Приглашаем посетить сайт
ПЛАЗМОТРОН
ПЛАЗМОТРОН - устройство длясоздания плотной (с давлением порядка атмосферного) низкотемпературнойплазмы (с Т до 104 К) с помощью электрическихразрядов в газах и дающее плазменный поток, используемый для исследовательскихи научных целей. Плазму газовых разрядов получают давно, уже более 100лет, однако разработки спец. устройств начались в 10-х гг. 20 в., а самтермин "П." возник примерно в 50-х гг., тогда же началось широкое практич. <использование П.
Принцип работы П. заключается в следующем. <Холодный газ непрерывным потоком продувают через область, где горит стационарныйразряд; газ нагревается, ионизуется, превращается в плазму, к-рая вытекаетиз области разряда в виде плазменной струи чаще всего прямо в атмосферу(тогда и давление в плазме атмосферное). На практике обычно применяютсяП., работающие на дуговом разряде, Пеннинга разряде, ВЧ- и СВЧ-разрядах. <Импульсные источники плазмы, работающие, напр., на искровом разряде, кП. не относятся. Кроме ионизации газа в электрич. разряде значительно режеиспользуется ионизация газа электронным пучком. Принципиально можно нагреватьи ионизировать газ мощным лазерным излучением для создания оптич. П.
Для науч. исследований и технол. целейиспользуют П., работающие на разл. газах (воздух, аргон, азот, водороди др.), а также на газах с присадками паров или капель твёрдых веществ(напр., для плазменного нанесения покрытий). Мощность П. различна: от десятковВт до десятков МВт, давление газа - от долей мм рт. ст. до десятков и сотенатмосфер.
Дуговой П. может работать на постоянномили переменном токе. Широко используемый дуговой П. пост. тока состоитиз разрядной каморы, в к-рой расположены электроды вдоль по оси или коакспально, <и узла подачи плазмообразующего вещества. Плазма может истекать из разряднойкамеры П. в виде струи или создавать плазменную дугу. Во втором случаеразряд горит между катодом и обрабатываемым телом, служащим анодом. В П.,изображённом на рис. 1, электроды, выполненные в виде отрезков труб круглогосечения, расположены вдоль оси; вокруг них устанавливаются обмотки соленоидов, <создающие магн. поле, перпендикулярное плоскости электродов. В результатевзаимодействия тока дуги с магн. полем место привязки дуги к электроднойстенке перемещается по окружности, что предохраняет электроды от перегреваи расплавления, а также стабилизирует положение места привязки в осевомнаправлении (магн. стабилизация и теплоизоляция). Межэлектродная вставкаиз изоляц. материала ограничивает диам. дуги и тем самым позволяет повыситьеё темп-ру по сравнению с темп-рой электрич. дуги в свободном пространстве.
Рис. 1. Схема дугового плаамотрона постоянноготока: 1 - электроды; 2 - межэлектродная вставка; 3 -соленоиды; 4 - зона электрической дуги; 5 - подача рабочеготела; 6 - истечение плазмы.
Газ, образующий плазму, часто вводитсяво внутр. канал межэлектродной вставки (иногда с закруткой); газовый вихрьобдувает столб дуги и плазменную струю; под действием центробежных силслой холодного газа располагается у стенок камеры, предохраняя их от нагреваниядугой (газодинамич. стабилизация и теплоизоляция). Если сильного сжатияпотока плазмы не требуется, то стабилизирующий поток не закручивают, анаправляют параллельно столбу дуги. Применяют также стабилизацию и термоизоляциюдуги потоком воды.
В тех случаях, когда необходимо ввестив дугу материал эрозии электрода (напр., для плазменного нанесения защитногопокрытия), один из электродов П. устанавливается в торце камеры. При этомпредусматривается его осевая подача по мере выгорания. Наиб. мощность полученав П. с коаксиальными электродами. В них ток дуги протекает в радиальномнаправлении по относительно малому (по поперечному сечению) токовому каналу. <Дуга движется по окружности электродов под влиянием взаимодействия токас создаваемым соленоидами магн. полем. Этому полю придаётся такая форма, <чтобы стабилизировать положение дуги в осевом направлении.
Дуговой П. трёхфазного переменного токапредставляет собой фактически три П., подобных П. на рис. 1, у к-рых дугиот разл. электродов соединены по схеме "звезда". В ряде случаев для обеспеченияустойчивой работы такого П. (отсутствие погасания дуги при прохождениитока через нуль на к.-л. электроде) применяются постоянно действующие системыСВЧ- или искрового поджига. Мощности дуговых П. ~102 - 107 Вт, темп-pa струи на срезе сопла 3000 - 20000 К, скорость истечения струи1 - 104 м/с, промышленный кпд 50 - 90%.
Для создания неравновесной плазмы низкогодавления (доли мм рт. ст.), служащей источником заряж. частиц, чаще всегоиспользуется П. с разрядом Пеннин-га, при к-ром электроны колеблются восевом направлении, что способствует эфф. ионизации.
Безэлектродные П. Энергия эл.-магн. поля(низкой частоты 102 - 104 Гц) может быть введенав плазму разряда индукц. безэлектродным способом. На этом принципе разрабатываютсятрансформаторные П. Наиб. распространение получили индукционные ВЧ- и СВЧ-П.,в к-рых рабочий плазмообразующий газ нагревается вихревыми токами (частоты104 - 107 Гц). ВЧ-П. (рис. 2) содержит эл.-магн. <катушку, индуктор, разрядную камеру, узел ввода плазмообразующего вещества. <Т. к. ВЧ-индукционный П. является безэлектродным, то эти П. используют, <если к плазменной струе предъявляются высокие требования по чистоте, напр. <для получения тонко дисперсных и особо чистых порошковых материалов. Мощностьтакого П. достигает 106 Вт, темп-pa ~104 К, скоростьистечения плазменной струи до 103 м/с, промышленный кпд ~50- 80%.
РИС. 2. Схемы ВЧ-плазмотронов: а - индукционный; б - сверхвысокочастотный; 1 - источник электропитания; 2- разряд; 3 - плазменная струя; 4 - индуктор; 5 - разрядная камера; 6 - волновод.
П. с ионизацией газа электронным пучкомне получили широкого распространения в связи с большой сложностью необходимогооборудования. Установка с таким П. содержит сложные системы преобразованияпервичного пост. напряжения питания в высокое, вакуумные системы, электроннуюпушку, систему ввода пучка в зону повышенного давления, камеру нагреваи ионизации газа, а также системы управления, защиты и коммутации. Но несмотряна сложность, П. с электронным пучком используются для нек-рых спец. целейв связи с наличием у них ряда принципиальных преимуществ по сравнению сП. с электрич. разрядом: возможность генерации неравновесной ("холодной")плазмы с наименьшей энергетич. "ценой" иона, отсутствие загрязнений плазмыматериалами эрозии электродов, возможность применения разл. рабочих тели получения высоких темп-р с умеренными тепловыми нагрузками на стенкии др.
Оптический П. Возможность непрерывногоподдержания разряда и генерации плотной низкотемпературной плазмы излучениемлазера непрерывного действия на СО 2, т. е. возможность созданияоптич. П., была теоретически обоснована Ю. П. Райзером в 1970. Если продуватьгаз через горящий в фокусе луча оптический разряд, то можно получитьнепрерывную плазменную струю, как и в П. др. разрядов. Пока имеются лишьэксперим. результаты, напр. был получен непрерывный оптпч. разряд в струеаргона атм. давления, истекающий через сопло (рис. 3). Лазерный луч мощностью~1 кВт фокусировался в области сопла соосно с направлением потока, и изсопла вытекала плазменная "игла" радиусом ~1 мм, длиной ~3 см и с темп-рой~15000 К.
Рис. 3. Принципиальная схема оптическогоплазмотрона: 1 - лазерный луч; 2 - линза; 3 - сопло;4 - поток газа; 5 - плазменная струя.
Оптич. П. имеет ряд преимуществ перед П. <др. типов: он не требует к.-л. конструктивных элементов для подвода эл.-магн. <энергии к плазме (электродов, индукторов, волноводов); темп-pa плазмы значительновыше 15000 - 20000 К; большая возможность выбора места разряда, приближенияк определённым точкам, обрабатываемым плазменной струёй. Для практич. осуществленияоптич. П. необходимо создать мощный лазер непрерывного действия и лучшене в видимом, а в ИК-диапазоне, т. к. коэф. поглощения в плазме довольнобыстро уменьшается с частотой.
Применение П. Плазмотроны широкоиспользуются в плазмохимии и плазменной металлургии. В нагретыхдо высоких темп-р ионизов. газах могут интенсивно протекать хим. реакции, <не происходящие или очень медленно протекающие в др. условиях. Это ужепрактически попользуется для целого ряда производств. С помощью П. осуществляютсяспец. технол. процессы, такие как плазменное нанесение покрытий, плазменнаярезка, сварка и др. (см. Плазменная технология). П. является генераторомплазмы для нек-рых научных исследований и модельных тепловых испытанийМГД-генсраторов, исследований теплообмена и испытаний средств теплозащитыдля условий входа космич. аппаратов в атмосферу и пр. П. служит для созданияплазменных источников света, в т. ч. эталонных источников высокотемпературногоизлучения. С помощью П. исследуются свойства низкотемпературной плазмы, <создаётся неравновесная плазма низкого давления дляэлектрофиз. приборови устройств; в частности, П. является источником заряж. частиц для ускорителей.
Лит.: Жуков М. Ф., Смоляков В . Я., УрюковБ. А., Электродуговые нагреватели газа (плазмотроны), М., 1973; Жуков М. <Ф., Коротеев А. С., Урюков Б. А., Прикладная динамика термической плазмы, <Новосиб., 1975; Райзер Ю. П., Основы современной физики газоразрядных процессов, <М., 1980.
В. М. Иевлев.