книги / Специальные плазменные технологии

Пористые разрядные камеры. В качестве одного из вари-

антов разрядной камеры ВЧИ-плазмотрона может быть рассмотрена пористая разрядная камера (рис. 45).

Рис. 45. ВЧИ-плазмотрон с пористой разрядной камерой: 1 – подача газа; 2 – тигель; 3 – жидкий металл (Na); 4 – пористая стенка; 5 – верхняя крышка; 6 – индуктор; 7 – внешняя кварцевая трубка

Проникновение холодного газа через стенки камеры приводит как к охлаждению стенок, так и к вытеснению плазмы из пристеночной зоны (тот же эффект, что и при аксиальной стабилизации разряда). Основной особенностью ВЧИ-плазмотрона с пористой камерой является то, что течение газа в нем существенно отличается от течения газа в кварцевой трубке или в металлическом разрезном плазмотроне. Если в кварцевой трубке газ движется с глухого торца камеры вдоль ее стенок и характер его движения обусловлен конструкцией газоформирователя, то в пористой камере газ поступает в разрядный объем по всей длине камеры распределенно, с усредненным расходом на единицу поверхности стенки. Величина усредненного расхода газа зависит от многих факторов, таких как степень пористости стенки, избыточное давление газа с внешней поверхности камеры, фи-

131

зико-химические свойства газа и материала стенок и т.п. Если в подобном плазмотроне необходимо нагреть большее количество газа, чем усредненный его расход, то можно организовать дополнительную подачу газа через газоформирователь, как в случае обычного кварцевого плазмотрона.

В отличие от прозрачной кварцевой камеры пористая керамическая камера является непрозрачной, и в ней отсутствуют потери на световое излучение. Следовательно, КПД ВЧИ-плаз- мотрона с пористой разрядной камерой выше КПД аналогичной кварцевой камеры по крайней мере на величину потерь на световое излучение, что особенно существенно при повышении давления в камере.

К материалам для пористых разрядных камер предъявляются следующие требования:

♦высокая максимальная рабочая температура (примерно

1500 °С и выше);

♦высокая электрическая прочность, так как напряжение на индукторе при поджиге может достигать 8–10 кВ;

♦высокое удельное электрическое сопротивление при нормальнойи высокой (до 1500 °С) температурах(более 103 Ом·см);

♦высокая механическая прочность при нормальных и повышенных температурах;

♦хорошая газопроницаемость;

♦стойкость к термоудару;

♦малая испаряемость материала;

♦высокая стойкость к окислению при повышенных температурах.

С учетом изложенных выше требований в качестве материала камеры может быть рекомендована высокотемпературная керамика на основе нитрида кремния. В настоящее время успешно работает ВЧИ-плазмотрон мощностью 1 МВт с керамической проницаемой разрядной камерой диаметром 200 мм, длиной 500 мм

итолщиной стенки8–10 ммс расходомгазачерезстенку 5 г/с.

132

ВЧИ-плазмотроны с металлическими разрезными водо-

охлаждаемыми камерами. Разрядные камеры с газовой и водяной термозащитой, хотя и обеспечивают стабильную работу ВЧИ-плазмотронов, обладают применительно к некоторым технологическим процессам рядом существенных недостатков. Эти недостатки выражаются прежде всего в несовместимости условий надежной термозащиты стенок разрядных камер и специфических требований ряда технологических процессов. Необходимость увеличения мощности в разряде до нескольких сотен киловатт приводит к необходимости разработки новых камер для высокочастотного индукционного разряда.

В 1962–1963 гг. был предложен новый тип разрядной камеры с металлическими разрезными водоохлаждаемыми стенками, в которой может надежно существовать индукционный высокочастотный разряд мощностью в несколько десятков и сотен киловатт при пониженном и высоком (5–10 атм) давлении в разрядной камере (рис. 46). Принцип работы такой камеры основан на следующих основных положениях. Если в индуктор поместить полый металлический цилиндр, толщина стенки которого заведомо больше глубины проникновения электромагнитного поля в металл, то он будет поглощать в стенках всю электромагнитную энергию и поле внутри него практически будет равно нулю.

Однако если в этом же цилиндре сделать хотя бы один продольный сквозной разрез (параллельный оси цилиндра), то электромагнитная энергия может свободно проникать внутрь цилиндра, что позволяет возбуждать внутри него индукционный разряд. Интенсивное водяное охлаждение стенок цилиндра обеспечивает надежную и стабильную работу таких устройств с разрядами мощностью в несколько сотен киловатт.

На схеме (см. рис. 46) видно, что наиболее простым и естественным решением является размещение медной водоохлаждаемой трубы, выполненной в виде продольного змеевика внутри кварцевой трубы.

133

газа в области выделения электрической энергии. Типичный вид ВЧИ-разряда в аргоне при атмосферном давлении представлен на рис. 48. Разряд возбуждался на частоте 6 МГц в кварцевой водоохлаждаемой камере с внутренним и внешним диаметром соответственно 3 и 4,9 см при расходе аргона 0,14–0,84 г/с.

Рис. 48. ВЧИ-разряд при различных расходах газа (аргон, атмосферное давление, внутренний диаметр разрядной камеры 3,0 см):

1 – 0,14 г/с; 2 – 0,28 г/с; 3 – 0,42 г/с; 4 – 0,57 г/с; 5 – 0,84 г/с

Величина х отсчитывалась от места ввода газа в камеру через выравнивающую решетку. Смещение разряда к выходу разрядной камеры при увеличении расхода газа обусловлено не только взаимодействием ионизированной высокотемпературной области разряда с холодным потоком газа, как это иногда предполагается по аналогии с процессом горения, но и влиянием электромагнитных сил, вызывающих увеличение давления на оси разряда. Картина течения газа в индукционном разряде для двух характерных расходов 0,14 и 1,15 г/с представлена на рис. 49. Такой характер течения газа и определяет в основном тепловые характеристики ВЧИ-разряда. Температура плазмы индукцион-

ного разряда в плазмотроне. Рассмотренный выше характер течения газа в ВЧИ-разряде определяет радиальные распределения температуры плазмы и ее термическую неравновесность.

136

дугового разряда определяется плотностью тока. Для индукционного разряда можно построить аналогичную зависимость. Так как плотность тока в ВЧИ-разряде трудно измерить или вычислить,

целесообразно использовать соотношение j ≈ P0 / d , где P0 –

мощность (полная) в разряде, Вт; d – диаметр разрядной камеры, см. В данном соотношении предполагалось, что длина разряда мало меняется и косвенно учитывается подводимой мощностью.

Рис. 50. Изотермы электронной температуры разряда в ВЧИ-плазмотроне с кварцевой разрядной камерой диаметром 4 см (цифры при кривых соответствуют температуре в единицах 103 К)

138

В зависимости от конструкции плазмотрона, диаметра разрядной камеры и расхода газа к. п. д. ВЧИ-плазмотронов меняются в широких пределах. В качестве примера в табл. 8 представлены к. п. д. ВЧИ-плазмотронов различной конструкции.

Таблица 8

КПД ВЧИ-плазмотронов при различном расходе аргона (атмосферное давление)

Следует отметить, что ВЧИ-плазмотроны с металлической разрядной камерой по к. п. д. значительно уступают плазмотронам с кварцевой камерой. Однако использование в ВЧИ-плазмо- троне коаксиальной подачи газа позволяет значительно улучшить его характеристики.

4.4. ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ЕМКОСТНЫЕ (ВЧЕ) ПЛАЗМОТРОНЫ

Долгое время ВЧИ-плазмотрон оставался почти единственным источником безэлектродной чистой плазмы. В конце 70-х гг. XX в. был предложен еще один принцип создания безэлектродной чистой плазмы, основанный на использовании высокочастотного емкостного (ВЧЕ) плазмотрона. ВЧЕ-плазмотроны представляют большой интерес в связи с отсутствием расходуемых электродов. Это важно при работе в агрессивных газах, а также

139

ввиду создания разряда при высокой напряженности электрического поля и небольшой плотности тока. ВЧЕ-плазмотроны обеспечивают возможность получения термически неравновесной плазмы почти в любых газах. Параметры ВЧЕ-плазмотронов мощностью от 1 до 1000 кВт, в соответствии с экспериментальными данными, полученными на частоте 17,3 МГц, представлены в табл. 9.

Таблица 9

Основные параметры ВЧЕ-плазмотронов

Принцип работы ВЧЕ-плазмотрона основан на так называемой емкостной связи источника питания с проводящей зоной разряда. Передача энергии в зону разряда происходит при помощи емкостного тока. Внешние электроды не находятся в зоне разряда и не контактируют с плазмой, что позволяет, как и в случае ВЧИ-плазмотрона, получить чистую плазму. Принцип подвода электрической энергии к ВЧЕ- и ВЧИ-плазмотронам изображены на рис. 51. В ВЧЕ-плазмотроне источник питания связан с плазмой через электрическую емкость коаксиальной системы, образованной внешними электродами 3 и плазменным шнуром 4. Возникающий при этом шнур плазмы не имеет непосредственного контакта ни с электродами, ни со стенками разрядной камеры, что обеспечивает чистоту плазмы. ВЧЕ-плазмотрон формирует плазму, отличающуюся от создаваемой ВЧИ-плазмотроном. В ВЧЕ-плазмотроне сила тока несколько ампер (1–10 А по срав-

140