Способ получения плазмы

 

О П И С А Н И Е 00932961

ИЗОБРЕТЕКИЯ

СОюз боеетских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 14.03.79 (21) 2731191/18-25 с присоединением заявки № (51) М Кч"

Н 05Н 1, 00

Государственный комитат

СССР по делам изобретений и открытий (23) Приоритет (43) Опубликовано 15.10.82. Бюллетень № 38 (53) УДК 533.9(088.8) (45) Дата опубликования описания 15.10.82

I и Ф. Г. Р.утберг

l

I

Е. П. Велихов, В, С. Голубев, В. С. Бор дик

) (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛАЗМЫ

Изобретение относится к области плазменной техники, конкретно к способу получения плазмы. Оно может быть использовано для создания плазмы с неравновесной проводимостью при температурах газа ниже 1000 К.

Известный способ получения плазмы включает нагрев газа при смеси газов до высоких температур, которые получают под действием высокочастотного поля, приложенного к разрядной камере (1). Недостатком этого способа является быстрый распад плазмы после отключения ВЧ-поля, что ведет к исчезновению проводимости.

Кроме того, при таком способе получения плазмы невозможно получить плазму, состоящую из газа и примеси атомов тугоплавкого металла, необходимую в ряде п р и ложен и й.

Наиболее близким техническим решением к описываемому способу является способ получения плазмы путем разогрева газа в плазматроне с вихревой подачей рабочего газа (2).

Такой способ позволяет получить плазму, в которой содержится плазмообразующая среда с возбужденными молекулами газа и примесь атомов тугоплавких металлов.

Однако этому известному способу прпсу щи следующие недостатки: как правило, плазма, генерируемая плазматронами, имеет высокую температу5 ру (порядка 10000 К), что приводит в некоторых случаях к изменению химического состава газа; разряд в камере плазматрона контрагпрован, что приводит к малой эффективно10 сти нагрева газа; проводимость плазмы быстро падает при отключении электрического поля либо при двн>кении вдоль струи вне зоны действия электрического поля.

)5 Целью изобретения является увеличение времени жизни плазмы и ее проводимости путем уменьшения эффективного коэффициента рекомбинации электронов плазмы.

Для осуществления этой цели рабочий

20 газ подают со скоростью порядка 10 — см кг

10, при расходе газа 0,1 — 30 —. давление газа в камере плазматрона поддерживают в пределах 0,1 — 50 ат, а величину

25 подводимого тока для разогрева устанавливают порядка 100 †100 А, разряд осуществляют используя катод, при этом рабочим газом является молекулярный газ, в качестве материала катода выбран такой

30 металл, атомы которого имеют энергетпче932961 ск!!с уровни, лсilill nl ис и!1жс эпс!7гсп1 !сск их

7ровнсп молекул газы, d интервалы меж. I) соссдиими энсргсти !ескпми уровнями ыпгомов металлы ие ревышыют шггервалов между соседним!! эпер геп1ческ и ми уровня м и .510 JOIE, Газcl в ОСIIOIII10м СОСТОяlllin.

11рп применении в качестве рабочего газа,1, СО2, СО, Н2 электроды могут быть выполнены из вольфрамы. Ilpn работе !!лазматрона за с !ст пы! рс!!ы электродов !и атомы металла, например вольфрамы, испаряются, а за счег !7ыгрсва I ыза обр !зу!О! ся возоуждеш!ые моле <улы, «оторыс вместе с атомами метал.!а вьшос5ггся из зоны разряда. !"

Взаимодействие aToмов металла с возбу5кденг!Ым11 молекулами приводит к иоиизации атомов и вследствие этого и образованию проводимосп1 газа ири температуре газа 1000 Ê.

"0 на чертеже, поясняющем сущность изобрегения, представлено конкретное устройство, в котором реализован способ получения плазмы. Это устройство включает резервуар с газом, который соединен посредством управляемого клапана 2 с кымсpîé 3 плазматрона. В камере плclзматроны вы НО, Iliñnû каналы д. 151 тын гcnLI 1 !aльиоll пода ш рабо !его газа (il;! !ергежс !1с !!зооражеиы), при этом ось l,àllà 10B расио Io- ЗО жена под углом и радиусу камеры.

В камере 3 распо Joжены электроды 4 и

5, которые подключены к источнику питания б. Электроды изолированы друг от д!551a изол51ционной IllaII001I /. В QIII07I 113 электродов имеется центральное отверстие

8, соединяющее камеру плазматрона со смесительной камерой 9, которая соединена с рабочей камерой 10, например, соиловой решеткой 11, на выходе раоочей камеры установлен диффузор 2, соединенный с балластным объемом 13. В смесительной камере выполнен канал 14 для подачи холодного газа.

В качестве рабочего газа выбирается мо- !5 лекулярный газ, имеющий колебательиыс уровни основного электронного состояния.

Конкретный выбор молекулярного газа 011ределяется из условия времени протекания конкретного процесса. При этом время жизни возбужденных состояний молекулярного газа должно быть не менее времени протекания процесса. I àê, например, если рабочее вещество применяется для работы лазерного устройства в сверхзвуковом режиме, то достаточно, чтобы время жизни возбужденных молекул было равно или превышало время пролета рабочим веществом сопловой решетl и и резонаторной кailepbl. XapaII rep- б!7 ное время здесь может составлять величину порядка 10 †" с.

При работе на дозвуковых режимах в лазерных устройствах характерное время ,5кизии Возбуждспных состояний дг7лжнО!!рсвышыгь 10 с. Кып>д (13 с.!учыс применен!Ия переменного источника оба электроды поиерсмсш,о выполняют функцию катода) выполняется из металла, атомы которого имеют энергетические уровни, лежаlI1i1c IIJIiIIQ эие!7гeтических уровней Iio; lola .! нлазмообразующей среды, а интервалы между соседними энергетическими уровнями атомов металла ие превышают интервалов между соседними эиергеп!ческими уровнямп молекул газа и основном электронном состоянии. При подключении электродов к источнику постоянного тока анод мо кет быть выполнен из металла, отличающегося от металла катода.

Способ получения плазмы осуществляется следующим образом. После подачи напряжения на электроды рабочий газ из резервуара 1 подают через клапан 2 в камеру 3. Тангеициалы1ыя пода !а газа при кг расходе 0,1 — 30 — со скоростью порядка см

10" — 10" — совместно с режимами рабос ты электродов в условиях их оплавления при иодводимом токе поряд!.а 100—

10000 Л и ири давлении в камере плазматрона 0,1 — 50 ат обеспечивает диффузный разряд в смеси рабо !его газа и паров метыллы. Эта смесь (плазма) поступает в смесительную камеру 9, в которой происходит выравнивание температуры плазмы.

Кроме того, в смесительиую камеру подают дополнительную порцию газа требуемого химического состава. Плазма из смесительной камеры 9 через сопловую решетку, в которой происходит дополнительное охлаждение, поступает i. paoo -Jóþ камеру 10.

Из рабочей камеры плы:1.ма выводится через диффузор в балластный объем, Для лучшего перемешивания рабочего газа в смесительной камере и увеличения массы рабочего газа применяют несколько плазматронов, соединенных с камерой 9. Применение нескольких плазматронов позволило увеличить длину сопловой решетки, что важно при применешш предложенного технического решения в лазерных системахх.

Экспериментально обнаружено, что при см скоростях подачи газа, меньших 10" —, не происходит достаточного перемешивания атомов металла и газа. При скоростях см больше 10 — происходит срыв разряда в плазматроне.

Скорость поступления и количество металла определяется током на катоде. При токах, меньших 100 Л, количество выделенного металла мало для получения достаточной проводимости. При токах больших

10000 Л происходит интенсивное разрушение катода, при этом металл разбрызгивается в виде капель.

932961

Для получения высокопроволимой II,долгоживучей плазмы является важным также количество расходуемого газа, Так при

Г расходе газа меньше 100 плазма в с плазмятпоне имеет температупу выше

5000 —:6000 К, что привозит к пазложенито молекул рабочего газа. При расходе газа

КГ больше 30 — происходит срыв разряда с за счет газодинамических неч стойчивостей.

Интервал давления газа 0,1 —:50 ат (в его холодном состоянии) выбпан из условия контрагиповаиич разряла, так как в условиях контпакции высокая темпепатура в дуге также приводит к разложению молекул пабочего газа. Выполнение уксазанных режимов позволило получить плазм со следующим соотношением концентрации металла к концентрации возбужденных молекул газа

Концентпаппя электронов этой плазмы составляет 10" — 10" см — а время жизни

1 — 10 — 4 с. Эти требования предъявляются, в частности, к плазме лазепов.

Ппи выборе соотношения концентрации металла и газа следует учесть, что с повышением концентпации металла ппи фиксированной концентпации возбужденных молекул уменьшается впемя ст шествования плазмы, но увеличивается концентпаттия электпонов. Ппи уменьшентти концентпации металла и увеличении концентпации возбужлеттньтх молекул растет впемя жизни плазмы, но падает концентрация электпонов.

При работе устройства с указанными режимами происходит износ вольфпамовьтх электподов и вынос атомов металлов тангенциальным потоком газа из зоны электродов. Ппи этом ппоисхолит пявномепное рясппеделение атомов металла по всем объему камеры, в камере возникает диФфузный разряд, занимающий практически весь объем камепы.

Наличие диффузного пазряла позволяет ппи мощностях пазпя;та попялка МВТ и более иметь среднемассовую темпеттятупу в т<амепе плазматпона не выше 5000 К. Такие низкие температуры лают возможтюсть эффективно заселить колебательтзтте уповии молекуляпного газа по всему объему плазматпона и не позволяют молекулам T àзя пазлагаться в зоне Пазпяла.

Таким образом, создается низкотемпепатупная плазма из смеси пабочего газа и атомов металла. С помощью потока гязя плазма выносится из зоны пазпяда и попадает в пабочую камепу 10. Так как энергетические уповни металла электродов и молекулы рабочего газа подобраны так, чтобы происходил интенсивный обмен энергией возбужденных состояний молекулы н электронных состояний атомов, то в результате этого взаимодействия возникает в конечном счете ионизация металла даже прп температурах газа ниже 300 К охлажденного при алиабатическом растципении в соплах. Таким образо;., в камепе 10 созл",ется неравновесняя плазма с концентряциеи 3лектронов до )0 — 1015 см — з

Следует заметить, что эффективньш Обмен между атомами металла и возбужленной молекулой, приводящей к ионизацпи металла, происходит в том случае. если атомы металла имеют явтоионизационные состояния.

Описанный способ был реализован. Эксперимент полтверлпл эффективность данного предложения.

Приведем экспериментальные данные.

20 Рабочий газ (азот) подавался тангенциально в камеры плазматронов со скоростью 2.104 см/с. В камере зажигался разряд с током 5 кА. Поток плазмы, нагретый до температуры 2000 К, через сверхзвуковые сопла попадал в рабочую камеру, где статическое давление газа составляло

60 топ и статическая температура газа была 300 К. Скорость сверхзвукового потока см составляла 1,7 10 — . В камере 10 проводились измерения ионных п электронных токов на стеночные электроды и по этим данным оценивалась электпонная концентрация, составляющая величину 10"—

35 10 4 см — на расстоянии около 50 сM От сопл, В то впс мя кя !с Остато IH34T электпоииая концентрация в случае Обычной рекомбинации лолжна бы составить не оолее

10!1

40 Электролы плазмятроиа выполнены из вольфрама. В экспериментальном 1:яиале наблюдалось интенсивное свететите атомов вольфрама. При заме!те азота ня гелттй (немолекулярный газ1 свечение пабо тей

45 камеры при прочих пявных условиях ие наблктлалось TT проводимость Отсутствовала. Действительно, в гелии нет метастабильных уровней, подобных молекулам азота, поэтому невозможен Обмен эиепги50 ей межлу атомами гелия 11 вольсЬпама. приводящих к ионизации последних. Кроме того, прове.тенный экспеппмент доказывает. что в рабочую тсамеп 10»е могли попасть электроны, возптткпптс в разряде

55 плязматрона.

Таким образом, ппедложенный способ позволяет получать высокую 1<оттцентраиию электронов при сравнительно низких темпепатупях. Кроме того, высокая концентпа60 ция элетстронов может сохраняться в течение д,.тптельного времени. Так концентпяция электпонов не ниже 101 — 10 4 см — при температуре газа ниже 1000 К может сохраняться в течение 10 — с на расстоянп65 ях, не меньших 100 см от "лазматронов, 932961 !TO,,3OT ВОЗ 1()Ж ПО("ГЬ 11С II(), I b,() В СI Ь Т(1 КЛ I()

ПЛ)13 vi), l! f) 33, I I I I I IO Г() PO;J 3 Л СТРОЙСТВс1 Х.

О(обснш) liii)l(llbl llр(1ме1!е1(ня в тех случаях, когд:1 тем((сратура газа составляет ислп IIIII). )н)рядка 800 К и 1)иже.

1-1!1 по:)лес целесообразно и редложе)! вы и с(и)(. ()б при:(.1151 Tb и l33c)) 3)(. l3:этом сл»13с, сс,)п 1)3no)ая каме)3 10 ис пользуется !

:. I÷(. o I!Ic элсктроразря, цгой камеры лазера, 11 пей возм()ж(го осуществ:le!I!I(»(.(;I fo- !0 стояте lblloi разряда без предвар!псльпой

Ilo111Iзации, так как электр(в(ы, кот()рыс обычно возникают за счет применения предионизатора, например эс(сктро п(п.() пу)к3, в д31(пом c,fó÷3ñ возника)от за счет 1з стол кпоI.QIIII5I мста стабильных молекул рабочего газа (азота) с атомами металла (вольфрама). Равномерно распределенная по всему объему рабочей камеры 10, используемой в качестве камеры лазера, 20 концентрация электронов и атомов металла позволяет осуществить стабильное однородное горение несамостоятельного разряда прп повышенных давлениях. При на:!If I!!If »oZ3 III через часть отверстий сопло- 2) вой решетки рабочего лазерного газа (например СО ) и при наличии достаточной обратной связи в резонаторе, камера 10 начинает работать как газоразрядный лазер. р

Применение данного способа в лазерах позволяет значительно их упростить в целом, уменьшить вес и габариты лазера вследствие простоты устройства ионизатора (плазматрон), а также увеличить объ- 35 емный энерговклад при повышенных давлениях н расширить диапазон длин волн излучения. При достаточно высоких колебательных температурах азота данное устройство может функционировать, естест- 40 венно, и как газодинамический лазер, если

ll(3!1 Ж11! 3 Ь 11СС3 Л!ОСТ() ЯТС, i bll bili Раз);ЯД В камере 10. При этом, одна .о, следует учесть, )то электрооптически эффектив1!ость газодинампческого лазера в 10 в 100 раз меньше эффективности газоди нам;1(е(. (O Г О, 1 li 3 (., ) l1 .

Ф о р м у I II II:I o () ð å T (1! и я (!!ос()б Ilo, I1 I(011115! !1,133М I>1 13 11лаз .Iатр()Il(с вихревой подачей молекулярного г333 путем разогрева газа разрядом, о т л и ч ию шийся тем, (то, с целью уве,шче ия времени жизни плазмы и ее проводимости путем уменьшения эффективного к(эффнпиента рекомбинации электро!и)з и,!аз, ы, разряд осуществляют используя катод, выполненный из металла, атомы которого имеют энергетические уровни, лежащие ниже энергетических уровней молекул газа, а интервалы между cocezIIIIv;! энергетическими уровнями атомов металла не превышлют интервалов между сосе,ними энергетическими уровнями молекул газа в основном состоянии, прп этом газ Iio;IclloT oo скоростью 104 — 10" см/с при расходе газа

0,1 — 30 кг/с, давление газа в камере плазматрона поддерживают в пределах 0,1—

50 ат, а величину подводимого тока устапавлпг:»oT порядка 100 — 10000 А.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Бабат Г. И. «Безэлектронные разряды и некоторые связанные с ними вопросы.

Вестник электропромышленности, 1942, ¹2, с. 1.

2. Гнедин. Л. Б., Рутберг Ф. Г. «Плазматроны переменного тока на инертных газах», «Электромеханика», 1967, ¹ 8, с. 14—

17 (прототип).

932961

Редактор Е. Зубиетова Техред А. Камышникова Корректор О. Тюрина

Заказ 1654/18 Изд. № 244 Тираж 856 Подписное

НПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Я-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2