Устройства для получения низкотемпературной плазмы и области их применения.

Существующие способы получения плазмы можно классифициро-

вать следующим образом: 1) взрыв проводника в электрической цепи; 2)

электрическая искра; 3) высокочастотный факельный разряд; 4) корони-

Для технологических целей наиболее приемлемыми оказались спо-

собы получения плазмы с помощью высокочастотного и дугового разря-

дов. В настоящее время последний способ имеет ряд преимуществ:

– возможность получения плазмы в течение длительного времени с

высоким коэффициентом полезного действия из твердых, жидких и газо-

– возможность получения плазмы в вакууме и при высоких дав-

– возможность использования стандартных источников электриче-

Для получения плазмы в плазмотронах используют газы, т. е. плаз-

мообразующую среду. Она может быть одно- и многокомпонентной. В

качестве однокомпонентной плазмообразующей среды применяют аргон,

гелий, азот и водород. Подбором состава многокомпонентной плазмооб-

разующей среды в плазменно-технологическом реакторе можно получить

любую атмосферу: окислительную, восстановительную или нейтральную.

При использовании сложных плазмообразующих смесей для обеспе-

чения оптимальных параметров плазмы по энергетическим показателям,

стабильности горения электрической дуги и устойчивости электродов

подбирают соответствующие компоненты и их соотношения.

Генератор низкотемпературной плазмы, или плазмотрон – электро-

технический аппарат, в котором происходит нагрев плазмообразующей

среды электрическим разрядом. Основными компонентами дуговых плаз-

мотронов являются: электроды; вмещающая их или совмещенная с элек-

тродом разрядная камера, формирующая поток плазмы; система впуска

плазмообразующего газа; система управления дуговым разрядом. Различ-

ные варианты конструктивного выполнения эти компонентов и различ-

ные их комбинации обусловили большое количество принципиальных

Для обеспечения длительного ресурса работы электродных систем

дуговых плазмотронов применяют электроды из тугоплавких материалов

(С, Мо, W, Zr, Нf) либо перемещают опорные пятна дуги для распределе-

ния теплового потока на большую площадь электрода, выполненного из

меди и охлаждаемого водой. Поэтому тугоплавкие электроды изготовляют

в виде стержней или цилиндров малых размеров, запрессованных или вва-

ренных в медный электрододержатель. Легкоплавкие электроды из меди

(стали) выполняются в виде цилиндров или торов, по внутренней (или бо-

ковой для тора) поверхности которых перемещается опорный конец элек-

В этом классе плазмотронов можно выделить два типа, отличаю-

щиеся друг от друга методами стабилизации электрической дуги: водоох-

лаждаемой стенкой и вихревым потоком газа или жидкости.

В плазмотроне (рис. 2.1) дуговой разряд горит между электродами

(–) и (+), разделенными водоохлаждаемой стенкой, состоящей из ряда

медных секций, разделенных изолятором. Из-за охлаждения около стенки

образуется слой холодного газа с относительно низкой электропроводно-

стью, поэтому дуга занимает лишь часть сечения канала, чем достигается

принудительное увеличение плотности тока в столбе дуги и значительный

Если длинный канал не имеет секций, то проходящий через него газ

нагревается и теряет диэлектрическую прочность. При этом происходит

пробой слоя нагретого газа между столбом дуги и водоохлаждаемой

Рис. 3.1. Схема плазмотрона со стабилизирующей

На рис. 3.2 показана принципиальная схема плазмотрона со стабили-

зацией дуги вихревым потоком газа. Газ, подаваемый через тангенциаль-

ные отверстия 6 в вихревую камеру 1, создает в канале плазмотрона вих-

ревой поток, по оси которого между электродами 2 и 4 горит электриче-

ская дуга 3. Вследствие интенсивных процессов теплообмена газ нагрева-

ется, и плазма в виде струи истекает из сопла через электрод 4. В вихревой

камере и канале электрода 4 существует градиент плотности газа, по-

скольку основная часть его движется в пристеночной области. В результа-

те этого столб дуги «выталкивается» на ось электрода. Более совершен-

ным является плазмотрон с секционированным электродом и распреде-

ленной между секциями подачей плазмообразующего газа, что позволяет

Кроме рассмотренных, в практике нашли применение плазмотроны,

для питания которых одновременно используют постоянный и перемен-

ный токи, а также переменный ток промышленной и высокой частоты.

Мощность сопровождающей дуги в этом случае составляет 5-8 % от

Регулирование мощности в плазмотронах осуществляется изменени-

ем сопротивления в цепи питания (регулируемые дроссели), напряжением

источника питания, мощностью дуги сопровождения.

Рис. 3.2. Плазмотрон с газовихревой стабилизацией дуги:

1 – вихревая камера; 2 – внутренний стержневой электрод;

3 – столб дуги; 4 – выходной трубчатый электрод;

Энергетические и вольтамперные характеристики плазмотронов за-

висят от многих взаимосвязанных параметров. Кроме того, они являются

нелинейными, поэтому теоретическое их исследование затруднено, а по-

рой и невозможно. Поэтому плазмотроны обычно разрабатываются по це-

Высокочастотные плазмотроны (рис. 3.3) подразделяют на индук-

ционные, емкостные, факельные, сверхвысокочастотные (СВЧ).

Рис. 3.3. Схемы высокочастотных плазмотронов

Высокочастотные плазмотроны включают в себя электромагнитную

катушку-индуктор 4 или электроды 6, 8, подключенные к источнику высокочастотной энергии 1, разрядную камеру 3, узел ввода нагреваемого газа.

В высокочастотном индукционном плазмотроне (рис. 3.3, а) газ нагревается вихревыми токами, как при индукционном нагреве проводящей

среды в переменном электромагнитном поле индуктора при частоте от

6,3 кГц до 20 МГц. В начале процесса для образования проводящей среды

в зоне индуктора создается область высокотемпературного проводящего

газа с помощью постороннего источника (например дуговой разряд). Этот

процесс называют зажиганием. После зажигания в камере возникает самоподдерживающийся стационарный безэлектродный разряд 2. Глубина

проникновения (δ, см) вихревых токов в плазму определяется по формуле

где ρ – удельное электрическое сопротивление плазмы; f – частота, Гц;

μ – магнитная проницаемость, для плазмы μ = 1.

Удельное сопротивление аргона, азота и водорода при 15000 К равно

Продувая газ через разрядную камеру, на выходе из нее получают

струю плазмы 5 с температурой (7,5…15,0)·10³ К со скоростью 10 – 60 м/с.

Высокочастотный емкостный плазмотрон (рис. 3.3, б) имеет высоковольтный 6 и заземленный 8 электроды, между которыми возникает высокочастотное электрическое поле. Электроны, находящиеся в газе, получают энергию от высокочастотного электрического поля и при столкновениях обмениваются ею с нейтральными частицами, повышая тем самым температуру газа.

В высокочастотном факельном плазмотроне (рис. 3.3, в) при давлении, близком к атмосферному, факельный разряд имеет форму пламени свечи. Наиболее легко факельный разряд возникает на электродах с большой кривизной поверхности (на остриях и т. д.) при частотах электрического поля порядка 10 МГц и выше.

В сверхвысокочастотном плазмотроне (рис. 3.3, г) энергия от источника питания в зону разряда подается по волноводу 7.

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: