2.Теоретичні відомості

2.1 Плазмотрон

Плазмотрон - пристрій для створення щільної (з тиском порядку атмосферного) низькотемпературної плазми , за допомогою електричних розрядів в газах, що дає плазмовий потік, використовуваний для дослідницьких і наукових цілей. Плазму газових розрядів отримують давно, вже більше 100 років, проте розробки спеціальних пристроїв почалися в 10-х рр. 20 ст., а сам термін "Плазмотрон" виник приблизно в 50-х рр., тоді ж почалося широке практичне використання плазмотрона.

Принцип роботи плазмотрона полягає в наступному. Холодний газ безперервним потоком продувають через область, де горить стаціонарний розряд; газ нагрівається, ионизуется, перетворюється на плазму, яка витікає з області розряду у вигляді плазмового струменя найчастіше прямо в атмосферу (тоді і тиск в плазмі атмосферний). На практиці зазвичай застосовуються плазмотроны, працюючі на дуговому розряді, Пеннинга розряді, ВЧ- і СВЧ-разрядах.

Імпульсні джерела плазми, працюючі, наприклад, на іскровому розряді, до плазмотронам не відносяться. Окрім іонізації газу в електричному розряді значно рідше використовується іонізація газу електронним пучком. Принципово можна нагрівати і іонізувати газ потужним лазерним випромінюванням для створення оптичного плазмотрона.

Для наукових досліджень і технологічних цілей використовують плазмотроны, працюючі на різних газах(повітря, аргон, азот, водень та ін.), а також на газах з присадками пари або крапель твердих речовин(напр., для плазмового нанесення покриттів). Потужність плазмотрона різна: від десятків Вт до десятків МВт, тиск газу - від доль мм рт. ст. до десятків і сотень атмосфер.

2.1.1 ДУГОВИЙ ПЛАЗМОТРОН

Може працювати на постійному або змінному струмі. Широко використовуваний дуговий плазмотрон постійного струму складається з розрядної камори, в якій розташовані електроди уподовж по осі або коаксіально, і вузла подання плазмообразуючої речовини. Плазма може витікати з розрядної камери плазмотрона у вигляді струменя або створювати плазмову дугу. У другому випадку розряд горить між катодом і оброблюваним тілом, що служить анодом.

У плазмотроні, зображеному на рис. 1, електроди, виконані у вигляді відрізків труб круглого перерізу, розташовані уздовж осі; навколо них встановлюються обмотки соленоїдів, що створюють магнітне поле, перпендикулярне площині електродів. В результаті взаємодії струму дуги з магнітним полем місце прив'язки дуги до електродної стінки переміщається по колу, що оберігає електроди від перегрівання і розплавлення, а також стабілізує положення місця прив'язки в осьовому напрямі(магнітна стабілізація і теплоізоляція).

Рисунок 1.

Рис. 1. Схема дугового плазмотрона постійного струму.

1 - електроди; 2 - міжелектродна вставка; 3 - соленоїди; 4 - зона електричної дуги; 5 - подання робочого тіла; 6 - витікання плазми.

Газ, що утворює плазму, часто вводиться у внутрішній канал міжелектродної вставки (іноді із закручуванням); газовий вихор обдуває стовп дуги і плазмовий струмінь; під дією відцентрових сил шар холодного газу розташовується у стінок камери, оберігаючи їх від нагрівання дугою(газодинамічна стабілізація і теплоізоляція). Якщо сильне стискування потоку плазми не потрібно,

тоді стабілізуючий потік не закручують, а направляють паралельно стовпу дуги. Застосовують також стабілізацію і термоізоляцію дуги потоком води.

У тих випадках, коли необхідно ввести в дугу матеріал ерозії електроду(наприклад, для плазмового нанесення захисного покриття), один з електродів плазмотрона встановлюється в торці камери. При цьому передбачається його осьове подання у міру вигорання. Найбільша потужність отримана в плазмотроне з коаксіальними електродами. У них струм дуги протікає в радіальному напрямі по відносно малому(по поперечному перерізу) струмовому каналу. Дуга рухається по колу електродів під впливом взаємодії струму із створюваним соленоїдами магнітним полем. Цьому полю надається такої форми, щоб стабілізувати положення дуги в осьовому напрямі.

Дуговий плазмотрон трифазного змінного струму є фактично три плазмотрона, подібних плазмотронам на рис. 1, у яких дуги від різних електродів сполучені за схемою "зірка". У ряді випадків для забезпечення стійкої роботи такого плазмотрона(відсутність згасання дуги при проходженні струму через нуль на к-л. електроді) застосовуються постійно діючі системи СВЧ- або іскрового піджига. Потужності дугових плазмотронів 10 ² — 10 ⁷ Вт, швидкість витікання струменя 1—10 ⁴ м/сек, промисловий ккд 50 - 90%. Для створення нерівноважної плазми низького тиску(долі мм рт. ст.), що служить джерелом заряджених часток, найчастіше використовується плазмотрон з розрядом Пеннинга, при якому електрони коливаються в осьовому напрямі, що сприяє ефекту іонізації.

2.1.2 БЕЗЕЛЕКТРОДНІ ПЛАЗМОТРОНИ

Енергія електромагнітного поля (низької частоти) може бути введена в плазму розряду індукційно без електродним способом. На цьому принципі розробляються трансформаторні плазмотрони. Найбільше поширення отримали індукційні ВЧ- і СВЧ- плазмотроны., у яких робочий плазмообразующий газ нагрівається вихровими струмами (частоти 10 ⁴ - 10 ⁷  Гц). ВЧ-П. (рис. 2) містить електромагнітну котушку, індуктор, розрядну камеру, вузол введення плазмообразующего речовини. Т. до. ВЧ-индукционный плазмотрон являється без електродним, то ці плазмотрони використовують, якщо до плазмового струменя пред'являються високі вимоги по чистоті, наприклад, для отримання тонко дисперсних і особливо чистих порошкових матеріалів. Потужність такого плазмотрона досягає 106 Вт, температуpa ~10 ⁴ До, швидкість витікання плазмового струменя до 10 ³ м/с, промисловий ккд ~50 - 80%.

Рисунок 2

Рисунок 2. Схеми ВЧ-плазмотронов

а -индукционный; би -сверхвысокочастотный; 1 - джерело електроживлення; 2 - розряд; 3 - плазмовий струмінь; 4 - індуктор; 5 - розрядна камера; 6 - хвилевід.

Плазмотроны з іонізацією газу електронним пучком не отримали широкого поширення у зв'язку з великою складністю необхідного устаткування. Установка з таким плазмотронами містить складні системи перетворення первинної постійної напруги живлення у високе, вакуумні системи, електронну гармату, систему введення пучка в зону підвищеного тиску, камеру нагріву і іонізації газу, а також системи управління, захисту і комутації.

Але незважаючи на складність, плазмотроны з електронним пучком використовуються для деяких спеціальних цілей у зв'язку з наявністю у них ряду принципових переваг в порівнянні з плазмотронами з електричним розрядом: можливість генерації нерівноважної ("холодною") плазми з найменшою енергетичною "ціною" іона, відсутність забруднень плазми матеріалами ерозії електродів, можливість застосування різних робочих тіл і отримання високих температур з помірними тепловими навантаженнями на стінки та ін.

2.1.3 ОПТИЧНИЙ ПЛАЗМОТРОН

Можливість безперервної підтримки розряду і генерації щільної низькотемпературної плазми випромінюванням лазера безперервної дії на , т. е. можливість створення оптичного плазмотрона, була теоретично обгрунтована Ю. П. Райзером в 1970. Якщо продувати газ через того, що горить у фокусі променя оптичний розряд, то можна отримати безперервний плазмовий струмінь, як і в плазмотронах інших розрядів.

Поки є лише експериментальні результати, наприклад, був отриманий безперервний оптичний розряд в струмені аргону атм. тиски, що витікає через сопло (рис. 3). Лазерний промінь потужністю ~1 кВт фокусувався в області сопла згідно з напрямом потоку, і з сопла витікала плазмова "голка" радіусом ~1 мм, завдовжки ~3 см і з температурою ~15000 К.

Рисунок 3

Рисунок 3. Принципова схема оптичного плазмотрона

1 - лазерний промінь; 2 - лінза; 3 - сопло; 4 - потік газу; 5 - плазмовий струмінь.

Оптичний плазмотрон має ряд переваг перед плазмотронами інших типів : він не вимагає к-л. конструктивних елементів для підведення електромагнітної енергії до плазми(електродів, індукторів, хвилеводів); велика можливість вибору місця розряду, наближення до певних точок, що обробляються плазмовим струменем. Для практичного здійснення оптичного плазмотрона необхідно створити потужний лазер безперервної дії і краще не у видимому, а в ИК-диапазоне, т. до. коефіцієнт поглинання в плазмі досить швидко зменшується з частотою.

2.1.4 ПРИМИНЕНИЕ ПЛАЗМОТРОНА

Плазмотроны широко використовуються в плазмохимии і плазмовій металургії. У нагрітих до високих температур ионизованных газах можуть інтенсивно протікати хімічні реакції, що не відбуваються або дуже повільно протікають в інших умовах. Це вже практично покористується для цілого ряду виробництв. За допомогою плазмотрона здійснюються спеціальні технологічні процеси, такі як плазмове нанесення покриттів, плазмове різання, зварювання та ін.

Плазмотрон є генератором плазми для деяких наукових досліджень і модельних теплових випробувань МГД-генсраторов, досліджень теплообміну і випробувань засобів теплозахисту для умов входу космічних апаратів в атмосферу і інших плазмотронов служить для створення плазмових джерел світла, в т. ч. еталонних джерел високотемпературного випромінювання. За допомогою плазмотронов досліджуються властивості низькотемпературної плазми, створюється нерівноважна плазма низького тиску для електрофізичних приладів і пристроїв; зокрема, плазмотрон є джерелом заряджених часток для прискорювачів.