Способ получения высокоэнергетических потоков частиц и устройство для его осуществления


 

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 2539559:

Чивель Юрий Александрович (BY)

Изобретение относится к области плазменных технологий и может быть использовано при разработке и создании источников высокоинтенсивных потоков частиц для научных и технологических применений. Способ получения высокоэнергетических потоков частиц в газах состоит в ускорении гетерогенного потока в сопле Лаваля. В дозвуковую часть сопла Лаваля вводят поток плазмы, обеспечивают ее ускорение до скорости звука и полную рекомбинацию плазмы до критического сечения сопла, а после критического сечения вводят в поток частицы и ускоряют гетерогенный поток газа в сверхзвуковой части сопла Лаваля. Устройство для получения высокоэнергетических потоков частиц содержит непрерывный источник плазмы, сопло Лаваля и систему ввода частиц. Устройство дополнительно содержит камеру высокого давления, матрицу из N непрерывных микроплазмотронов и систему подачи газа высокого давления. Длина дозвуковой части сопла Лаваля определяется из условия полной рекомбинации плазмы до критического сечения, а система ввода частиц обеспечивает ввод частиц после критического сечения по всему периметру сопла в сечении сопла с заданными параметрами - температурой и скоростью газа. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области плазменных технологий и может быть использовано при разработке и создании источников высокоинтенсивных потоков частиц для научных и технологических применений.

Известен способ [1] получения высокоэнергетических потоков частиц, в котором в сопле Лаваля осуществляют ускорение гетерогенного потока с частицами микронного размера. Для увеличения скорости осуществляют подогрев газа в дозвуковой секции сопла до 800-1000°C.

Недостатком данного способа является низкий уровень нагрева, низкая скорость частиц (до 1 км/с) и большой расход газа - до 200 м3 /ч. При этом расход газа прямо связан со степенью нагрева газа ввиду применения спирального источника нагрева газа.

Наиболее близким к предлагаемому способу является представленный в [2] способ получения высокоэнергетических потоков частиц, при котором с помощью дугового источника создают поток плазмы, направляют его в сопло Лаваля. Недостатком данного способа является неполное преобразование внутренней энергии плазмы в кинетическую энергию потока.

Задачей заявляемого изобретения является разработка высокоэффективного способа получения высокоэнергетических потоков частиц. Для решения поставленной задачи предложен способ получения высокоэнергетических потоков частиц.

Новым, по мнению автора, является то, что в дозвуковую часть сопла Лаваля вводят поток плазмы с температурой 15-20·103 К, обеспечивают ее ускорение до скорости звука и рекомбинацию плазмы до критического сечения сопла и после критического сечения вводят в поток частицы и ускоряют гетерогенный поток газа в сверхзвуковой части сопла Лаваля Сущность заявляемого способа поясняется чертежом (фиг.1), где 1 - непрерывный источник плазмы, 2 - плазменный поток, 3 - сопло Лаваля, 4 - устройство ввода порошка, 5 - поток частиц.

С помощью внешнего непрерывного источника 1 плазменного потока 2 с температурой ~15-20·103К в дозвуковую секцию сопла Лаваля 3 вводят поток плазмы с высоким энергосодержанием. Поток ускоряется до скорости звука при одновременной рекомбинации плазмы. В критическом сечении имеем слабоионизованный газ с температурой Тк и скоростью, связанными соотношением Vк=а=(к·R·Тк)1/2. Для азота, например, температура Тк может находиться в диапазоне 3-8·103К. Как известно, подогрев газа в сверзвуковой части сопла приводит к торможению газа и поэтому необходимо рекомбинацию завершить в дозвуковой части сопла. Известно устройство для получения высокоэнергетического потока частиц [3], которое содержит сопло Лаваля, спиральный нагреватель газа, систему подачи газа высокого давления, систему ввода частиц. Недостаток данного устройства состоит в низкой скорости частиц, низкой температуре газа, больших расходах энергии на подогрев газа и больших расходах газа. Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство [4], которое содержит дуговой источник плазмы атмосферного давления, сопло Лаваля, систему ввода порошка. Недостаток данного устройства состоит в низкой скорости частиц ввиду низкого КПД преобразования энергии плазмы в кинетическую энергию потока газа.

Для получения потоков микрочастиц с высокими скоростями вплоть до 2-3 км/с предлагается устройство, содержащее дуговой источник плазмы, сопло Лаваля, систему ввода порошка.

Новым, по мнению автора, является то, что устройство дополнительно содержит камеру высокого давления, матрицу из N непрерывных микроплазмотронов и систему подачи газа высокого давления, длина дозвуковой части сопла Лаваля выбирается из условия полной рекомбинации плазмы до критического сечения, а система ввода частиц обеспечивает ввод частиц после критического сечения по всему периметру сопла в сечении сопла с заданными параметрами - температурой и скоростью газа.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1.

Устройство содержит камеру высокого давления 6, соединенную с соплом Лаваля 3, в которой размещается неперывный источник плазмы 1 - матрица из N непрерывных микроплазмотронов, размещенных на поверхности сферического сегмента 7 - общей анодной плиты системы микроплазмотронов, систему подачи газа высокого давления 8 и систему ввода в газовый поток частиц 4.

Устройство работает следующим образом. В условиях атмосферного давления производится запуск микроплазмотронов путем подачи поджигающего импульса на катоды 9 микроплазматронов. С помощью системы подачи газа 8 осуществляется ввод газа в камеру высокого давления 6 и повышение давления до 30-40 атм. На вход в дозвуковую часть сопла Лаваля подается поток плазмы 2 большого сечения с температурой 15-20·103К и давлением 30-40 атм. Этот поток ускоряется в дозвуковой части сопла до скорости звука за счет внутренней энергии плазмы, в том числе теплоты реакции рекомбинации. Длина дозвуковой части определяется из условия практически полной рекомбинации плазмы и ее перехода в слабоионизованный газ. В сверхзвуковой части сопла с помощью системы ввода частиц 4 по всему периметру сопла вводят микрочастицы в сечении сопла с определенными параметрами для обеспечения заданного уровня нагрева и скорости частиц на выходе сопла Лаваля.

Ввод частиц порошка осуществляют в определенном сечении сверхзвуковой части сопла с целью не допустить перегрева частиц и равномерно по всему периметру сечения для получения равномерного распределения плотности потока частиц по сечению.

Как показывают расчеты, с помощью заявляемого устройства возможно ускорение частиц диаметром 10-20 мкм из тугоплавких металлов и металлокерамики до 2-3 км/с при одновременном их разогреве до температуры плавления и в то же время, при необходимости, путем выбора сечения ввода работать в режиме, близком к Cold Spraying [1] без сильного нагрева частиц и поверхности напыления.

Список литературы

1. A. Papyrin, V. Kosarev, S. Klinkov, A. Alkhimov and V. Fomin.// Cold Spray Technology. Elsevier, 2006, p.320.

2. A. Schwenk, H. Gruner, S. Zimmermann, K. Landes, G. Nutsch. Improved Nozzle Design of de-Laval-type Nozzles for the Atmospheric Plasma Spraying. // Proceedings of the International Thermal Spray Conference, Basil R. Marple and C. Moreau, Orlando,2003, S. 573-579.

3. Rand C.P.. WO/2007/091102. 16.08.2007.

4. Beason, Jr.; George P., McKechme; Timothy N.; Christopher A..US 5,573,682. November 12, 1996.

1. Способ получения высокоэнергетических потоков частиц, состоящий в ускорении гетерогенного потока в сопле Лаваля, отличающийся тем, что в дозвуковую часть сопла Лаваля вводят поток плазмы, обеспечивают ее ускорение до скорости звука и полную рекомбинацию плазмы до критического сечения сопла, а после критического сечения вводят в поток частицы и ускоряют гетерогенный поток газа в сверхзвуковой части сопла Лаваля.

2. Устройство для получения высокоэнергетических потоков частиц, содержащее непрерывный источник плазмы, сопло Лаваля и систему ввода частиц, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит камеру высокого давления, матрицу из N непрерывных микроплазмотронов и систему подачи газа высокого давления, длина дозвуковой части сопла Лаваля выбирается из условия полной рекомбинации плазмы до критического сечения, а система ввода частиц обеспечивает ввод частиц после критического сечения по всему периметру сопла в сечении сопла с заданными параметрами - температурой и скоростью газа с целью получить оптимальные параметры потока частиц.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электротехнике, а именно к области электрического нагрева газов дуговым разрядом, и может быть использовано в плазмотронах при проведении различных технологических процессов, в частности для подогрева расплава металла в промежуточном ковше МНЛЗ в металлургической промышленности, а также научных исследований высокотемпературных процессов.

Изобретение относится к области исследования физических свойств вещества, в частности к исследованию процессов в газоразрядных приборах и плазме. Между электродами при фиксированном расстоянии между ними подается напряжение, возникающий ток плавит и испаряет тонкую проволочку, которая размещается между электродами.

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.

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 области электротехники, а именно к электродуговым нагревателям газа (плазмотронам), используемым для получения стационарных потоков низкотемпературной плазмы различных газов, и может быть применено в химической и металлургической промышленности, машиностроении, энергетике, экологии.

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.

Изобретение относится к области вакуумных установок для плазменной дуговой плавки металлов и сплавов в космосе и предназначено для проведения экспериментов преимущественно по плавке наиболее перспективных металлов (вольфрам, ниобий) и композитов на металлической основе в условиях микрогравитации.

Изобретение относится к области вакуумных установок для плазменной дуговой плавки металлов и сплавов в космосе и предназначена для проведения экспериментов преимущественно по плавке наиболее перспективных металлов (вольфрам, ниобий) и композитов на металлической основе в условиях микрогравитации.

Изобретение относится к области металлургии и литейного производства, а именно к устройству электродуговых печей. .

Изобретение относится к технологиям восстановления металлов из неорганических оксидов. .

Изобретение относится к электротермии и может быть использовано для плавления минеральных компонентов. .

Изобретение относится к области плазменной техники, а именно к конструкции плазмотронов, применяемых в металлургической промышленности в качестве источника нагрева.

Изобретение относится к области преобразования электрической энергии в тепловую посредством дугового разряда в генераторе низкотемпературной плазмы (плазмотроне) и может быть использовано в энергетике для розжига и подсветки пылеугольного факела в топочных устройствах, в металлургической и химической промышленности, для получения ультрадисперсной сажи, которая является сырьем для получения наноструктурированного технического углерода. Плазмотрон содержит наружный электрод, соосно расположенный внутренний электрод-катододержатель, вихревую камеру подачи плазмообразующего газа. Электроды изолированы и размещены в индукционных катушках. Внутренний электрод-катододержатель выполнен полым. Углеводороды метанового ряда подают в дуговой канал наружного электрода через выходные каналы и кольцевую полость. В прикатодную область углеводороды метанового ряда подают через трубу, расположенную по оси внутреннего электрода-катододержателя и полость, образованную расположением катода в полом электроде-катододержателе. Плазмотрон имеет не менее четырех каналов подачи углеводородного газа в прикатодную область дугового разряда. Расположены каналы равномерно по окружности. Суммарная площадь проходных сечений каналов обеспечивает скорость истечения газа порядка 0,3-0,5 от скорости звука при заданном полном давлении и температуре подаваемого газа. Подвод углеводородного газа в прикатодную область дугового разряда выполнен в трех вариантах. Технический результат изобретения - повышение ресурса работы электрода за счет устойчивого возобновления защитного углеродного наноструктурированного слоя. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.
Наверх