых имеет систему разборных магнитопроводов с первичными обмотками и установлена так, что вместе с рабочей камерой образует замкнутый путь для тока газового разряда. В данном изобретении достигается существенное увеличение скорости и качества процесса, коэффициента полезного действия устройства. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Электродуговой плазмотрон с водяной стабилизацией дуги // 2506724

Изобретение относится к электродуговым плазмотронам с водяной стабилизацией дуги и может быть эффективно использовано при резке всевозможных металлов. Технический результат - упрощение конструкции, увеличение мощности плазмотрона, энтальпии получаемой плазмы, скорости резки. Электродуговой плазмотрон содержит соосно и последовательно установленные охлаждаемые катодный узел, изолятор, вихревую камеру, систему ввода плазмообразующего газа и жидкости и анодный узел с соплом-анодом, установленным с межэлектродным зазором относительно катодного узла и образующим полость для жидкостной стабилизации дуги,переходящей на выходе в водяной экран. Полость в анодном сопле выполнена из двух сопряженных конических поверхностей: стенка на 2/3 длины начального участка полости составляет угол наклона α1=5-10°, далее α2=30-45° до цилиндрического участка на выходе, длина которого равна 0,5-0,8 его диаметра, при этом параметры анодного сопла определяют характер жидкостной стабилизации плазменной струи и защитные характеристики водосборника-рассекателя. 1 ил.

Устройство, препятствующее карбонизации // 2508067

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к инструментам для осуществления плазменной коагуляции ткани. Инструмент включает устройство подачи окислительного средства, устройство подачи газа и электрод для получения плазмы, устройство предотвращения карбонизации ткани при плазменной коагуляции. Устройство предотвращения карбонизации выполнено с возможностью приготовления смеси газа и окислительного средства для получения плазмы газа и окислительного средства, при этом предусмотрено двухкомпонентное распылительное устройство для подачи окислительного средства, являющееся самовсасывающим двухкомпонентным распылительным устройством. Использование изобретения позволяет повысить однородность обработки ткани. 11 з.п. ф-лы, 8 ил.

Способ формирования самонакаливаемого полого катода из нитрида титана для системы генерации азотной плазмы // 2513119

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано для упрочняющей обработки деталей из сталей и сплавов цветных металлов методом плазменного азотирования. Заявленный способ включает установку полого катода из титана в разрядную систему, содержащую анодный электрод, постоянную прокачку через полый катод рабочего газа - азота, приложение между анодом и полым катодом напряжения и зажигание тлеющего разряда, ток которого задают таким, чтобы в течение нескольких минут температура полого катода увеличилась до температуры, близкой к температуре плавления титана (1668±4°С), формирование на поверхности полого катода слоя нитрида титана и переход разряда в низковольтный дуговой режим с термоэмиссионным катодом. Затем производят тренировку катода в дуговом режиме, для чего увеличивают ток дугового разряда при одновременном снижении напряжения его горения, поддерживая температуру полого катода близкой к температуре плавления титана, и в таком режиме поддерживают разряд в течение 40 мин. Техническим результатом является возможность изменения параметров разряда в широких пределах, ограниченных достижением температуры плавления нитрида титана (2950°С), а также многократное повышение тока разряда. 6 ил.