Способ плазменно-электромагнитного воздействия на диэлектрический материал


 

H05H1/16 - 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 2537372:

Общество с ограниченной ответственностью "ТВИНН" (RU)

Изобретение относится к технологии термической обработки твердых диэлектрических тел, включая их разрушение, в частности тел с низким коэффициентом поглощения электромагнитного излучения (горные породы, строительные материалы и пр.), и может быть использовано в горном деле и строительстве. Способ плазменно-электромагнитного воздействия на диэлектрический материал заключается в том, что создают плазму плазмотроном, формируют из нее плазменный поток и направленно воздействуют им на поверхность материала, отличающийся тем, что плазму создают и формируют из нее плазменный поток плазмотроном с регулируемыми параметрами, при этом дополнительно создают управляемый поток электромагнитных волн с частотой 0,5-5 ГГц и направляют его в место контакта плазменного потока с поверхностью материала, при этом регулировкой параметров плазмотрона и/или управлением потоком электромагнитных волн обеспечивают и поддерживают температуру плазмы в ее скин-слое в месте контакта плазмы с поверхностью материала в диапазоне 3000-5000 К. В результате достигается повышение производительности разрушения твердых диэлектрических тел и расширение области применении. 6 з.п. ф-лы.

 

Область применения

Изобретение относится к технологии термической обработки твердых диэлектрических тел, включая их разрушение, в частности тел с низким коэффициентом поглощения электромагнитного излучения (горные породы, строительные материалы и пр.).

Предшествующий уровень техники

Диэлектрические тела, в частности горная порода, являются хрупкими материалами, поэтому, если возникающие в них механические напряжения σ превысят предел прочности σП, то тела растрескиваются и разрушаются. Одним из способов создания в теле напряжений является его неоднородный нагрев, при котором вследствие перепада температуры ΔТ в теле возникают напряжения, равные σ=αΔТЕ, где Е - модуль Юнга, α - коэффициент термического расширения.

Таким образом, создание в теле перепада температуры ΔТ>σП/αЕ обеспечивает разрушение тела.

Известен способ разрушения диэлектрических тел электромагнитным излучением, в котором, воздействуя на тело излучением, например в СВЧ-диапазоне, производят его нагрев. Поскольку поглощение излучения в теле, как правило, происходит неоднородно по его объему, то из-за возникающей разницы температур между частями тела в нем возникают термомеханические напряжения, величина которых превосходит предел прочности (см. Политехнический словарь. Гл. ред. И.И. Артоболевский. М., «Советская энциклопедия», 1976 г., с.93).

Недостатками этого способа являются ограниченность его применения и неуправляемость процессом. Способ эффективно работает, если коэффициент поглощения излучения существенен, а для большинства диэлектрических тел он становится таковым лишь при очень высокой температуре ≥1000 К, когда у диэлектрика появляется заметная электропроводность (см. Ерошев В.К., Козлов Ю.А., Павлова В.Д. Конструирование и технология изготовления паянных металлокерамических узлов, часть 1, М., ЦНИИ «Электроника», 1988, с.43).

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ разрушения, основанный на плазменном нагреве диэлектрического твердого тела, включающий создание плазмы, формирование из нее плазменного потока, направленного извне к поверхности твердого тела и воздействующего на нее (см. патент RU №2365731, кл. E21B 7/15, 27.08.2009).

Недостатками этого способа являются низкая эффективность нагрева вследствие малого коэффициента теплопередачи, характерного для нагрева тела горячим газом, роль которого играет плазма, и ограниченность применения; исключаются тела с высокой теплопроводностью, так как в них тепло выравнивается быстрее, чем подводится (см. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. - М.: Энергоатомиздат, 1990, - 367 с.).

Раскрытие изобретения

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретения, является создание плазменно-электромагнитного способа термического разрушения диэлектрических тел с низким коэффициентом поглощения электромагнитного излучения, позволяющего эффективно разрушать тела даже с повышенной теплопроводностью.

Техническим результатом изобретения является повышение производительности при разрушении твердых диэлектрических тел и расширение области применения.

Задача решается, а технический результат достигается тем, что способ плазменно-электромагнитного воздействия на диэлектрический материал заключается в том, что создают плазму плазмотроном, формируют из нее плазменный поток и направленно воздействуют им на поверхность материала, причем плазму создают и формируют из нее плазменный поток плазмотроном с регулируемыми параметрами, при этом дополнительно создают управляемый поток электромагнитных волн с частотой 0,5-5 ГГц и направляют его в место контакта плазменного потока с поверхностью материала, при этом регулировкой параметров плазмотрона и/или управлением потоком электромагнитных волн обеспечивают и поддерживают температуру плазмы в ее скин-слое в месте контакта плазмы с поверхностью материала в диапазоне 3000-5000 К.

Предпочтительно поток электромагнитных волн подают в скин-слой плазмы в месте контакта плазмы с поверхностью материала из объема материала.

Может быть подан дополнительный поток электромагнитных волн навстречу основному потоку электромагнитных волн.

После формирования плазмотроном плазменного потока последний может быть уменьшен, а мощность потока электромагнитных волн увеличена и таким образом поддерживают температуру в диапазоне 3000-5000 К в скин-слое в месте контакта плазмы с поверхностью материала, при этом используют плазмотрон в виде ВЧ плазмотрона, СВЧ плазмотрона или гибридного плазмотрона.

Плазменный поток может быть сформирован в импульсном режиме и/или поток электромагнитных волн создают в импульсном режиме, а импульсные режимы плазменного потока и потока электромагнитных волн синхронизируют для работы в противофазе.

В ходе проведенного исследования выявлено, что сочетание создания управляемого потока электромагнитных волн с частотой 0,5-5 ГГц и направления его в место контакта плазменного потока с поверхностью материала и поддержка температуры плазмы в месте контакта с поверхностью материала в диапазоне 3000-5000 К с одновременной регулировкой плазменного потока путем изменения параметров плазмотрона и/или управлением потоком электромагнитных волн позволяет менять глубину проникновения тепла, а тем самым управлять геометрией разрушения, поскольку, как только температура поверхности диэлектрического материала подрастает на величину ΔT=σв/αЕ, в теле появляются трещины и оно разрушается. При этом установлено, что сочетание указанных выше параметров плазмы и потока электромагнитных волн позволяет резко сократить время нагрева диэлектрического материала и повысить производительность процесса разрушения диэлектрического материала.

Положительный эффект достигается тем, что вследствие увеличения плотности мощности потока q тепла в диэлектрический материал снижается время τ его нагрева ΔT, необходимое для разрушения породы: ΔT~q√τ (см. Сканави Г.И., Физика диэлектриков, М., Физматгиз, 1958 г.). При этом суммарные энергозатраты W падают, так как W=qτ~(ΔT)2/q - const/q, а это позволяет эффективнее разрушать диэлектрический материал, в частности горную породу.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 схематически показано воздействие плазменного потока и потока электромагнитных волн на разрушаемое диэлектрическое тело.

Лучший вариант осуществления изобретения

С помощью плазмотрона создают плазменный поток 1, направляя его непосредственно на поверхность диэлектрического материала 2. Плазма, контактируя с ней, передает диэлектрическому материалу 2 свою энергию, нагревая его. В место контакта плазменного потока 1 с поверхностью диэлектрического материала 2 подают поток электромагнитных волн 3, генерируемый, например, СВЧ генератором. Поток электромагнитных волн 3 поглощается в узком скин-слое 4 плазмы (см. фиг.1), соприкасающемся с поверхностью диэлектрического материала 2, и выделяет в нем всю свою энергию, интенсифицируя нагрев диэлектрического материала 2.

Если диэлектрический материал 2 имеет ограниченные размеры, то поток электромагнитных волн 3 подают извне на его поверхность, противоположную поверхности, контактирующей с плазмой. Поток электромагнитных волн 3, проходя без потерь сквозь диэлектрический материал 2, изнутри диэлектрического материала 2 поступает в зону контакта плазменного потока 1 с диэлектрическим материалом 2 и полностью поглощается в узком скин-слое 4 плазмы, непосредственно контактирующей с поверхностью диэлектрического материала 2. Это существенно повышает удельную плотность мощности, выделяемой на поверхности диэлектрического материала 2, причем представляется возможность подавать дополнительный поток электромагнитных волн (не показан) навстречу основному потоку электромагнитных волн 3 и, кроме того, после формирования плазмотроном плазменного потока 1 последний уменьшать, а мощность потока электромагнитных волн 3 увеличивать и таким образом поддерживать температуру в диапазоне 3000-5000 К в скин-слое 4 в месте контакта плазмы с поверхностью материала 2, что расширяет возможности по регулировке процесса воздействия на диэлектрические материалы 2 и позволяет повысить производительность при проведении такого воздействия.

Если диэлектрический материал 2 имеет неограниченные размеры (полуплоскость), или доступ к его противоположной стороне затруднен, то поток электромагнитных волн 3, направленный навстречу плазменному потоку 1, формируют в объеме диэлектрического материала 2 с помощью электродов (антенны), предварительно расположенных в диэлектрическом материале 2.

На расширение возможности регулирования воздействия на диэлектрические материалы 2 и, как следствие, расширение области применения и повышение производительности при разрушении твердых диэлектрических тел 2 направлено формирование плазменного потока 1 в импульсном режиме и/или создание потока электромагнитных волн 3 в импульсном режиме, причем предпочтительно импульсные режимы плазменного потока 1 и потока электромагнитных волн 3 синхронизовать для работы в противофазе.

Промышленная применимость

Настоящее изобретение может быть использовано в горной промышленности и строительстве при бурении скважин и возведении гражданских и промышленных объектов в горной местности, а также для интенсивного нагрева различного рода диэлектрических материалов в других отраслях промышленности.

1. Способ плазменно-электромагнитного воздействия на диэлектрический материал, заключающийся в том, что создают плазму плазмотроном, формируют из нее плазменный поток и направленно воздействуют им на поверхность материала, отличающийся тем, что плазму создают и формируют из нее плазменный поток плазмотроном с регулируемыми параметрами, при этом дополнительно создают управляемый поток электромагнитных волн с частотой 0,5-5 ГГц и направляют его в место контакта плазменного потока с поверхностью материала, при этом регулировкой параметров плазмотрона и/или управлением потоком электромагнитных волн обеспечивают и поддерживают температуру плазмы в ее скин-слое в месте контакта плазмы с поверхностью материала в диапазоне 3000-5000 К.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поток электромагнитных волн подают в скин-слой плазмы в месте контакта плазмы с поверхностью материала из объема материала.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что подают дополнительный поток электромагнитных волн навстречу основному потоку электромагнитных волн.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что после формирования плазмотроном плазменного потока последний уменьшают, а мощность потока электромагнитных волн увеличивают и таким образом поддерживают температуру в диапазоне 3000-5000 К в скин-слое в месте контакта плазмы с поверхностью материала.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что используют плазмотрон в виде ВЧ плазмотрона, СВЧ плазмотрона или гибридного плазмотрона.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что формируют плазменный поток в импульсном режиме и/или создают поток электромагнитных волн в импульсном режиме.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что импульсные режимы плазменного потока и потока электромагнитных волн синхронизируют для работы в противофазе.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области плазменного нанесения покрытий. Установка плазменного нанесения покрытий или обработки поверхности подложки (3) содержит рабочую камеру (2), которая является вакуумируемой и в которой может быть размещена подложка (3) и плазменная горелка (4) для создания плазменной струи (5) нагреванием технологического газа, причем плазменная горелка (4) имеет сопло (41), через которое плазменная струя (5) может выходить из плазменной горелки (4) и простираться вдоль продольной оси (А) в рабочей камере (2).

Группа изобретений относится к области физической электроники и может использоваться как источник непрерывных или импульсных пучков электронов с энергией до 10-20 кэВ в газах среднего давления (0,1-10 кПа).

Изобретение относится к технологии модифицирования (обработки) поверхности полимерных материалов. Способ управления процессом модифицирования поверхности полимерных материалов в низкотемпературной плазме высокочастотного разряда при пониженных давлениях среды осуществляют путем изменения мощности разряда.

Изобретение относится к области плазменной техники. Сопло для плазменной горелки, охлаждаемой жидкостью, содержит сверление сопла для выхода струи плазменного газа на конце сопла, первый участок, внешняя поверхность которого выполнена цилиндрической, и примыкающий к нему, к концу сопла второй участок, внешняя поверхность которого суживается по направлению к концу сопла конически, причем предусмотрена/предусмотрены, по меньшей мере, одна канавка подвода жидкости и/или, по меньшей мере, одна канавка отвода жидкости и продолжаются через второй участок во внешней поверхности сопла (4) по направлению к концу сопла и причем канавка подвода жидкости или, по меньшей мере, одна из канавок подвода жидкости и/или канавка отвода жидкости или, по меньшей мере, одна из канавок отвода жидкости также продолжается/продолжаются через часть первого участка, а в первом участке находится, по меньшей мере, одна канавка, сообщающаяся с канавкой подвода жидкости или, по меньшей мере, с одной из канавок подвода жидкости или с канавкой отвода жидкости или, по меньшей мере, с одной из канавок отвода жидкости.

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано в области атомно-эмиссионного спектрального анализа, при термической обработке порошковых материалов, а также в качестве их атомизатора для корректировки траектории космических аппаратов.

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано для нагрева различных газов и в качестве поджигающего устройства пылеугольной горелки. Технический результат - повышение КПД устройства и увеличение ресурса рабочих электродов.
Заявленное изобретение относится к физике плазмы. В заявленном устройстве с магнитным удержанием плазмы типа «ловушка с магнитными пробками» рабочий объем заполнен плазмой из одного исходного изотопа, при этом ядра второго изотопа ускоряют до энергий (110÷700) кэВ и вводят плотными пучками, уравновешивающими давление получаемой плазмы со всех сторон.

Изобретение относится к плазменной технике, в частности к конструкции магнитного блока распылительной системы, и может быть использовано в планарных магнетронах для вакуумного ионно-плазменного нанесения тонких пленок металлов и их соединений на поверхность твердых тел.

Изобретение относится к плазменной технике. Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов содержит главный кольцевой канал ионизации и ускорения, ограниченный конструкционными элементами из изолирующего материала и открытый на своем выходном конце.

Заявленное изобретение относится к электроду плазменной горелки. Заявленное устройство содержит продолговатый электрододержатель с передней поверхностью на острие электрода и сверлением, выполненным на острие электрода по средней оси через электрододержатель, и эмиссионную вставку, установленную в сверлении таким образом, что излучающая поверхность эмиссионной вставки остается свободной.

Изобретение относится к области переработки и утилизации вторичного сырья. Способ разрушения многокомпонентных изделий, состоящих из металлических элементов с прикрепленными к ним изоляционными элементами, включающий создание в них поля механических напряжений, превышающих предел их механической прочности от воздействия мощных ударных волн, источником которых является канал разряда, сформированный в воде между электродами, установленными в корпусе и подключенными к генератору высоковольтных импульсов, отличающийся тем, что для создания поля механических напряжений в изоляционных элементах изделий, превышающих предел их механической прочности, используют разряды с градиентом энергии 0.8-0.9 Дж/мм, которые осуществляют на границе раздела воды и разрушаемых изоляционных элементов.

Изобретение относится к области бурения скважин и стволов. Способ бурения твердых тел электрическими импульсными разрядами включает разрушение твердых тел непосредственно высоковольтными импульсными электрическими разрядами в твердых телах между высоковольтным и заземленным электродами электроимпульсного бурового наконечника.

Изобретение относится к области гражданского строительства, атомной и нефтегазовой отраслям и может быть использовано для бурения различных отверстий. Устройство содержит электродвигатель, редуктор с полым валом, источник лазерного излучения, инструмент для сверления, механизм возвратно-поступательной подачи инструмента сверления, оптическое волокно, газовую систему, резервуар для жидкости, смеситель, систему впрыскивания жидкости в смеситель, систему отсасывания, каналы для охлаждения оптического волокна, для подачи хладагента в зону забоя и для отвода отсасываемых из зоны забоя хладагента и шлама.

Изобретение относится к области гражданского строительства, атомной и нефтегазовой отраслям и может быть использовано в сейсмических районах для бурения различных отверстий.

Изобретение относится к области гражданского строительства, атомной и нефтегазовой отраслям и может быть использовано в сейсмических районах для бурения отверстий в бетонных зданиях с целью их укрепления стяжками и в опасных отвесных участках горной породы, для бурения тонких диагностических глубоких отверстий в многометровых бетонных стенах могильников с захоронениями радиоактивных веществ, для бурения в стенке скважины локальных боковых отверстий в окружающей породе.

Изобретение относится к горнодобывающей и строительной отраслям промышленности. Способ электроразрядного разрушения твердых материалов включает формирование шпура в твердом материале, размещение в нем картриджа с веществом, предающим ударную волну, и взрываемым проводником, и инициирование разряда взрывающимся проводником.

Изобретение относится к области проходки скважин и стволов высоковольтными разрядами в крепких горных породах и может найти применение в горнодобывающей промышленности, а также в строительной отрасли.

Изобретение относится к горнодобывающей и строительной отрасли промышленности. .

Изобретение относится к области горного и дорожно-строительного машиностроения, а именно к электромагнитным импульсным механизмам, и может быть использовано для разрушения горных пород, отделения шламовых образований в ковшах для разливки металлов, активизации рабочих органов горных машин, вибровозбудителя в вибротранспортных машинах и т.п.

Изобретение относится к техническим средствам для бурения скважин и проходки стволов с помощью высоковольтных импульсных разрядов, развивающихся непосредственно в горной породе, и может найти применение в горной промышленности для проходки скважин и стволов в крепких горных породах глубиной сотни метров.

Изобретение предназначено для бурения колонковых скважин и скважин без отбора керна с обратной внутренней промывкой в крепких горных породах и может найти применение при геологоразведочных работах, в горнодобывающей промышленности, при строительных работах. Коаксиально расположенные узлы наружной (2, 3) и внутренней (4, 5) коронок разделены высоковольтным изолятором (1). Корпус бурового долота (2) присоединен к колонне бурильных труб (6), а керновый переходник (4) - к высоковольтному тоководу (7). Внутренняя коронка (5) подпружинена пружиной (11) с возможностью опережения наружной коронки (3) не более 1/3 межэлектродного расстояния. Вдоль внутренней поверхности внутренней коронки (5) тангенциально расположены лезвия твердосплавных резцов (16), имеющих форму одностороннего клина, и вдоль наружной поверхности наружной коронки (3) расположены лезвия подобных резцов (17). Внутренние ребра-электроды (14) наружной коронки (3) и наружные ребра-электроды (15) внутренней коронки (5) выполнены с многогранными твердосплавными резцами (18, 19), позволяющими выравнивать забой скважины. Твердосплавные резцы, имеющие форму одностороннего клина (16, 17), предотвращают зависания бурового долота на керне и стенках скважины. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Наверх