книги / Специальные плазменные технологии

4. ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ПЛАЗМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ

В последнее время находят все большее применение технологии с использованием низкотемпературной плазмы на основе электромагнитной энергии. В таких технологиях используют высокочастотные (ВЧ) и сверхвысокочастотные (СВЧ) разряды, которые принципиально отличаются от дуговых разрядов. Впервые упоминание о высокочастотном безэлектродном разряде встречается в работе Гитторфа, опубликованной в 1884 г. Он заметил, что остаточный газ в вакуумной трубке, помещенной в соленоид, начинает светиться, как только через соленоид начинают пропускать высокочастотный ток. В работах многих ученых (Мак-Кинон, Книпп, Смитт, Брейзфилд и др.), опубликованных с 1929 по 1934 г., на примерах разнообразных опытов было показано, что в вакуумном баллоне, помещенном в высокочастотный индуктор, могут существовать две формы разряда: разряд, вызванный электрическим полем витков индуктора, и разряд емкостного типа. Впоследствии эти формы разряда Г.И. Бабат назвал Н-разрядом (высокочастотным индукционным– ВЧИ) иЕ-разрядом(высокочастотнымемкостным– ВЧЕ).

Главный отличительный признак этих разрядов – возможность получения чистой плазмы, не имеющей теплового и электрического контактов с элементами плазмотрона. В связи с этим ресурс времени работы плазмотронов определяется только ресурсом работы источника питания. Деление плазмотронов на высокочастотные и сверхвысокочастотные проводится по признаку частоты используемого для питания электромагнитного поля. ВЧ-плазмотроны обычно работают в диапазоне частот от 60 кГц до 60 МГц, а СВЧ-плазмотроны эксплуатируются на частотах 900–5000 МГц. Высокочастотные плазменные процессы нашли применение в таких областях промышленности, как по-

121

лучение особо чистых химических веществ, сфероидизация порошков тугоплавких оксидов, оплавление и очистка тугоплавких дисперсных частиц, синтез новых материалов (карбидов, нитридов и т.п.), полировка поверхностей, нанесение износостойких и декоративных покрытий, утилизация промышленных отходов.

4.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ВЧ-ПЛАЗМОТРОНОВ ПО СПОСОБУ ВОЗБУЖДЕНИЯ РАЗРЯДА

Возбуждение разряда в потоке электромагнитной энергии делится на несколько видов в зависимости от способа получения (табл. 7).

Высокочастотный индукционный (ВЧИ) разряд возбу-

ждается в электромагнитном поле высокой частоты при высокой напряженности магнитного поля, создаваемой, например, с помощью соленоида. При этом в разрядной области возникает индукционный кольцевой ток. Удельная мощность, вкладываемая в ВЧИ-разряд, растет с уменьшением частоты. В настоящее время проводятся успешные попытки возбуждения ВЧИ-разряда на промышленной частоте. Форма ВЧИ-разряда существенно зависит от частоты, степени однородности электромагнитного поля, размеров разрядной области и величины давления. Плазма ВЧИ-разряда при атмосферном давлении близка к термически равновесному состоянию.

Высокочастотный емкостной (ВЧЕ) разряд возбужда-

ется в электромагнитном поле высокой частоты (10 МГц и выше) при высокой напряженности электрического поля, например, создаваемой с помощью кольцевых соосно расположенных электродов. Удельная мощность, вкладываемая в ВЧЕ-разряд, растет с увеличением частоты. С изменением давления форма разряда существенно меняется. Так, при давлениях, близких к атмосферному, ВЧЕ-разряд стянут к оси, причем токи, протекающие через плазменный сгусток, замыкаются на электроде за

122

счет токов смещения. ВЧЕ-разряды характеризуются существенной термической неравномерностью, увеличивающейся с ростом частоты. Применение ВЧЕ-установок сдерживается сравнительно невысоким к. п. д., составляющим 30–60 %.

Высокочастотный коронный (ВЧК) разряд возникает при расстоянии между электродами больше, чем при высокочастотном дуговом разряде, и при частоте поля меньше 6 МГц. С понижением давления ВЧК-разряд переходит в факельный разряд. ВЧК-разряд может найти широкое применение в плазмохимических процессах.

Таблица 7

Виды разрядов и области технологического применения

Высокочастотный факельный (ВЧФ) разряд возбужда-

ется в неоднородном электромагнитном поле и возникает так же, как и ВЧК-разряд, при расстоянии между электродами больше, чем при ВЧД-разряде, и на частотах больше 9 МГц. В области частот 6–9 МГц происходит переход коронного разряда в факельный. Частотные границы перехода ВЧК-разряда в ВЧФ-разряд зависят от давления газа и амплитуды напряжения на электроде. С уменьшением давления размеры факела увеличиваются, факел принимает форму, близкую к шарообраз-

123

ной. В отличие от дугового разряда на постоянном токе ВЧФразряд характеризуется при одинаковой удельной мощности большим объемом плазмы, простотой получения термически неравновесной плазмы с температурой электронов (6÷20)·103 К и газовой температурой (1÷5)·103 К при помощи ВЧ-генератора 2–12 кВт. Широкое использование ВЧФ-плазмотронов сдерживается из-за невысокого к.п.д. нагрева газа, составляющего 40– 65 % при давлении 102–105 Па и расходе газа 10–1–102 л/мин. На рис. 41 представлены схемы плазмотронов для реализации высокочастотных разрядов.

Рис. 41. Схемы высокочастотных плазмотронов:

а– индукционный; б – емкостный; в – факельный;

г– сверхвысокочастотный; 1 – источник электропитания;

2 – разряд; 3 – плазменная струя; 4 – индуктор; 5 – разрядная камера; 6 – электрод; 7 – волновод

Достоинства ВЧ-плазмотронов. 1) Основным достоин-

ством высокочастотных плазмотронов является большой ресурс

124

работы (определяется ресурсом работы генераторной лампы)

иотсутствие в потоке плазмы продуктов эрозии электродов.

2)Низкая скорость истечения плазмы. Обычные ВЧ-плазмотро- ны характеризуются невысокой скоростью истечения плазменной струи (20–30 м/с). Увеличить эту скорость простым увеличением расхода газа невозможно. Однако для многих технологических процессов требуются не только высокие скорости плазменных потоков (плазменное напыление), но и большие величины энтальпии плазменной струи (плазменно-механическая обработка). Применяя сопловые насадки, можно добиться увеличения скорости плазменной струи, тепловых потоков к нагреваемым объектам и локализации ее воздействия в малых объемах. При использовании сопла на выходе разрядной камеры удается увеличить скорость до 1000 м/с. ВЧ-плазмотроны способны работать при скорости истечения плазменной струи до 1 м/с. Более того, при стабилизации ВЧ-разряда стенками разрядной камеры возможна работа ВЧ-плазмотрона без расхода плазмообразующего газа. Такой режим работы ВЧ-плазмотро- нов используется при сфероидизации материалов или выращивании монокристаллов. 3) Длина плазменной струи. В настоящее время получены ВЧИ-разряды в разрядных камерах длиной 150–200 мм. При правильной организации плазменного потока

удается увеличить длину плазменной струи до нескольких метров без значительного изменения ее параметров. Для достижения этой цели целесообразно применить полигональные индукторы ВЧЕ-разряда мощностью 1000 кВт. 4) Возможность ввода обрабатываемого материала непосредственно по оси разряда. Этим свойством обладает только ВЧИ-разряд, так как электрическая составляющая электромагнитного поля индуктора на его оси равна нулю, благодаря чему параметры ВЧИ-разряда не изменяются и не нарушается его устойчивость. 5) Использование в качестве плазмообразующих различных агрессивных газов и паров веществ. ВЧИ- и ВЧЕ-плазмотроны имеют возможность работать на любых газах, даже агрессивных, однако при нагреве

125

газов сложного состава необходимо предусмотреть средство для предотвращения осаждения на стенки разрядной камеры твердой фазы.

4.2. ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ПЛАЗМОТРОНЫ

Конструктивно ВЧ-плазмотроны достаточно просты (см. рис. 41). В последнее время наибольшее развитие получили факельные, емкостные и индукционные плазмотроны, позволяющие получить спектрально чистую плазму, не загрязненную материалом электродов, с низкой скоростью течения плазмообразующего газа.

Высокочастотные индукционные плазмотроны (ВЧИ)

ВЧИ-плазмотрон – это устройство, позволяющее получить при атмосферном давлении плазму с температурой 7000–11000 К. Мощность современных ВЧИ-плазмотронов составляет величину от единиц до тысяч киловатт. Нагревание плазмы в высокочастотном безэлектродном плазмотроне индукционного типа происходит по хорошо известному закону электромагнитной энергии, индукционного нагрева проводящей среды в переменном (высокочастотном) электромагнитном поле. Высокочастотное переменное магнитное поле dФ/dt индуцирует в плазме кольцевой ток Iφ (рис. 42). Для образования внутри плазмотрона проводящей среды при атмосферном давлении необходимо предварительно ионизовать газ от постороннего источника, иначе говоря, «зажечь» ВЧИ-плазмотрон.

ВЧИ-плазмотроны получили широкое распространение главным образом потому, что дают возможность достаточно просто получить объемные потоки плазмы и использовать в качестве плазмообразующей среды любой газ, в том числе агрес-

126

Охлаждение стенок камеры водой или другой жидкостью (водяная термозащита). Первым и самым простым ме-

тодом, позволяющим охладить кварцевую разрядную трубку, в которой существует ВЧИ-плазма, является наружное водяное охлаждение. Из множества вариантов конструкций кварцевых водоохлаждаемых разрядных камер можно выделить основные: клееную, сборно-разборную и сварную (рис. 43).

Рис. 43. Конструкции водоохлаждаемого ВЧИ-плазмотрона: а – клееная; б – разборная; в – сварная; 1 – индуктор;

2, 3 – внутренняя и внешняя кварцевые трубки; 4 – прокладки, уплотнители; 5 – газоформирователь

Быструю замену кварцевой трубы позволяет осуществить сборно-разборная конструкция. Система уплотнений и фланцев позволяет просто осуществить стыковку внутренней и внешней труб. Сварная конструкция из прозрачного кварца наиболее удобна при размещении ее в индукторе. Наибольшую «опасность» с точки зрения появления трещин на кварце представляют газовые пузыри, образующиеся в воде в термической зоне. Система охлаждения, состоящая из трех коаксиальных труб,

128

обеспечивает высокую скорость охлаждаемой воды и меньшую вероятность образования газовых пузырей.

Долговечность при работе с кварцевыми водоохлаждаемыми камерами обеспечивается при учете следующих факторов: устранение образования газовых пузырей в воде в термической зоне; уменьшение толщины кварцевой камеры до 2 мм; применение качественного кварца; использование особых светоотражающих покрытий.

Охлаждение газом (газовая термозащита). Главным недостатком водоохлаждаемых ВЧИ-плазмотронов является непредсказуемое растрескивание кварцевой трубы, происходящее главным образом при изменении режима работы. Поэтому основной является конструкция с газовой стабилизацией плазмы и охлаждением газом стенок камеры (рис. 44).

Рис. 44. Схема газовой стабилизации плазмы в ВЧИ-плазмотроне аксиальным пристеночным (а) и вихревым (б) потоками: 1 – разрядная камера; 2 – индуктор; 3 – плазма; 4 – защитный газ; 5 – струя плазмы; 6 – наиболее термонапряженный участок разрядной камеры

129

Активно применяются два основных способа газовой стабилизации ВЧИ-плазмы – аксиальным и вихревым потоками. Стабилизация вихревым потоком в инженерном отношении – это наиболее простой способ стабилизации.

Вихревое движение газа по внутренней поверхности разрядной камеры приводит к резкому разделению тяжелого холодного газа, протекающего вдоль стенок, и легкой горячей плазмы, сконцентрированной вблизи оси.

Для целого ряда плазменных технологий требуется аксиальная стабилизация. Поэтому современные плазмотроны комплектуются, как правило, сменными формирователями, позволяющими осуществлять вихревую и аксиальную газовую стабилизацию. Плазмотрон с аксиальной газовой стабилизацией плазмы представляет собой трубу из прозрачного кварца или другого тугоплавкого огнеупорного диэлектрического материала, один конец которой свободен и помещен в индуктор. Другой конец трубы закреплен в специальном держателе, служащем одновременно и газораспределительным устройством. Для термозащиты трубы по ее внутренней полости создается газовая струя, высокая скорость которой препятствует проникновению термодиффузных потоков от плазмы к стенке, т.е. создается газовая завеса между стенкой и плазмой. Для ее формирования внутрь внешней кварцевой трубки несколько выше зоны разряда вставляется вторая кварцевая труба. Зазор между трубками формирует термозащитную струю и направляет ее вдоль внутренней поверхности внешней трубы. Внутренняя трубка делит полный газовый поток на два: термозащитный и плазмообразующий. В трубку подается плазмообразующий газ, а в зазор – воздух или другой молекулярный газ.

Часто используют дополнительно и внешний обдув кварцевой трубки. Внешний обдув не только повышает надежность работы плазмотрона, но и в значительной мере играет роль фактора, стабилизирующего пламя плазмотрона на выходе из трубки.

130