Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Реферат - Устройство, основные характеристики и применение высокочастотного плазмотрона - файл Устройство, основные характеристики и применение высокочастотного плазмотрона.doc


Реферат - Устройство, основные характеристики и применение высокочастотного плазмотрона
скачать (2006.4 kb.)

Доступные файлы (1):

Устройство, основные характеристики и применение высокочастотного плазмотрона.doc2245kb.05.06.2010 15:12скачать

Устройство, основные характеристики и применение высокочастотного плазмотрона.doc

Содержание
Введение 4

1. Назначение ВЧ-плазмотронов и область их применения 5

2. Описание принципа действия ВЧ-плазмотронов 6

2.1 Принцип действия ВЧИ-плазмотрона 6

2.2 Принцип действия ВЧЕ-плазмотрона 7

3. Описание протекающих процессов 9

4. Схема и описание ВЧ-плазмотронов 10

4.1 Конструкция ВЧИ-плазмотронов 10

4.2 Конструкция ВЧЕ-плазмотронов 15

5. Методика расчета основных параметров 20

6. Источники питания ВЧ-плазмотронов 22

7. Основные энергетические параметры 24

7.1 Энергетика ВЧИ-плазмотронов 24

7.2 Энергетические параметры ВЧЕ-плазмотронов 26

Список использованных источников 28
Введение
Название "плазмотрон" и сами принципы удержания и стабилизации термической плазмы родились в конце 50х - начале 60х годов. История создания ВЧ-плазмотрона как конструкции началась приблизительно с 1957 года с поисков возможностей стабилизации разряда в пространстве, увеличения термостойкости кварцевых труб, в которых разряд возникал. Нужно было определить диапазон частот ламповых генераторов, диаметры разрядных камер, способы "зажигания" и перехода на атмосферное давление.

Основой плазменных установок всегда были технические возможности высокочастотных генераторов – источников питания. В конце XIX века ламповых генераторов не было. Современная мощная радиотехника начинала путь с маломощных импульсно-ударных генераторов Герца, катушек Румкорфа и трансформаторов Тесла.

История создания ВЧЕ-плазмотрона, как и ВЧИ-плазмотрона, была неразрывно связана с разработкой и совершенствованием мощных ламповых генераторов. Высоковольтный высокочастотный разряд емкостного типа возникал с заострённых элементов конструкции ламповых генераторов. Это был аварийный и весьма нежелательный режим работы лампового генератора, с которым настойчиво боролись инженеры и конструкторы. Впервые попытка сделать данный вид разряда основой ВЧЕ-плазмотрона была предпринята в 1960 году Бамбергом и Дресвиным. Однако как конструкция и технологический аппарат ВЧЕ-плазмотроны появились значительно позже.

На сегодняшний день существует большое количество различных конструкций ВЧИ- и ВЧЕ-плазмотронов разной мощности, разные способы поджига разряда, различные способы охлаждения разрядных камер ВЧ-плазмотронов, которые позволяют активно использовать ВЧ-плазмотроны в различных технологических процессах.

^ 1. Назначение ВЧ-плазмотронов и область их применения
Высокочастотный плазмотрон - это устрой­ство, позволяющее получать при атмосферном давлении плазму с температурой 7000—11 000 К.

Многообразие вариантов режимов и конструктивных особенностей ВЧ-плазмотронов позволяет, с одной стороны, сделать практически любой технологический процесс эффективным путем выбора подходя­щего ВЧЕ-плазмотрона. С другой стороны, отсутствие универсальности ВЧ-плазмотронов предъявляет достаточно высокие требования к уров­ню владения этой техникой. Приведенные выше методы расчетов дают возможность квалифицированно определить характеристики ВЧ-плаз­мотронов, в наибольшей степени отвечающие параметрам оптимально­го технологического процесса. Помимо технических параметров нема­ловажным обстоятельством, которое нужно учитывать, является оцен­ка экономичности плазменного процесса.

При рассмотрении конкретного технологического процесса нередко решает вопрос в пользу выбора того или иного типа плазмотрона не стоимость нагрева плазмообразующего газа и не электрический кпд плазмотрона. Например, при сфероидизации гранулированного порош­ка в плазме основной показатель -производительность процесса при 100%-й обработке порошка.

ВЧ-плазмотроны можно использовать в тех технологических про­цессах, которые уже освоены с использованием дуговых плазмотронов, например резка, строжка, переплав, рафинирование металлов.

При решении вопроса о выборе типа плазмотрона (дуговой или ВЧ) предпочтение следует отдавать ВЧ-плазмотронам лишь в том случае, когда они оказываются эффективнее дуговых в реализации конкретного технологического процесса. Приме­ры таких эффективных технологических процессов с применением ВЧ-плазмотронов следующие: синтез пигментной двуокиси титана, сфероидизация гранулированных порошков, сфероидизация порошков тугоплавких окислов и т.д.


2. Описание принципа действия ВЧ-плазмотронов




^ 2.1 Принцип действия ВЧИ – плазмотрона
Высокочастотный индукционный плазмотрон - это устрой­ство, позволяющее получать при атмосферном давлении плазму с температурой 7000-11 000 К. Мощность современных ВЧИ-плазмотронов составляет величину от единиц до тысяч киловатт. Нагревание плазмы в высокочастотном безэлектродном плазмотроне индукционно­го типа представляет собой хорошо известный закон электромагнитной индукции, т.е. индукционного нагрева проводящей среды в переменном (высокочастотном) электромагнитном поле. Проводящей средой в дан­ном случае является ионизованный газ - плазма. Высокочастотное переменное магнитное поле индуктора дФ/dt индуцирует в плазме кольцевой ток Iφ (рис. 2.1). Безэлектродная кольцевая форма тока, отсутствие электродов определяют чистоту плазмы в таком плазмотро­не. Для образования внутри плазмотрона проводящей среды при атмос­ферном давлении необходимо предварительно ионизовать газ от посто­роннего источника, т.е. "зажечь" ВЧИ-плазмотрон.

После "зажигания" в разрядной камере ВЧИ-плазмотрона возни­кает самоподдерживающий стационарный безэлектродный индукцион­ный разряд при атмосферном давлении. Осуществляя продув газа через разрядную камеру на выходе плазмотрона, можно получить высоко­температурную струю.

Благодаря безэлектродной, кольцевой форме ин­дукционных токов ВЧИ-плазмотрон является одним из немногих источников, позволяющих генерировать чистую плазму, не загряз­ненную материалами элект­родов. ВЧИ-плазмотрон обладает практически неограниченным ресурсом работы в любой газовой среде.



Рисунок 2.1 - Схема индукционного на­гревания плазмы (а) и фотография ВЧИ-плазмотрона (б).

1 - индуктор; 2 - ВЧИ плазма; 3 - кварце­вая труба
2.2 Принцип действия ВЧЕ-плазмотрона
Принцип работы высочастотного емкостного плазмотрона удобно рассматривать на примере эквивалентной электрической схемы связи источника питания с плазмой (рис. 2.2).

В ВЧЕ-плазмотроне источник питания связан с плазмой через электрическую ёмкость коаксиальной системы, образованной внешними электродами 1 и плазменным шнуром 2. Возникающий при этом шнур плазмы не имеет непосредственного контакта ни с электродами, ни со стенками разрядной камеры, что обеспечивает чистоту плазмы. ВЧЕ-плазмотрон очень сильно отличается характером плазмы от ВЧИ-плазмотрона. Сила тока в ВЧЕ-плазмотроне составляет порядка нескольких ампер (1-10 А по сравнению с сотнями ампер в ВЧИ-плазмотроне), общее падение напряжения на единицу длины шнура составляет до 20-200 В/см, диаметр шнура – до 1 см (5-15 см для ВЧИ-плазмы). Эти характеристики ВЧЕ-плазмотрона позволяют реализовывать в нём высокую мощность при весьма слабых токах (до 10 А). Плазма в таких условиях даже в молекулярных газах неравновесна.



1

2



Рисунок 2.2 -Эквивалентная электрическая схема связи источника

питания с плазмой в ВЧЕ-плазмотроне

1 – электроды; 2 – плазменный шнур.
Качественные характеристики ВЧЕ-плазмотронов:

- низкий уровень излучения;

- высокая напряжённость электрического поля;

- малая мощность, необходимая для поддержания разряда.

^ 3. Описание протекающих процессов
С точки зрения современного понимания природы безэлектродного высокочастотного разряда физическая суть происходящих явлений сос­тоит в следующем.

"Зажигание" безэлектродного разряда всегда происходит за счет электрического поля индуктора, напряженность которого, как спра­ведливо указывал Таунсенд, может быть в 30 и более раз выше напряженности индукционной эдс. Это поле создает первоначальную ионизацию газа, которая по мере увеличения амплитуды высокоча­стотных колебаний растет, повышая проводимость разряда.

Известно, что тела с малой проводимостью "прозрачны" для маг­нитного поля индуктора. До тех пор пока проводимость газа мала, разряд «прозрачен» для Н-поля, и переменное магнитное поле индук­тора не в состоянии передавать разряду свою энергию. Однако как только проводимость под влиянием увеличения Е-поля достигает неко­торой критической величины, "магнитная энергия" индуктора начина­ет выделяться, в разряде появляется кольцевой ток и наступает Н-форма безэлектродного разряда. При этом напряжение на индукторе резко падает и Е-разряд гаснет. Возможны две формы появления индукцион­ного разряда: лавинообразная форма и постепенный переход Е-разряда в Н-разряд.

Мак-Киннон при плавном увеличении напряжения на соленоиде наблюдал постепенный переход одной формы разряда в другую при их одновременном существовании.

Однако Томсон имел дело, по-видимому, с лавинообразным про­цессом, так как Е-разряда он не наблюдал. Это объясняется тем, что большая мощность и амплитуда первой гармоники генератора затуха­ющих колебаний сразу создавали сильную ионизацию газа в Е-поле индуктора, что давало возможность лавинообразного возникновения Н-разряда без видимого перехода.

4. Схема и описание ВЧ-плазмотронов
^ 4.1 Конструкция ВЧИ-плазмотронов
Главным недостатком водоохлаждаемых ВЧИ-плазмотронов явля­ется часто непредсказуемое растрескивание кварцевой трубы, происходящее главным образом при изменении режима работы ("зажигание", изменение расхода газа, мощности и т.п.). Поэтому основная конст­рукция ВЧИ-плазмотронов — это плазмотроны с газовой стабилизаци­ей плазмы (рис. 4.1.1).

Сегодня хорошо осмыслены и конструктивно разработаны два основных способа газовой стабилизации ВЧИ-плазмы: аксиальным (стабилизация Рида) и вихревым потоком (рис. 4.1.1, а, б).

Стабилизация вихревым газовым 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 (рис. 4.1.1, в). Эффект вихревой стабилизации очень близок к стабилиза­ции Рида: плазма отжимается от стенок и не имеет с ними непосредст­венно теплового контакта.

Вторичным и неизбежным эффектом вихревой стабилизации явля­ется подсос газа через вихревую воронку внутрь плазмотрона (обрат­ный поток) (рис. 4.1.1, в). Величину этого обратного потока можно регулировать некоторым количеством прямоструйной газовой подачи, подаваемой в плазмотрон по отдельному газовому каналу (рис. 4.1.1, б).

Для целого ряда плазмо-технологических процессов вихревой способ газовой ста­билизации нежелателен, тре­буется аксиальная стабилиза­ция. Поэтому современные плазмотроны комплектуются, как правило, сменными газоформирователями, позволяющими осуще­ствлять вихревую и аксиальную газовую стабилизацию. Плазмотроны конструкции ЛПИ и ВНИИТВЧ со сменными газоформирователями.







Рисунок 4.1.1 - Схема газовой стабилизации плазмы в ВЧИ-плазмотроне аксиальным присте­ночным (а) и вихревым (б) потоками и фотография ВЧИ-плазмы, стабилизированной вихревым потоком (в).

1 - разрядная камера; 2 - индуктор; 3 - плазмоид; 4 — защитный газ; 5 - струя плазмы; 6 - наиболее термонапряженный участок разрядной камеры.

ИТВЧ со сменными газоформирователями позволяют осуществлять вихревую и аксиальную стабилизацию плазмы (рис. 4.1.2, 4.1.3).

Плазмотрон с аксиальной газовой стабилизацией плазмы (рис. 4.1.2, а) представляет собой трубу из прозрачного кварца или другого туго­плавкого огнеупорного диэлектрического материала 10, один конец которой свободен и помещен в индуктор. Другой конец трубы закреп­лен в специальном держателе, служащим 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 как бы газовая завеса между плазмой и стенкой. Для ее формирования внутрь внешней кварцевой трубы несколько выше зоны разряда вставляется вторая кварцевая труба 6, зазор между которыми позволяет сформи­ровать термозащитную струю и направить се вдоль внутренней повер­хности внешней трубы. Внутренняя труба делит полный газовый поток на два: термозащитный и плазмообразующий. По ней может подавать­ся аргон (плазмообразующий газ), а в зазор — воздух или другой молекулярный газ. Важное значение при работе с "ВЧ плазменными горелками" имеет толщина термозащитной струи. Нами был сконст­руирован и испытан плазмотрон, в котором применялась "закрученная струя", вихревая стабилизация плазмы (рис. 3, б). В этой конст­рукции поток термозащитного газа, кроме направления вдоль оси

трубы 10, имел еще тангенциальную направляющую скорости, которая

создавалась с помощью завихрителя 6. Центробежная сила, возникаю­щая при

этом, прижимала струю газа к внутренней стенке кварцевой трубы 10, создавая

тем самым тонкий слой термозащитного газа.

Как показали результаты экспериментов с мощными горелками, часто необходимым условием надежности ее работы является кроме тер­моизоляции разряда внешний обдув кварцевой трубы 10 (рис. 4.1.2, б).

Труба в зоне индуктора, несмотря на внутренний термозащитный поток, всегда нагревается от излучения плазмы, что может привести к нагреву воздуха в зоне индуктора и вызвать нежелательный пробой между витками индуктора.

Внешний обдув не только повышает надежность работы плазмен­ной горелки, но и в значительной мере играет роль фактора, стабили­зирующего пламя горелки на выходе из трубы.





Рисунок 4.1.2 - Схемы ВЧИ-плазмотронов конструкции ЛПИ с газовой стабилизацией плазмы:

а - аксиальная, б - вихревая стабилизация; 1- кран; 2 - штуцер для подачи стабилизирующего газа; 3,5 - крышки; 4 - штуцеры внешнего охлаждения;

6 - газоформирующее устройство; 7- кожух внешнего обдува; 8 - цанговый зажим;

9 - индуктор; 10 - кварцевая труба.

Кожух 7 и два штуцера 4 предназначены для подачи и формиро­вания внешнего обдувающего потока, направленного в основном в зазор между трубой 10 и индуктором 9. Система цангового зажима 8 позволяет просто и легко производить замену кварцевых труб, кран 1 и штуцер 2 служат для подачи и регулирования скорости термо­защитного (а) газа.

Важным конструктивным элементом ВЧИ-плазмотрона является экран, закрывающий окружающее пространство от светового и элект­ромагнитного излучения плазмотрона. Экраны такого типа дают возможность также осуществлять стыковку ВЧИ-плазмотрона с технологическим блоком-реактором.



Рисунок 4.1.3 - Схемы ВЧИ-плазмотронов конструкции ВНИИТВ им. В.П. Вологдина:

а - аксиальная газовая стабилизация плазмы; 1- корпус; 2,3 - внутренняя и внешняя кварце­вые трубы; 4 - индуктор; 5 - каналы для подвода газа, б - вихревая стабилизация плазмы: 1 - корпус; 2 - кварцевая труба; 3 - газоформирующее кольцо; 4 - штуцеры; 5 - прок­ладки; 6 - индуктор.

Варианты конструкций (рис. 4.1.4) позволяют осуществлять аксиальную газовую стабилизацию.






Рисунок 4.1.4 - Схемы ВЧИ-плазмотронов с аксиаль­ной газовой стабилизаци­ей плазмы:

а: 1- подача газа; 2 - корпус плазмотрона; 3 - центрирующие болты; 4,5 - внутренняя и внешняя кварцевые тру­бы; 6 - индуктор, б: 1- зонд для подачи реагентов; 2 - корпус плазмотрона; 3 - металлокерамический газоформирователь; 4,5 - внутренняя и внешняя трубы; 6 -индуктор

^ 4.2 Конструкции ВЧЕ-плазмотронов
Существует несколько вариантов конструкций разрядных камер ВЧЕ-плазмотронов: плазмотроны линейной схемы, линейно-тороидальные плазмотроны, с плоской геометрией электродов и с коаксиальной геометрией электродов.
4.2.1 ВЧЕ-плазмотроны линейной схемы
В ВЧЕ-плазмотронах линейной схемы применяется кольцевой цилиндрический электрод, не имеющий непосредственного контакта с плазмой. Такие плазмотроны называют линейными по виду разрядного канала, вытянутого в линию и соосных ему электродов (см. рис. 4.2.1). Различные конструктивные варианты линейных ВЧЕ-плазмотронов представлены в приложении В.

Электроды (их может быть 2, 3 или 5) в плазмотронах линейной схемы цилиндрические и располагаются соосно разрядным камерам с некоторым зазором. Подключение электродов к источнику питания осуществляется так, чтобы потенциальный электрод располагался между заземлёнными. Таким образом можно обеспечить экранировку электромагнитного поля и снять потенциал со струи плазмы, истекающей из разрядной камеры. В случае многоэлектродной схемы плазмотрона в разрядной камере образуется несколько

ВЧ-дуг в соответствии с количеством электродов. Протекание тока через разряд происходит вдоль оси разрядной камеры. Мощность разряда и величина тока через разряд определяются величиной ёмкости связи между электродами и разрядом, которая зависит от диаметра и высоты электрода.

Уровень вкладываемой мощности в разряд ограничивается ресурсом работы разрядной камеры ВЧЕ-плазмотрона, а также слабой емкостной связью между электродами и плазменным шнуром. Для увеличения ресурса работы используют электроды специальной формы, обращённые друг к другу большими радиусами. Это обеспечивает более равномерную тепловую нагрузку по стенке камеры, однако не снимает возможность её перегрева. Также используют металлические

водоохлаждаемые камеры, однако теряется чистота плазмы. Для повышения уровня мощности промежуток электрод - плазма заполняют средой с высокой диэлектрической проницаемостью с целью увеличения емкостной связи разряда плазмы с электродами. В качестве такой среды используют сегнетоэлектрическую вставку.

Базовая конструкция для ВЧЕ-плазмотрона линейной схемы приведена на рисунке 4.2.1



Рисунок 4.2.1 – Базовая конструкция для ВЧЕ-плазмотрона линейной схемы

4.2.2 Линейно-тороидальные ВЧЕ-плазмотроны
ВЧЕ-плазмотрон линейной схемы может быть сделан в виде тора (рис. 4.2.2) с двумя или четырьмя электродами. Такой тип плазмотронов назван линейно-тороидальным. По характеристикам и принципу работы они сходны с плазмотронами линейной схемы.





Рисунок 4.2.2 – Линейно-тороидальный ВЧЕ-плазмотрон
4.2.3 ВЧЕ-плазмотрон с плоской геометрией электродов
Наиболее простой и известной формой ВЧЕ-разряда является разряд между двумя плоскими электродами (рис. 4.2.3). Такие плазмотроны могут иметь цилиндрическую или прямоугольную разрядную камеру. Основное назначение таких плазмотронов – реализация процессов травления и очистки различного рода материалов, осаждения и получения покрытий на металлические и неметалические материалы. Также большая область применения таких плазмотронов - для накачки газовых лазеров.

В плазмотроне с плоской геометрией электродов (рис. 4.2.3) разрядный промежуток d, через который продувается газ, образован электродами 1, изолированными от разряда диэлектрическими покрытиями 2. Как правило, плоские электроды изготавливаются из меди, латуни или нержавеющей стали и располагаются на наружной поверхности разрядной камеры. Практически всегда электроды принудительно охлаждаются при помощи обдува их холодным газом или при помощи специальных трубочек, приваренных к электродам, через которые подаётся охлаждающая вода. Кроме того сами электроды могут быть полыми и через них может прокачиваться охладитель.




Рисунок 4.2.3 – Схема ВЧЕ-плазмотрона с электродами плоской геометрии

1 – электроды; 2 – диэлектрические покрытия.
Главное внимание в плазмотронах такого типа уделяется однородности разряда и возможности прокачки больших расходов газа. На данный момент эффективность работы ВЧЕ-плазмотронов с плоской геометрией электродов в области больших расходов газа резко падает и их применение становится невозможным.
4.2.4 ВЧЕ-плазмотроны с коаксиальной геометрией электродов
Существенное продвижение в область высоких значений расходов газа возможно с использованием ВЧЕ-плазмотронов, имеющих коаксиальную геометрию электродов (рис. 4.2.4). ВЧЕ-плазмотрон коаксиальной схемы состоит из двух коаксиальных друг другу диэлектрических труб – внешней и внутренней. Вокруг внешней трубы располагается цилиндрический электрод. Он может быть закреплён непосредственно на трубе либо находиться на некотором расстоянии от неё. Второй электрод, тоже цилиндрический, располагается во внутренней трубе. Таким образом, оба электрода тоже коаксиальны друг другу и изолированы от разряда электрическими стенками труб, образующих разрядный промежуток и составляющих так называемую разрядную камеру плазмотрона. Основной материал для разрядной камеры – кварц, обладающий высокой теплостойкостью и способностью выдерживать резкие изменения температуры (градиент порядка

1000 К) при достаточно высокой электрической прочности. Электроды, как правило, медные. Они могут быть сплошными, сделанными в виде спирали или перфорированными различного рода отверстиями (с целью получения возможности наблюдать разряд).




Рисунок 4.2.4 – Схема ВЧЕ-плазмотрона с коаксиальной геометрией электродов

5. Методика расчета основных параметров
Методика расчета тепловой нагрузки и кпд металлических плазмотронов требует обязательного учета джоулевого нагрева са­мих стенок плазмот­рона индуцированны­ми в них токами. Это, в свою очередь, пред­полагает решение электромагнитной за­дачи об индукцион­ном нагреве секций ВЧИ-плазмотрона.

Постановка задачи о распространении электромагнитного поля в металлическом индукционном плазмотроне зависит от взаимной гео­метрии поля и корпуса, поэтому ее необходимо начать с рассмотрения конструктивных и геометрических особенностей таких плазмотронов (рис. 2.16). Количество разрезов в них в зависимости от конструктив­ного варианта может колебаться от одного до нескольких десятков. Секции могут быть составлены из набора профилированных или круг­лых трубок, расположенных по образующей цилиндра, двух полуко­лец, профиль секции может определяться косыми разрезами, сделан­ными в толстостенной трубе, или фигурными разрезами, предназна­ченными для термозащиты изоляционных вставок. Секции плазмотро­на помещаются в кварцевый или фторопластовый чехол; они могут составлять герметичный корпус плазмотрона и без внешнего чехла с помощью термостойких изоляционных прокладок.

Электромагнитная задача сводится к расчету поля Hz в плоской полой пластине, толщина стенки которой равна τ, а линейный размер внутренней полости, через которую протекает охлаждающая вода, - d. Если г < b и т > а (что всегда выполняется), то процес­сы, протекающие на краях пластины, можно не учитывать и плотность тока в ней будет зависеть от координаты х; равномерное магнитное поле направлено вдоль оси z(Hz).

Следуя обозначениям работы, мощность, выделяемую в от­дельной секции плазмотрона при индукционном нагреве, можно вы­числить из выражения:



где П1 и П2 — модули вектора Пойтинга, характеризующие проникно­вение энергии в пластину с одной и с другой стороны.

Полученная расчетным путем мощность должна быть включена в тепловой баланс секции ВЧИ-плазмотрона. Применение электромаг­нитной задачи для расчета потерь в металлическом индукционном плазмотроне целесообразно только тогда, когда геометрические разме­ры секций плазмотрона (толщина стенки τ, радиус Rz) соизмеримы с глубиной проникновения поля в металл ∆.



^ 6. Источники питания ВЧ-плазмотронов
В высокочастотных плазменных установках, как правило, приме­няются ламповые генераторы с самовозбуждением — автогенераторы.

Автогенератор - это генератор, у которого переменное напряжение на сетку подается из анодной цепи через цепь обратной связи. Частота и амплитуда колебаний у автогенератора определяются лишь его собст­венными параметрами. В зависимости от типа плазмотрона и его техно­логического предназначения автогенераторы могут работать в диапазо­нах частот от 60 кГц до 80 МГц. В последнее время значительные изменения произошли в конструкциях выпрямителей, а также в систе­ме управления генераторов, которая теперь строится с использованием микропроцессорной техники. Однако принципиальная схема высокоча­стотного блока практически не изменилась и, как правило, делается на базе ламповых триодов. Колебательная система, присоединяемая к генераторной лампе, должна обеспечить условия, при которых генера­тор работа-т бы вполне устойчиво, отдавал требуемую колебательную мощность при достаточно высоком кпд, а частота генерирующих элек­тромагнитных колебаний находилась бы в заданном диапазоне.

В настоящее время для питания ВЧ-плазмотронов используются ВЧ-генераторы с частотой 440 кГц - 30 МГц, основное назначение которых -индукционный и диэлектрический нагрев материалов. При этом непосредственное подключение плазмотрона к генератору без изменения его колебательной системы не позволяет передать плазме номинальную высокочастотную мощность, что приводит к снижению кпд установки. Колебательная система выбирается таким образом, чтобы обеспечить необходимую величину вкладываемой в разряд мощ­ности на рабочей частоте, величина которой вместе с тем поддержива­лась бы с заданной точностью при любых изменениях параметров системы, вызванных изменением режима работы плазмотрона и гене­ратора. Выбор схемы зависит главным образом от необходимой частоты автоколебаний и требований к ее стабильности.

В диапазоне частот 0,066—5,28 МГц для питания ВЧИ-плазмотронов можно использовать промышленные генераторы типа ВЧИ, которые разработаны и применяются для индукционного нагрева раз­личных материалов. Выбор этих генераторов определяется тем, что они рассчитаны на нагрев в поле индуктора, эквивалентная схема которого подобна эквивалентной схеме индукционного плазмотрона.

Аналогично обстоит дело и с ламповыми генераторами для питания емкостных плазмотронов. В диапазоне частот 13-50 МГц применяются промышленные генераторы типа ВЧГ, которые разработаны и применяются для нагрева диэлектриков. Нагрузка таких генераторов емкостная и близка к эквивалентной схеме ВЧЕ-плазмотрона.


7. Основные энергетические параметры
^ 7.1 Энергетика ВЧИ-плазмотронов
В первые годы исследования ВЧИ-плазмы экспериментаторы пользовались случайными ламповыми генераторами (источниками пи­тания), поэтому первые результаты были получены для самых различных частот — от 60 до 0,5 МГц.

В настоящее время уста­новлен стандартный ряд час­тот и мощностей ламповых ге­нераторов: частоты 5,28; 1,76; 0,44 МГц; мощности (колеба­тельная ВЧ-мощность) 60; 160; 1000 кВт. Генераторы и плазмотроны выпускаются промышленностью. Нами про­веден подробный энергети­ческий анализ, калориметри­ческие измерения системы ламповый генератор — плаз­мотрон для всех трех частот. Исследовался один и тот же плазмотрон совместно с тремя

генераторами равной мощности (колебательная мощность 60 кВт), работающими на указанных частотах.







Рисунок 7.1 - Общая схема блоков ВЧ лампового генератора и ВЧИ-плазмотрона.


Выше описан плазмотрон с металлической разрядной камерой, плазмообразующий газ — воздух. Подача газа в плазмотрон вихревая. Ламповый генератор представляет собой систему, состоящую из не­скольких блоков: 1) анодного, повышающего трансформатора; 2) уп­равляемого, высоковольтного выпрямителя; 3) генераторной лампы; 4) системы колебательных контуров; 5) индуктора; 6) плазмотрона (рис. 7.1). Индуктор всегда является частью колебательного контура, однако его целесообразно в энергетической схеме выделить отдельно.

Серийный ВЧИ-плазмотрон, описанный выше, может работать в двух модификациях: с металлической разрезной водоохлаждаемой ка­мерой и без нее - с кварцевой камерой. В первом случае металличес­кая камера, помещенная в зону индуктора, нагревается индуцирован­ными в ней токами. Это дополнительные потери. В случае кварцевой камеры их нет.

Анодный трансформатор и выпрямитель являются системами с весьма высокими кпд (98—99 %), поэтому потери Ртр + Рвып в них составляют максимум 3 %. Важный потребитель энергии - генератор­ная лампа. Потери энергии на аноде генераторной лампы Pπ 25—33 % от всей потребляемой электроэнергии, и именно это обстоятельство определяет всю энергетику ВЧИ плазменных установок. Рк и Ринд - потери, связанные с протеканием тока через контур и индуктор (джоулев нагрев проводников), разные на различных частотах; Рст - мощ­ность, переданная в плазму. Она реализуется в виде тепловой мощ­ности плазменной струи Рстр и путем излучения, конвекции и теплоп­роводности теряется в стенках плазмотрона Рстр. Потери энергии на стенке Р2 могут быть уменьшены путем правильной организации газовой стабилизации и продувки плазмообразующего газа. В беспро­дувном закрытом варианте плазмотрона вся мощность Р2, воспринима­ется стенками плазмотрона. Из табл. 2.5 видно, что при уменьшении частоты весьма заметно растут потери в контуре.

в индукторе и особенно в ме­таллической разрядной камере. Так, если на частоте 5,28 МГц нагревание металлической ка­меры плазмотрона Рм.к. несуще­ственно (1 - 1,3 %), то на час­тоте 0,44 МГц эти потери со­ставляют 10—12 % и их уже нельзя игнорировать. То же от­носится к потерям в индукторе и контуре. Это связано с тем обстоятельством, что для возбуждения и поддержания разряда на низких частотах уменьшение наводимой (индуцируемой) эдс приходится ком­пенсировать амплитудой магнитного поля, т.е. разгонять в контуре и индукторе большие токи.

Из табл. 2.5 видно, что на частоте 5,28 МГц ток в индукторе I1 = 140 + 180 А. Для того чтобы создать ВЧИ-плазму такой же мощ­ности на частоте 0,44 МГц,

необходимо увеличить ток в индукторе или, точнее, ампер-витки практически во

столько раз, во сколько понижена частота поля. В наших экспериментах для / = 0,44 МГц ток индуктора 700—800 %, что и приводит к большим потерям мощности в контурах на данной частоте.
^ 7.2 Энергетические параметры ВЧЕ-плазмотронов
Одной из важнейших характеристик ВЧЕ-разряда является напря­женность электрического поля Е. Высокая напряженность электричес­кого поля (до 200 В/см) позволяет реализовывать в ВЧЕ-разряде большие мощности (до 1 МВт) при весьма слабых токах разряда (десятки ампер). Величина Е обычно определяется как отношение падения напряжения на активной составляющей

комплексного сопротивления плазмы Up к длине светящейся части разряда l. Погреш­ность составляет максимум 10 % и обусловлена в основном известным произволом при учете границ плазмы. Отметим, что величина давления несущественно влияет на величину напряженности электрического поля (в области 400—600 торр).

Некоторые данные о значении Е и зависимости его от рода (Аг, Не, N2, воздух) и расхода плазмообразующего газа в плазмотроне линейной схемы с водоохлаждаемой разрядной камерой, имеющей диаметр 44 мм, при мощности разряда 16 кВт приведены на рис. 3.17. Электрические параметры плазмотрона при работе на воздухе и азоте практически одинаковы. Низкие значения Е в Аг обусловлены тем, что ВЧЕ-разряд в этом газе сильно контрагирован, имеет форму шнура диаметром 3—5 мм и обладает проводимостью, достаточной для обес­печения больших разрядных токов (до 20 А) при малой величине Е. При атмосферном давлении в Аг минимальная мощность, необходимая для поддержания разряда, порядка нескольких сотен ватт. Эту важную особенность емкостного разряда в перспективе возможно использовать для поджига мощных индукционных плазмотронов.

Энергетическая эффективность работы установки в ВЧЕ-плазмотроне оценивается исходя из баланса мощностей, потерь мощности в каждом элементе установки и кпд. Обычно измеряется мощность, потребляемая генератором от сети Рс, мощность потерь на аноде генераторной лампы Рл и вкладываемая в разряд Рр. Все перечислен­ные величины определяются калориметрированием воды, охлаждаю­щей соответственно анодный трансформатор, выпрямитель, анод гене­раторной лампы, стенки разрядной камеры и калориметр, установлен­ный на срезе плазмотрона. По результатам измерений легко найти кпд плазмотрона ηп и кпд установки ηуст. Увеличение длины разряда несу­щественно влияет на уровень мощности, вкладываемой в разряд, однако значительно снижает кпд плазмотрона. Подчеркнем, что чем выше коэффициент теплопроводности плазмообразующего газа, тем ниже кпд плазмотрона.



Список использованных источников
1. Бамберг Е.А., Дресвин С.В. Определение некоторых параметров индукционного безэлектродиого разряда // ЖТФ. - 1963. - Т. 33. № 1.

2. Дандес П. Низкочастотная индукционная плазма // Физика и химия обраб. ма­териалов. - 1975. - № 2.

3. Дашкевич И.П., Эйленкриг Г.С. Применение ВЧ-разрядов в качестве источника излучения для спектрального анализа // Завод.лаб. – 1973. – Т. 3, № 4

4. Дресвин С.В., Бобров А.А, Лелёвкин В.М. и др. ВЧ- и СВЧ- плазматроны. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1992. - 514 с. - (Низкотемпературная плазма; Т. 6).

5. Корохов О.А., Кузьмин Л.А. Мегаваттный ВЧ-плазмотрон с пористой разрядной камерой – Новосибирск: Наука, 1989 г. – 144 с.

6. Цветков Ю.В., Панфилов С.А. Низкотемпературная плазма в восстановительных процессах – М.: Наука, 1980 г. – 360 с.


Скачать файл (2006.4 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации