Применение высокочастотных плазмотронов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. ВЧИ-плазмотроны

1.1 Принцип работы ВЧИ-плазмотрона

1.2 Конструкции ВЧИ-плазмотронов

2. Высокочастотные емкостные плазмотроны

2.1 Принцип работы ВЧЕ-плазмотрона

2.2 Конструкции ВЧЕ-плазмотронов

3. Источники питания высокочастотных плазмотронов

4. Применение высокочастотных плазмотронов

4.1 Общие принципы применения ВЧ-плазмотронов

4.2 Основные технологические процессы с использованием ВЧ-плазмотронов

4.3 Способы интенсификации ВЧ плазменных процессов

Список литературы

Приложения

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.

И тем не менее уже с помощью этих примитивных усройств удалось получить высокочастотные индукционные (ВЧИ) и высокочастотные емкостные (ВЧЕ) разряды.

Впервые упоминание о высокочастотном безэлектродном разряде встречается в работе Гитторфа, опубликованной в 1884 году. Он заметил, что остаточный газ в вакуумной трубке, помещённой в соленоид, начинает светиться, как только через соленоид начинает пропускаться высокочастотный ток. Сам Гитторф и позднее Томсон высказывали предположение, что этот вид разряда вызван не электрическим, а магнитным полем соленоида и имеет характер индукционного тока в газе. Дальнейшее развитие индукционная теория безэлектродного высокочастотного разряда получила в фундаментальных работах Томсона, вышедших в 1926-1927 годах. Томсон полагал, что основной причиной возникновения разряда является магнитное поле соленоида. В экспериментальной части своей работы Томсон убедительно доказал, что безэлектродный разряд имеет индукционную природу.

Следующим важным этапом явились работы Таунсенда и Дональдсона. Авторы возражали против индукционной (магнитной) гипотезы разряда. Они указывали, что напряжённость электрического поля между крайними витками соленоида в 30-40 раз больше напряжённости электрического поля, наводимого переменным магнитным полем. Они считали, что разряд вызван электрическим полем индуктора, и доказывали, что геометрия поля может обеспечить кольцевую форму разряда. Такая принципиальная разница в точках зрения Таунсенда и Томсона привлекла к исследованию этого вопроса многочисленных исследователей.

В работах многих учёных (Мак-Кинон, Книпп, Смитт, Брейзфилд и др.), опубликованных с 1929 по 1934 года, на примерах разнообразных опытов было показано, что в вакуумном баллоне, помещённом в высокочастотный индуктор, могут существовать обе формы разряда: разряд, вызванный электрическим полем витков индуктора, и разряд индукционного типа. Впоследствии эти формы разряда Г.И. Бабат назвал Н-разрядом (ВЧИ) и Е-разрядом (ВЧЕ).

Как было показано, противоречивость результатов экспериментов Таунсенда и Томсона была вызвана различными условиями их проведения. Томсон пользовался генератором высокочастотных затухающих колебаний и работал в узкой области сравнительно низких давлений газа. Таунсенд использовал в своих работах ламповый генератор незатухающих колебаний для возбуждения разряда в газах с более широким диапазоном давлений.

Мак-Кинон в своих экспериментах воспроизвёл условия работы Таунсенда и Томсона. Он применил два источника питания и доказал, что даже на генераторе незатухающих колебаний (схема Таунсенда) можно получить чётко выраженную форму ВЧИ-разряда. Было показано, что разряд в колбе (трубке) действительно возникает под действием электрического поля между витками соленоида и носит характер продольного слабого свечения вдоль всей колбы. Однако при дальнейшем увеличении амплитуды высокочастотных колебаний свечение становится ярче и, наконец, возникает яркий кольцевой разряд, появление которого можно определить по силе светового излучения и реакции генератора (падение напряжения). Продольное свечение от Е-поля при этом исчезает. Поместив колбу снаружи индуктора, в зоне действия Е-поля, Мак-Кинон смог получить только продольное свечение ВЧЕ-разряда, который ни при каких условия не переходил в ВЧИ-форму.

После выяснения природы высокочастотного безэлектродного разряда интерес к этому виду разряда как к физическому явлению пропал на длительное время. Все эксперименты в тот период проводились на сравнительно маломощных источниках и поэтому ни о каком практическом применении такого разряда не могло быть и речи.

С появлением более мощных ламповых генераторов и увеличением мощности самого разряда начинается качественно новый период в исследовании высокочастотного безэлектродного разряда.

Изучению свойств безэлектродных высокочастотных разрядов посвящена работа Штрауса. Он исследует влияние рода газа на зажигание безэлектродного разряда. в качестве исследуемых газов были взяты благородные газы, азот, водород и пары ртути и йода. Он вывел зависимость потенциала зажигания безэлектродного разряда в разрядной камере.

Впервые конструкция "ВЧ плазменной горелки" с прямоструйной газовой стабилизацией появилась в работах Рида. Конструкция и принцип действия оказались столь надёжными, что позволили использовать "ВЧ плазменную горелку" в технологическом процессе выращивания кристаллов рубина и сапфира. Однако надёжность и простота этого плазмотрона были оценены лишь со временем, а сегодня ВЧ-плазмотроны Рида широко применяются, особенно в установках небольшой мощности - для спектрального анализа.

Создание металлической разрезной водоохлаждаемой камеры явилось важным этапом в развитии высокочастотной плазмотронной техники. Продольные разрезы обеспечивают проникновение электромагнитного поля внутрь разрядной камеры, водяное охлаждение каждой секции обеспечивает эффективный теплосъём.

Основные типы разрядных камер ВЧИ-плазмотронов (см. приложение А) были созданы в период с 1957 по 1963 года. Долгое врем ВЧИ-плазмотрон оставался почти единственным источником безэлектродной чистой плазмы. Это продолжалось до тех пор, пока в начале 70х годов не был осмыслен ещё один принцип создания безэлектродной чистой плазмы, лежащий теперь в основе высокочастотного емкостного плазмотрона.

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]

1. ВЧИ-плазмотроны

1.1 Принцип работы ВЧИ-плазмотрона

Высокочастотный индукционный (ВЧИ) плазмотрон - это устройство, позволяющее получать при атмосферном давлении плазму с температурой 700-11000 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, то есть индукционного нагрева проводящей среды в переменном (высокочастотном) электромагнитном поле. Проводящей средой в данном случае является ионизированный газ - плазма. Высокочастотное переменное магнитное поле индуктора индуцирует в плазме кольцевой ток (рисунок 1.1). Безэлектродная кольцевая форма тока, отсутствие электродов определяют чистоту плазмы в таком плазмотроне. Для образование внутри плазмотрона проводящей среды при атмосферном давлении необходимо предварительно ионизировать газ от постороннего источника, то есть "зажечь" ВЧИ-плазмотрон.

После "зажигания" в разрядной камере ВЧИ-плазмотрона возникает самоподдерживающийся 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 плазму, не загрязнённую материалами электродов. ВЧИ-плазмотрон обладает практически неограниченным ресурсом работы в любой газовой среде.[1]



Рисунок 1.1 - Схема индукционного нагревания плазмы

С точки зрения современного понимания природы безэлектродного высокочастотного разряда физическая суть происходящих в разрядной камере ВЧИ-плазмотрона явлений состоит в следующем. "Зажигание" безэлектродного разряда всегда происходит за счёт электрического поля индуктора, напряжённость которого может быть в 30 и более раз выше напряжённости индукционной ЭДС. Это создаёт первоначальную ионизацию газа, которая по мере увеличения амплитуды высокочастотных колебаний растёт, 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 свою энергию разряду. 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.[2]

Основные типы разрядных камер ВЧИ-плазмотронов:

- кварцевая неохлаждаемая;

- кварцевая водоохлаждаемая;

- металлическая разрезная водоохлаждаемая.

Основные способы газовой стабилизации плазменного сгустка в разрядной камере ВЧИ-плазмотрона:

- вихревым потоком;

- аксиальным пристеночным потоком.

Основные способы "зажигания" ВЧИ-плазмотрона:

- при атмосферном давлении емкостным током;

- при атмосферном давлении с помощью вводимого в плазмотрон штыря;

- на пониженном давлении 10-2 торр;

- при атмосферном давлении электрической дугой.[1]

1.2 Конструкции ВЧИ-плазмотронов

Конструкции разрядных камер ВЧИ-плазмотронов с водяным охлаждением

Первым самым простым методом, позволяющим охладить кварцевую разрядную трубу, в которой существует ВЧИ-плазма, является наружное водяное охлаждение.

Из множества вариантов конструкций кварцевых водоохлаждаемых разрядных камер можно выделить основные: клееную, сорно-разборную и сварную.

В клееной конструкции (рис. 1.2) внутренняя разрядная камера 3 и внешний чехол, как правило тоже кварцевый, с водоповодящими штуцерами скрепляются с помощью уплотнений и различных клеевых паст.

Весьма частным случаем для водоохлаждаемых камер является растрескивание кварцевой трубы в результате термоудара плазмы. Этот крупный недостаток вооохлаждаемых камер привёл, во-первых, к тому, что камеры такого типа применяются не слишком широко (главным образом для физических исследований ВЧИ-плазмы), а во-вторых, к необходимости частых замен внутренней трубы. Быструю замену кварцевой трубы позволяет осуществить сборно-разборная конструкция (рис. 1.3). Система уплотнений и фланцев позволяет просто осуществить стыковку внутренней и внешней труб.

Рисунок 1.2 - Клееная конструкция ВЧИ-плазмотрона

Сварная конструкция (рис. 1.4) из прозрачного кварца наиболее удобна при размещении её в индукторе. Наибольшую "опасность" с точки зрения появления трещин на кварце представляют газовые пузыри, образующиеся в воде в термической зоне. Система охлаждения, состоящая из трёх коаксиальных труб, обеспечивает высокую скорость охлаждаемой воды и меньшую вероятность образования газовых пузырей. Повышенную надёжность водоохлаждаемые разрядные камеры представляют собой в сочетании с аксиальной или вихревой стабилизацией плазмы в разрядной камере.

Очень интересным в конструктивном отношении является водохлаждаемый ВЧИ-плазмотрон, представленный на рисунке 1.5. С помощью фланцев 5 и уплотнений внутренняя 3 и внешняя 4 кварцевые трубки крепятся друг с другом. Охлаждающая вода подаётся через штуцеры 2 в промежуток между ними. С целью увеличения индуктивной связи индуктора 1 и плазмы индуктор помещён в зазор между внешней и внутренней кварцевой трубками таким образом, что вода, подаваемая через штуцеры, охлаждает одновременно и индуктор, и кварцевую камеру. Индуктор сделан из многочисленных медных проводников, снижающих пагубное влияние скин-эффекта. Штуцеры одновременно служат контактом индуктора и генератора.

Рисунок 1.3 - Сборно-разборная конструкция ВЧИ-плазмотрона

Долговечность при работе с кварцевыми водоохлаждаемыми камерами обеспечивается, если обратить внимание на следующие факторы:

- устранить образование газовых пузырей в воде в термической зоне;

- уменьшить толщину кварцевой камеры до 2 мм;

- применить качественный кварц и особый режим его предварительной термической обработки;

- использовать особые светоотражающие покрытия.[1]

Главным недостатком водоохлаждаемых ВЧИ-плазмотронов является часто непредсказуемое растрескивание кварцевой трубки, происходящее главным образом при изменении режима работы ("зажигание", изменение расхода газа, мощности и т.п.). Поэтому основная конструкция ВЧИ-плазмотрона - это плазмотроны с газовой стабилизацией плазмы.

Сегодня хорошо осмыслены и конструктивно разработаны два основных способа газовой стабилизации ВЧИ-плазмы: аксиальным и вихревым потоком.

Стабилизация вихревым потоком в инженерном отношении - это наиболее простой способ стабилизации. Вихревое движение газа по внутренней поверхности разрядной камеры приводит к резкому разделению тяжёлого холодного газа, протекающего вдоль стенок, и лёгкой горячей плазмы, сконцентрированной вблизи оси (рис. 1.7). Вторичным и неизбежным эффектом вихревой стабилизации является подсос газа через вихревую воронку внутрь плазмотрона (обратный поток). Величину этого обратного потока можно регулировать некоторым количеством прямоструйном газовой подачи, подаваемой в плазмотрон по отдельному газовому каналу.

Для целого ряда плазмотехнологических процессов вихревой способ стабилизации нежелателен, требуется аксиальная стабилизация. Поэтому современные плазмотроны комплектуются, как правило, сменными газоформирователями, позволяющими осуществлять вихревую и аксиальную газовую стабилизацию.[2]

Плазмотрон с аксиальной газовой стабилизацией плазмы (рис. 1.8) представляет собой трубу из прозрачного кварца или другого тугоплавкого огнеупорного диэлектрического материала 10, один конец которой свободен и помещён в индуктор. Другой конец трубы закреплён в специальном держателе, служащем одновременно и газораспределительным устройством. Для термозащиты трубы по её внутренней полости создаётся газовая струя, высокая скорость которой препятствует проникновению термодиффузных потоков от плазмы к стенке, то есть создаётся как бы газовая завеса между стенкой и плазмой.. Для её формирования внутрь внешней кварцевой трубки несколько выше зоны разряда вставляется вторая кварцевая труба 6, зазор между которыми позволяет сформировать термозащитную струю и направить её вдоль внутренней поверхности внешней трубы. Внутренняя трубка делит полный газовый поток на два: термозащитный и плазмообразующий. По ей может подаваться плазмообразующий газ, а в зазор - воздух или другой молекулярный газ.[1]

Рисунок 1.8 - Схема ВЧИ-плазмотрона с аксиальной газовой стабилизацией.

Важное значение при работе с ВЧ-плазмотронами имеет толщина термозащитной струи. Кроме того часто необходимым условием надёжности работы ВЧИ-плазмотрна является кроме термоизоляции разряда ещё и внешний обдув кварцевой трубки 10. Трубка 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 ндуктора. Внешний обдув не только повышает надёжность работы плазмотрона, но и в значительной мере играет роль фактора, стабилизирующего пламя плазмотрона на выходе из трубки.[2] С этой точки зрения представляет интерес конструкция плазмотрона с вихревой стабилизацией, представленная на рисунке 1.9. В этой конструкции поток термозащитного газа, кроме направления вдоль оси трубки 10, имеет ещё и тангенциальную направляющую скорости, которая создаётся при помощи завихрителя 6. Центробежная сила, возникающая при этом, прижимает струю газа к внутренней стенке кварцевой трубки 10, создавая тем самым тонкий слой термозащитного газа. Кожух 7 и два штуцера предназначены для подачи и формирования внешнего обдувающего потока, направленного в основном в зазор между трубкой 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 газа.

Кроме того важным конструктивным элементом ВЧИ-плазмотрона является экран, закрывающий окружающее пространство от светового и электромагнитного излучения плазмотрона. Схемы таких плазмотронов представлены в приложении Б.[1]

В качестве одного из вариантов разрядной камеры ВЧИ-плазмотрона может быть рассмотрена пористая разрядная камера.

Проникновение холодного газа через стенки камеры приводит как к охлаждению стенок, так и к вытеснению плазмы из пристеночной зоны, то есть можно добиться того же эффекта, что и при аксиальной стабилизации разряда.

Усилием ряда исследователей в настоящее время созданы и успешно функционируют плазмотроны с пористой разрядной камерой (рис. 1.10), которые успешно применяются для спектрального анализа.



Рисунок 1.10 - ВЧИ-плазмотрон с пористой разрядной камерой

Основной особенностью ВЧИ-плазмотрона с пористой камерой является то, что течение газа в нём существенно отличается от течения газа в кварцевой трубке или в металлическом разрезном плазмотроне. Если в кварцевой трубке газ движется с глухого торца камеры вдоль её стенок и характер его движения обусловлен конструкцией газоформирователя, то в пористой камере газ поступает в разрядный объём по всей длине камеры распределённо с некоторым усреднённым расходом на единицу поверхности стенки. Величина усреднённого расхода газа зависит от многих факторов, таких как степень пористости стенки, избыточное давление газа с внешней поверхности камеры, физико-химические свойства газа и материала стенок и т.п.

Если в подобном плазмотроне необходимо нагреть большее количество газа, чем усрёднённый 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. Следвательно, КПД ВЧИ-плазмотрона 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 1500ОС и выше);

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

- высокое удельное электрическое сопротивление при нормальной и высокой (до 1500ОС) 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.

Результаты исследований показали, что в качестве материала для разрядных камер с пористой стенкой с учётом изложенных выше требований 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 и толщиной стенки 8-10 мм с расходом газа через стенку 5 г/с.[3] ВЧИ-плазмотроны с металлическими разрезными водоохлаждаемыми камерами. Разрядные камеры с газовой и водяной термозащитой хотя и обеспечивают стабильную работу ВЧИ-плазмотронов, обладают применительно к некоторым технологическим процессам целым рядом существенных недостатков. Эти недостатки выражаются, прежде всего, в несовместимости условий надёжной 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 годах был предложен новый тип разрядной камеры с металлическими разрезными водоохлаждаемыми стенками, в которой может надёжно существовать индукционный высокочастотный разряд мощностью в несколько десятков и сотен киловатт при пониженном и высоком (5-10 атм) давлении в разрядной камере.

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 надёжную и стабильную работу таких устройств с разрядами мощностью в несколько сотен киловатт.

На схеме ВЧИ-плазмотрона с металлической разрезной водоохлаждаемой камерой видно, что наиболее простым и естественным решением является размещение медной водоохлаждаемой трубы, выполненной в виде продольного змеевика (рис. 1.12) внутри кварцевой трубы. Также в таких плазмотронах в дополнение к водяному охлаждению медных труб можно предусмотреть газовую термозащиту и стабилизацию плазмы аксиальным газовым потоком.[4]

2. Высокочастотные емкостные плазмотроны

2.1 Принцип работы ВЧЕ-плазмотрона

Принцип работы ВЧЕ-плазмотрона удобно рассматривать на примере эквивалентной электрической схемы связи источника питания с плазмой (рис. 2.1). высокочастотный индукционный плазмотрон гранулированный

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.

Рисунок 2.1 - Эквивалентная электрическая схема связи источника питания с плазмой в ВЧЕ-плазмотроне

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.

Качественные характеристики ВЧЕ-плазмотронов:

- низкий уровень излучения;

- высокая напряжённость электрического поля;

- малая мощность, необходимая для поддержания разряда.[2]

2.2 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. Классификация ВЧЕ-плазмотронов приведена в приложении В. Основные конструктивные схемы ВЧЕ-плазмотронов приведены в приложении Г.[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. 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.[5]

Базовая конструкция для ВЧЕ-плазмотрона линейной схемы приведена на рисунке 2.2.

ВЧЕ-плазмотрон линейной схемы может быть сделан в виде тора двумя или четырьмя электродами. Такой тип плазмотронов назван линейно-тороидальным. По характеристикам и принципу работы они сходны с плазмотронами линейной схемы.[1]

ВЧЕ-плазмотрон с плоской геометрией электродов

Наиболее простой и известной формой ВЧЕ-разряда является разряд между двумя плоскими электродами. 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.[5]

В плазмотроне с плоской геометрией электродов (рис. 2.4) 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.

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.[1]

ВЧЕ-плазмотроны с коаксиальной геометрией электродов

Существенное продвижение в область высоких значений расходов газа возможно с использованием ВЧЕ-плазмотронов, имеющих коаксиальную геометрию электродов (рис. 2.5). 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).[2]

3. Источники питания высокочастотных плазмотронов

В высокочастотных плазменных установках, как правило, применяются ламповые генераторы с самовозбуждением - автогенераторы.

Автогенератор - это генератор, у которого переменное напряжение на сетку подаётся 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 диапазоне частот от 60 кГц до 80 МГц. В последнее время значительные изменения произошли в конструкциях выпрямителей, а также в системах 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 работал бы вполне устойчиво, отдавал требуемую колебательную мощность при достаточно высоком КПД, а частота генерирующих электромагнитных колебаний находилась бы в заданном диапазоне.[1]

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 её стабильности.

В таблице 3.1 приведены основные типы установок, применяемых для питания ВЧ-плазмотронов.

Таблица 3.1 - Некоторые типы генераторов для получения ВЧ-плазмы

Тип установки	Мощность, кВт	Частота, МГц	Мощность потребления, кВ·А	Занимаемая площадь, м2	Фирма
ВЧИ-10/0,44	10	0,44	18	1,3Ч1,0	ЛОЭЗ ВНИИТВЧ
ВЧИ-60/1,76	60	1,76	90	3,5Ч1,3	ЛОЭЗ ВНИИТВЧ
ВЧИ2-160/1,76	160	1,76	-	-	ЛОЭЗ ВНИИТВЧ
ВЧГЗ-160/0,066	160	0,066	235	10	"Интуктор"
ВЧС2-600/0,44	600	0,44	860	15,2Ч1,2	ЛОЭЗ ВНИИТВЧ
ВЧС2-1000/0,44	1000	0,44	1550	24Ч1,8	ЛОЭЗ ВНИИТВЧ
"Плазма-401" в комплекте с плазмотроном	60	1,76	96	5	ЛОЭЗ ВНИИТВЧ
"Плазма-701"	2,5	27,12	5	2	ТагЗЭТО
R 3/400	30	0,4	58	1,2Ч1,0	"Radyne"
R 5/600	50	0,15-0,3	85	1,2Ч1,0	"Radyne"
R 1000	100	0,15-0,25	185	1,9Ч1,6	"Radyne"
GIV 20025LEV	25	0,6	50	1,0Ч1,1	"Elphiac"
GIV 20100LEV	100	0,26	200	1,1Ч1,8	"Elphiac"
EJH-60	60	0,38-0,48	105	1,0Ч2,0	"Elma"
GH 30	30	0,36	60	1,0Ч2,0	"Elma"
ВЧГ2-4/27	4	27,12	7,5	1,0Ч1,0	ТагЗЭТО
ВЧГ8-60/13	60	13,56	90	2,6Ч1,3	ЛОЭЗ ВНИИТВЧ
Плазмохимические установки	0,5	13,56	1,0	1,34Ч0,2	"International Plazma Electrotech"

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.[6]

Использование промышленных ВЧ-генераторов для питания ВЧИ- и ВЧЕ-плазмотронов путём их непосредственного подключения невозможно, так как параметры эквивалентной схемы плазмотрона (как индукционного, так и емкостного) значительно отличаются от соответствующих параметров индуктивно нагреваемых материалов или диэлектриков и могут быть сопоставимы с внутренним сопротивлением и межэлектродными емкостями генераторной лампы. Поэтому применение промышленных ВЧ-генераторов в плазменных установках с ВЧЕ- и ВЧИ-плазмотронами требует переделки генератора (в основном его колебательной системы). Итак, плазменные ВЧ-установки в основном эксплуатируются на частотах:

- ВЧИ: в диапазоне от 66 кГц до 27,12 МГц;

- ВЧЕ: в диапазоне от 5,28 до 152,5 МГц.

С точки зрения способа подачи напряжения возбуждения диапазон частот можно разделить на два: от 0,66 до 5,28 МГц и от 13,56 до 152,5 МГц. При частотах первого диапазона напряжение возбуждения снимается с какого-либо элемента колебательной системы кондуктивно или индуктивно. При более высоких частотах (второй диапазон) обратная связь осуществляется за счёт междуэлектродных емкостей генераторной лампы. Колебательные системы вплоть до частоты 40 МГц выполняются преимущественно из элементов с сосредоточенными параметрами (двухпроводные или коаксиальные линии).



Размещено на http://www.allbest.ru/

Схемы многих автогенераторов могут быть сведены к эквивалентной схеме, называемой трёхточечной (рис. 3.1). Трёхточечная система состоит из трёх элементов. Одним из элементов может являться межэлектродная ёмкость лампы. Два других представляют более или менее сложные двухполюсники, один из которых реактивный, а второй кроме реактивных элементов включает в себя основное сопротивление нагрузки. В зависимости от того, к какому электроду присоединены оба двухполюсника, различают три вида схем автогенераторов. В схемах с общим катодом и общим анодом двухполюсник, содержащий сопротивление нагрузки, присоединён между катодом и анодом лампы, а в схемах с общей сеткой - между анодом и сеткой. Схемы с общим катодом, как правило, используются в автогенераторах с рабочей частотой до 13 МГц, с общим анодом - в диапазоне частот 13-150 МГц, с общей сеткой - более 150 МГц.

Итак, ламповые генераторы в диапазоне частот от 0,44 до 40 МГц и выше являются на сегодня незаменимыми источниками питания для ВЧ-плазмотронов. Теоретические основы их создания разработаны не только в применении их к электротермическим установкам, но и обусловлены развитием радиопередающих средств. Однако специфические особенности применяемых в плазменных установках ламповых генераторов, обусловленные сильной нагрузкой с сильно меняющимися электрическими параметрами, требуют создания специальных плазменных высокочастотных генераторов в широкой области частот и мощностей с обеспечением их серийного выпуска.[1]

4. Применение высокочастотных плазмотронов

4.1 Общие принципы применения ВЧ-плазмотронов

Многообразие вариантов режимов и конструктивных особенностей ВЧ-плазмотронов позволяет, с одной стороны, сделать практически любой технологический процесс эффективным путём выбора подходящего ВЧ-плазмотрона. С другой стороны, отсутствие универсальности ВЧ-плазмотронов предъявляет достаточно высокие требования к уровню владения этой техникой.

Таблица 4.1 - Стоимость нагрева аргона и воздуха до одинаковой температуры в дуговом и высокочастотном плазмотронах при одинаковой мощности электрического разряда

Характеристика	Воздух, Т до 104К	Аргон, Т до 104К
	ВЧИ-плазмотрон	Дуговой плазмотрон	ВЧИ-плазмотрон	Дуговой плазмотрон
Мощность разряда, кВт	650	650	650	650
Установленная мощность, кВт	1180	1000	1180	1445
Мощность плазменной струи, %	55	65	55	45
Амортизация за 5 лет, $/час	12,5	2,75	12,5	3,3
Эксплуатационные расходы, $/час:
- горелка	0,5	0,5	0,5	0,5
- замена электродов	-	100	-	100
- конденсаторы	3,2	-	3,2	-
- выпрямитель	1,47	1,47	1,47	1,47
- генераторная лампа	9,4	-	9,4	-
Стоимость газа, $/час	-	-	30	30
Стоимость электроэнергии, $/час	7,06	6,0	7,07	8,68
Стоимость простоя, $/час	-	40	-	20
Общая стоимость, $/час	34,14	157,72	64,14	50,95

Существующие методы расчётов 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.

В таблице 4.1 приведён сравнительный анализ стоимости нагрева воздуха и аргона до одинаковой температуры на дуговых и ВЧИ-плазмотронах с учётом капитальных, а также эксплуатационных затрат. Стоимость нагрева аргона в дуговых плазмотронах составила $50,95 в час, в то время как в высокочастотном - $64,14 в час, то есть на 21% выше. Однако стоимость нагрева воздуха в дуговых плазмотронах обходится дороже $150,72 в час, в то время как в ВЧИ-плазмотроне - только $34,14 в час, то есть в 4,6 раза дешевле, чем в дуговых. При нагреве кислорода, хлора и любых других агрессивных газов и паров веществ это соотношение ещё больше меняется в пользу ВЧ-плазмотронов, несмотря на более низкий по сравнению с дуговыми плазмотронами электрический КПД.

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. При одинаковой мощности плазмотронов в зависимости от их типа значительно различается скорость частиц в плазме. В таблице 4.2 приведены данные о скорости частиц в плазме для некоторых типов плазмотронов. Скорость частиц в ВЧ-плазме может быть в десятки раз меньше, чем в дуговой, что и определяет преимущества ВЧИ-плазмотронов, их более высокий тепловой КПД нагрева порошка (см. таблицу 4.3).

В данном случае под тепловым КПД процесса понимают отношение тепловой мощности плазмы, переданной в порошок, к мощности электрического разряда. Следствием этого является высокая производительность ВЧИ-плазмотронов при 100%-й сфероидизации гранулированных порошков.

Таблица 4.2 - Скорость и время пребывания частиц в плазме

Тип плазмотрона	Длина струи, мм	Скорость частиц, м/с	Время пребывания в плазме, мс
Дуговой односекционный	50	100	0,5
Дуговой многосекционный	100	25	4,0
ВЧ индукционный	300	3	100,0

Таблица 4.3 - Тепловой КПД нагрева порошка

Способ сфероидизации	Тепловой КПД нагрева порошка, %
Дуговая плазма, нейтральная проволока	1-1,5
Дуговая плазма, гранулированный порошок	1-5
Дуговая плазма, токоведущая проволока	8-10
Высокочастотная плазма	25-30

ВЧ-плазмотроны можно использовать в тех технологических процессах, которые уже освоены с использованием дуговых плазмотронов, например резка, стружка, переплав, рафинирование металлов. Однако каких-либо преимуществ ВЧ-плазмотронов перед дуговыми в данных процессах обнаружено не было. 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. [1]

4.2 Основные технологические процессы с использованием ВЧ-плазмотронов

Синтез пигментной двуокиси титана

В соответствии с принятой классификацией высокочастотных плазменных процессов и плазмотронов выбирается вариант ВЧ-плазмотрона, в наибольшей степени удовлетворяющего требованиям технологического процесса сжигания паров тетрахлорида титана (TiCl4) в активированном кислороде: ВЧ-плазмотрон атмосферного давления, с использованием ВЧИ-разряда, средней мощности, с диэлектрической цилиндрической разгруженной разрядной камерой без сопла, вихревого типа с дозвуковым истечением низкотемпературной плазменной струи (менее 2000 К) кислорода. Реакция гомогенного типа происходит в плазменной струе, истекающей в реактор, в котором образуется гетерогенный поток, состоящий из хлора, непрореагировавшего кислорода и взвеси пигментной двуокиси титана, направляемый на разделительные фильтры. Интенсификация технологического процесса осуществляется модуляцией параметров ВЧИ-разряда (путём анодной модуляции ВЧ-генератора), приводящая к возникновению акустических полей в зоне взаимодействия реагентов, а также наложением на зону взаимодействия электромагнитных полей, переизлучаемых ВЧ плазменной струёй из зоны индуктора. Перечисленные характеристики ВЧИ-плазмотрона и технологического процесса дают возможность получать пигментную двуокись титана высокого качества при непрерывной работе ВЧ плазменной опытно-промышленной установки в течение нескольких недель при концентрации хлора в отходящем пылегазовом потоке около 70%; хлор-газ направляется на хлорирование титанового сырья, чем и обеспечивается замкнутость технологического процесса. Лабораторная установка с нагревом кислорода в ВЧ индукционном разряде рассчитана на производительность не более 2 кг/час. Длительность работы установки ограничивалась пропускной способностью фильтров и не превышала 1 час. На основании результатов лабораторного исследования была разработана и введена в действие установка производительностью 42-100 кг/час. Длительность её непрерывной работы - 5 суток. Это одна из первых ВЧ плазменных технологических установок, имеющая стаж работы около 22 лет и наработку на ВЧИ-плазмотрон более 70 000 часов. Наряду с проведением опытных работ пигментная опытно-промышленная установка производит систематически выпуск продукции - хлоридной двуокиси титана. В течение нескольких лет работала более мощная ВЧ плазменная установка производительностью до 400 кг TiO2. В настоящее время спроектирована промышленная установка производительностью 700 кг TiO2 в час, то есть 5 тыс. тонн TiO2 в год. Технологически процесс по ряду параметров превосходит экономические и качественные показатели известных в настоящее время аналогичных способов, обеспечивает снижение удельных энергозатрат до 1 кВт·ч/кг при замкнутом технологическом цикле по хлору.

О перспективности использования ВЧИ-плазмотронов мощностью 1000 кВт в технологическом процессе получения пигментной двуокиси титана производительностью 27,6 тонн в сутки сообщили также Дандес и Торп.[7]

Сфероидизация гранулированных порошков. Особенности технологического процесса

При взаимодействии порошковых материалов с плазмой в зависимости от времени пребывания, температуры плазмы и коэффициента теплообмена возможен как незначительный нагрев порошка, так и полное его испарение. Незначительное воздействие плазмы, приводящее лишь к оплавлению частиц и её сквозному прогреву, способствует её формоизменению, а также выкипанию лёгких фракций из объёма частицы и значительному испарению примесей с её поверхности.

Наиболее высокая производительность технологического процесса сфероидизации порошков получена использованием ВЧИ-плазмотронов. Преимущество было достигнуто посредством аксиального ввода обрабатываемого порошка при минимальном расходе транспортирующего газа. В этой модели пылегазовая смесь представляет плазмообразующую среду для ВЧИ-разряда. Степень передачи энергии ВЧИ-разряда в обрабатываемый порошок - 25-30%. Напомним, что в электродуговых плазмотронах удаётся передать в обрабатываемый гранулированный порошок от 1 до 5% мощности плазмы. Поэтому, несмотря на более низкий энергетический КПД ВЧ плазменной установки (60-0%) по сравнению с дуговым плазмотроном (85-90%), на стадии нагрева порошка эта разница с избытком компенсируется и более эффективным является ВЧИ плазменный способ обработки.

В модели расчёта нагрева, оплавления, проплавления и испарения частиц в плазме следует учесть ряд факторов, оказывающих влияние на достижение высокой производительности технологического процесса. К ним относятся:

- режим энергопоглощения и энергопреобразования ВЧ-генератора;

- электро- и газодинамика ВЧИ разряда и разрядной камеры;

- дисперсность и химический состав исходного порошка;

- условия смешения холодного двухфазного потока, в том числе с плазмой ВЧИ-разряда;

- равномерность распределения порошка по сечению камеры;

- межфазный теплообмен;

- термические, химические и термомеханические явления в частицах;

- плавление, испарение и зарядка частиц;

- ионизация пара и плазмообразующей среды;

- скорости и траектории испаряющихся частиц;

- интенсивность парообразования;

- сечение рассеяния испаряющихся в плазме частиц;

- протяжённость термически активной зоны;

- время пребывания частиц в плазме;

- условия закалки и формирования продукта;

- осаждение конденсата на исходных частицах;

- наличие примесей, легирующих добавок и катализаторов;

- способ пассивации активного материала.

Среди перечисленных факторов роль некоторых из них может быть достаточно мала и не приниматься в расчёт. Однако для каждого обрабатываемого материала, уровня мощности ВЧИ-плазмотрона, рода плазмообразующего газа общая модель обработки порошков должна быть достаточно универсальной и корректироваться в зависимости от условий проведения конкретного технологического процесса плазменной обработки порошковых материалов. Мощность, расходуемая на обработку порошковых материалов, складывается из ряда составляющих: нагрева твёрдой частицы до плавления, плавление частицы, нагрев расплавленной частицы до кипения, испарение частицы, нагрев пара, ионизация материала частицы.

Так, мощность для испарения алюминиевого порошка размером частиц от 0,1 до 30 мкм при производительности процесса 1 г/с составляет от 15,1 до 22,2 кВт. При таких требованиях мощность дуговой установки составляет 500-1800 кВт, а мощность ВЧИ-разряда - 100-106 кВт.

Таким образом, при сфероидизации гранулированных порошков выгоднее использовать ВЧИ плазменные установки.[1]

Сфероидизация порошков тугоплавких окислов

При сфероидизации порошков окислов в нейтральной, например аргоновой, плазме нередко нарушается химический состав окисла из-за частичного его восстановления. В том случае, когда такое диспропорционирование нежелательно, сфероидизацию следует проводить в кислородной плазме. Естественно, сто при таком подходе предпочтение должно быть отдано ВЧ плазменному нагреву кислорода или кислородсодержащего газа. Широкие технологические возможности для сфероидизации порошковых материалов открывает применение ВЧЕ- и ВЧИ-разрядов. Малая скорость плазменного потока, большой объём плазмы как в поперечном, так и в продольном её сечении позволяют округлять частицы различных тугоплавких материалов с большой эффективностью. Специфика ВЧИ плазменного разряда даёт возможность вводить обрабатываемый порошок непосредственно в центре струи и использовать энергию ВЧИ-разряда наилучшим образом. В приосевой области ВЧИ-разряда плотность тока равна нулю, поэтому подача порошка в центральную зону не нарушает стабильного горения разряда.

Производительность такой плазменной установки довольно высока (при мощности ВЧИ разряда 6,5 кВт - 1,5-2 кг/час порошка оксида алюминия с размером частиц 63-1000 мкм). Аналогичную производительность на дуговом плазмотроне получают при мощности 100 кВт.

В высокочастотной плазме не только существенно эффективнее процессы сфероидизации, но и обеспечивается возможность округления более крупных частиц. Например, в дуговой плазме удаётся сфероидизировать порошок оксида алюминия с размером частиц до 60-70 мкм, в том время как в ВЧИ плазме размер обрабатываемых частиц может быть увеличен до 600-800 мкм. Переход к обработке крупных фракций оксида алюминия или порошков тех же размеров, но из материала с высокой теплоёмкостью требует увеличения тепловых потоков от плазмы к порошку. Этому в значительной степени способствуют добавки кислорода в плазмообразующий газ. В кислородной плазме ВЧИ-разряда удалось сфероидизировать порошки двуокиси кремния, оксида магния и двуокиси циркония, который невозможно обработать в аргоновой плазме ВЧИ-разряда при той же мощности.[1]

Плазменный процесс получения монооксида кремния SiO

Монооксид кремния находит широкое применение в электронной технике в качестве диэлектрического и изоляционного материала при изготовлении конденсаторов, триодов и ряда других микроплёночных элементов. Обладая хорошими электрофизическими параметрами и устойчивостью в атмосфере воздуха, он выгодно отличается от других диэлектриков низкой температурой испарения в вакууме. Свойствам монооксида кремния посвящено большое число работ. Исследованы условия синтеза монооксида кремния в низкотемпературной плазме при взаимодействии кремния и двуоксида кремния, взятых в стехиометрическом соотношении. В качестве источника низкотемпературной плазмы используется ВЧИ-плазмотрон, питаемый от промышленного ВЧ-генератора.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Расход плазмообразующего аргона выбирают минимальным исходя из условий термостойкости разрядной камеры. Эти условия реализуются при расходе аргона 2,7 м3/час и мощности ВЧИ-разряда 7,1 кВт. Исходную смесь мелкоизмельчённых порошков двуоксида кремния и кремния размером частиц менее 40 мкм подают потоком аргона в ВЧИ-разряде по его оси. Расход транспортирующего газа выбирают минимальным при условии отсутствия зарастания выходного отверстия кварцевой камеры в переделах от 120 до 350 л/час. Продукты реакции осаждаются на стенках водоохлаждаемого реактора и улавливаются тканевым фильтром.[7]

ВЧИ-плазмотроны для спектрального анализа

Одним из самых широких применений ВЧИ-плазмотронов в настоящее время является использование их для спектрального анализа. Безэлектродная чистая плазма поставила ВЧИ-плазмотроны в ряде случаев вне конкуренции по сравнению с дуговыми электродными и искровыми источниками. Сегодня выпуск ВЧИ плазменных установок для спектрального анализа достигает десятков наименований. В аналитической химии установки с ВЧИ-плазмотронами получили весьма удачное название - "установки с индуктивно связанной плазмой" (ИСП или ICP-установки).

...