§9 Плазмотроны

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.

ВЧИ - плазмотроны

Принцип работы ВЧИ-плазмотрона

В

1 – индуктор; 2 – ВЧИ-плазма; 3 – кварцевая трубка.

Рисунок 1.1 – Схема индукционного нагревания плазмы

ысокочастотный 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.

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.

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.

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 с тыковку внутренней и внешней труб.

С

11 – индуктор; 2,3 – внутренняя и внешняя кварцевые трубки; 4 – прокладки, уплотнители; 5 – газоформирователь

Рисунок 1.3 – Сборно-разборная конструкция ВЧИ-плазмотрона

варная 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 к онтактом индуктора и генератора.

11 – индуктор; 2,3 – внутренняя и внешняя кварцевые трубки; 4 – прокладки, уплотнители; 5 – газоформирователь

Рисунок 1.4 – Сварная 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-индуктор; 2-контакт с генератором и штуцер для подвода воды; 3,4 – внутренняя и внешняя кварцевые трубки; 5-фланец.

Рисунок 1.5 – Схема (а) и фотография (б) конструкции водоохлаждаемого плазмотрона мощностью 1000кВт

Конструкции ВЧИ-плазмотронов с газовой термозащитой стенок разрядной камеры

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.

С егодня хорошо осмыслены и конструктивно разработаны два основных способа газовой стабилизации ВЧИ-плазмы: аксиальным и вихревым потоком (рис. 1.6).

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

Рисунок 1.6 – Схема газовой стабилизации плазмы в ВЧИ-плазмотроне аксиальным пристеночным (а) и вихревым (б) потоками

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.

Рисунок 1.7 – Фотография ВЧИ-плазмы, стабилизированной вихревым потоком.

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.

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 м

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 трубка.

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

олекулярный газ.

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. 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.