ПЛАЗМОТРОН

ПЛАЗМОТРОН

       

(плазматрон, плазменный генератор), газоразрядное устройство для получения «низкотемпературной» (T»104 К) плазмы. Физ. исследования по созданию П. начались в 10-х гг. 20 в., однако широкое использование П. в пром. и лаб. практике относится к кон. 50 — нач. 60-х гг., когда были разработаны эфф. способы стабилизации дугового и высокочастотного разряда.

Дуговой П. постоянного тока состоит из след. осн. узлов: электродов, разрядной камеры и узла подачи ллазмообразующего в-ва; разрядная камера может быть совмещена с электродами — т. н. П. с полым катодом (см. РАЗРЯД С ПОЛЫМ КАТОДОМ). Дуговые П., работающие на переменном напряжении, используются реже. Существуют дуговые П. с осевым и коаксиальным расположением электродов, с тороидальными электродами, с двусторонним истечением плазмы, с расходуемыми электродами и т. д. (рис. 1).

Рис. 1. Схемы дуговых плазмотронов: а — с внешней плазменной дугой: б — струйный; .1 — источник электропитания; 2 — разряд: 3 — плазменная струя; 4 — электрод; 5 — разрядная камера; 6 — обрабатываемое тело.

Различают две группы дуговых П.— для создания плазменной с т р у и и п л а з м е н н о й д у г и.

В П. 1-й группы плазма, создаваемая в разряде между катодом и анодом, истекает из разрядной камеры в виде струи. В П. 2-й группы дуговой разряд горит между катодом П. и обрабатываемым телом, служащим анодом.

Стабилизация разряда в дуговых П. осуществляется магн. полем, потоком газа, стенками разрядной камеры, пучком эл-нов. Один из распространённых способов м а г н и т н о й с т а б и л и з а ц и и разряда плазмоструйных П. с коаксиально расположенными электродами состоит в создании (с помощью соленоида) перпендикулярного плоскости электродов сильного магн. поля, к-рое вынуждает токоведущий канал дуги непрерывно вращаться, обегая электроды. Поэтому анодные и катодные пятна дуги перемещаются по кругу, что предотвращает расплавление электродов.

Стабилизация, теплоизоляция и обжатие дуги может осуществляться также г а з о д и н а м и ч е с к и м с п о с о б о м: газ подаётся в разрядную камеру по спец. каналам, в результате чего образуется газовый вихрь, обдувающий столб дуги и генерируемую плазменную струю; слой холодного газа под действием центробежных сил располагается у стенки камеры, предохраняя её от контакта с дугой. Если не требуется сильного сжатия потока плазмы (напр., в нек-рых П., используемых для плавки металла), стабилизирующий газовый поток не закручивают, а направляют его параллельно столбу дуги. Как правило, стабилизирующий газ явл. и плазмообразующим в-вом. Применяют также стабилизацию и обжатие дуги потоком воды.

Плазма дуговых П. неизбежно содержит ч-цы в-ва электродов вследствие их эрозии. Когда этот процесс полезен, его интенсифицируют (П. с расходуемыми электродами); в др. случаях, наоборот, электроды изготовляют из тугоплавких металлов.

Плазмоструйные П. используют при термич. обработке металлов, для нанесения покрытий, в спектроскопии и пр.; плазменнодуговые П. служат для обработки электропроводных материалов (сварка, резка, плавка и т. д.).

Мощности дуговых П. 102—107 Вт; темп-pa струи на срезе сопла 3000— 25000 К; скорость истечения струп 1 —104 м/с; промышленный кпд 50— 90%.

Энергия электромагн. поля (низкой частоты 102—104 Гц) может быть введена в плазму разряда индукционным безэлектродным способом (см. БЕЗЭЛЕКТРОДНЫЙ РАЗРЯД). На этом принципе разрабатываются т р а н с ф о р м а т о р н ы е П.

В ы с о к о ч а с т о т н ы й П. включает: электромагн. катушку, индуктор или электроды, подключённые к источнику ВЧ энергии, разрядную камеру, узел ввода плазмообразующего в-ва. Различают ВЧ П. индукционные, ёмкостные, факельные (см. ФАКЕЛЬНЫЙ РАЗРЯД), П. на коронном разряде и с к о р о н о й в ы с о к о ч а с т о т н о й, а также СВЧ П. (рис. 2).

Рис. 2. Схемы ВЧ плазмотронов: а — индукционный; б — сверхвысокочастотный; 1 — источник электропитания; 2 — разряд; 3 — плазменная струя; 4 — индуктор; 5 — разрядная камера; 6 — волновод.

Наибольшее распространение в технике получили ВЧ индукционные (ВЧИ) П., в к-рых плазмообразующий газ нагревается вихревыми токами (характерные частоты =104—107 Гц). Т. к. ВЧИ-разряд явл. безэлектродным, эти П. используют, если к плазменной струе предъявляются высокие требования по чистоте. С помощью ВЧИ П. получают тонкодисперсные и особо чистые порошковые материалы. Мощность П. достигает 106 Вт, темп-pa в центре разрядной камеры и на начальном участке плазменной струи =104 К, скорость истечения плазмы до 103 м/с, пром. кпд =50—80%. ВЧ П. всех типов, кроме ВЧИ, применяются гл. обр. в лаб. практике. В ВЧ П., как и в дуговых, часто используют газовую «закрутку», изолирующую разряд от стенок камеры. Это позволяет изготовлять камеры ВЧ П. из материалов с низкой термостойкостью.

В 80-е гг. 20 в. ведутся разработки П., использующих для генерации плазмы поля оптич. частоты (см. ЛАЗЕРНАЯ ПЛАЗМА).

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.

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.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.