ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ГЕНЕРАТОР ПЛАЗМЫ Российский патент 1995 года по МПК H05H1/46 

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано для получения газовых разрядов с самовозбуждением в газообразных средах сложного химического состава низкого и высокого давления.

Известен генератор плазмы - плазменная горелка с индуктивной связью, предназначенный для получения плазмы с температурой ≈9000 К в целях использования в спектральном анализе. В упомянутом патенте с помощью автогенератора осцилляторного типа (LC-генератора), обеспечивающего синусоидальные колебания высокой частоты ( ≈40МГц), создают в диэлектрической камере индукционный разряд. Существование такого разряда определено узким диапазоном изменения электро- и газодинамических характеристик системы. Для возбуждения самостоятельного разряда предусмотрены система возбуждения и средства регулировки, что усложняет конструкцию в целом и снижает ресурс работы генератора плазмы [1].

Ближайшим из известных является высокочастотный генератор плазмы для получения одноэлектродного (факельного) разряда, описанного в работе [2]. Данный генератор построен по схеме с общим катодом и автотрансформаторной обратной связью. Эта схема характеризуется тем, что катод генераторной лампы соединен с корпусом (заземлен), постоянное смещение на управляющую сетку создается посредством постоянного резистора, а обратная связь с сеткой осуществляется через последовательную CD-цепь, у которой один конец сеточной индуктивности заземлен совместно с одним краем анодной индуктивности. Связь электрода с другим краем анодной индуктивности осуществляется посредством согласующей индуктивности. Этот же край анодной индуктивности связан с анодом генераторной лампы через разделительную емкость. В этой схеме возбуждение одноэлектродного разряда осуществляется принудительным образом. В частности, с помощью диэлектрического или металлического стержня, замыкаемого на электрод в момент формирования разряда. Самостоятельный разряд горит в открытой атмосфере. Мощность воздушного разряда составляет (20-45) Вт. Изменение мощности осуществляется через управление потенциалом защитной сетки лампы.

Предлагаемый высокочастотный генератор плазмы, как и известный, содержит плазмообразующий электрод, подключенный к генераторной лампе и высоковольтному источнику постоянного тока. Высоковольтный источник соединен через дроссель с анодом генераторной лампы, а через последовательно соединенные дроссель, емкость и согласующую индуктивность с электродом. При этом сетка генераторной лампы соединена с заземленным катодом лампы посредством RC-цепи, включающую параллельно соединенные сопротивление и емкость.

В отличие от известного, в предлагаемом генераторе плазмы электрод электроизолирован от RC-цепи, катода и сетки лампы, причем сопротивление и емкость RC-цепи выполнены регулируемыми по величине. Эта RC-цепь содержит по меньшей мере два параллельно соединенных сопротивления, подключенных через переключатель к регулируемому сопротивлению. В предлагаемой схеме генераторная лампа выполнена в виде триода с выходной емкостью не более 7 пф, а величина согласующей индуктивности выбрана в диапазоне от 2 до 4 мкГн. Для получения многообразия режимов генерации разряда величины регулируемых сопротивлений и емкостей выбраны в диапазоне от 1,5 кОм до 10 МОм и от 100 пФ до 4 мкФ соответственно.

На чертеже приведена эквивалентная схема предлагаемого генератора плазмы.

Схема содержит генераторный триод VLI, катод 1, которого присоединен непосредственно к корпусу (земле). С источником постоянного тока (на схеме не указан) анод 2 соединен через дроссель L _др3. Дроссель 3 и емкость 4 являются фильтром для высокочастотной составляющей анодного напряжения. Разделение постоянного и переменного тока в анодных и сеточных цепях обеспечивается дросселем L_др 3, разделительными конденсаторами C_p 5, C₁ 6, блоком конденсаторов 7 и переменным резистором R₁ 8. Одноэлектродный разряд 9 через электрод 10, согласующую индуктивность L₁11 и через разделительную емкость C_p 5 соединен с анодом 2.

Блок конденсаторов 7 собран из параллельно подключенных емкостей C₂, C₃...C_n-1, C_n с произвольным номиналом в диапазоне 50 пФ до 4 мкФ, один вывод которых соединен с корпусом, а другой через переключатель 12 - с сеткой лампы 13, с выводом переменной емкости C₁ 6 и с одним из выводов резистора R₁ 8. Другой вывод резистора R₁ 8 соединен через переключатель 14 с блоком параллельно подключенных постоянных резисторов 15 - R₂, R₃...R_n-1,R_n, один вывод которых подключен к клеммам переключателя, а другой - к корпусу. Блок сопротивлений 15 состоит из постоянных сопротивлений в диапазоне от 1,5 кОм до 10 МОм. Изменения сопротивления R₁ 8 осуществляется в диапазоне (0,2--47) кОм. Изменения емкости C₁ 6 осуществляется в диапазоне 50-2000 пФ. Второй вывод емкости C₁ 6 соединен с корпусом. Свободный конец электрода 10 заострен с радиусом закругления (0,5-0,1) мм.

Генератор плазмы работает следующим образом. Подается напряжение на накал лампы VLI (на схеме не указан). Осуществляется прогрев лампы VLI в течение (0,5-1) мин. Затем подается постоянное анодное напряжение U_а в диапазоне (1800-3500) В через дроссель 3 на анод 2 лампы. За счет автосмещения, создаваемое переменным резистором и каким либо сопротивлением R_n блока сопротивлений 15 (в зависимости от положения переключателя 14) и за счет нелинейного активного элемента - генераторной лампы VLI, преобразующее постоянное напряжение в переменное, в генераторе возникают установившиеся автоколебания, приводящие к самовозбуждению одноэлектродного разряда 9 со стержневого электрода 10. Изменением сопротивления в цепи сетки с помощью переменного сопротивления R₁ 8 или дискретным изменением с помощью переключателя 14, а также плавным изменением емкости C₁ 6 или дискретным изменением с помощью переключателя 12 устанавливается постоянная времени параллельной RC-цепи (r≈RC), которая управляет амплитудно-частотными характеристиками лампы. Рабочий режим генератора плазмы существенно отличается от известных LC-генераторов, создающих синусоидальные колебания постоянной амплитуды. Предлагаемый генератор осуществляет непрерывную работу в режиме самомодуляции, когда на синусоидальные несущие колебания с частотой (20-40) МГц накладываются импульсы напряжения с длительностью (2-50) мкс и частотой повторения от 0,2 до 10⁵ Гц. Причем в промежутке между импульсами амплитуда несущей не равна нулю, а составляет (0,02-0,03) от максимальной амплитуды в импульсе. Поэтому термин "Самомодуляция" введен с учетом специфических особенностей функционирования генератора плазмы, у которого отсутствует специально созданный модулятор, необходимый для создания модулированных колебаний. Специфика работы характеризуется тем, что именно в диапазоне предложенных параметров схемы возникает самопроизвольно (без внешнего воздействия) и непрерывно существует модуляция высокочастотных колебаний, приводящая к самовозбуждению при низком анодном напряжении (для самовозбуждения разряда в LC-генераторах требуется напряжения не менее 8 кВ) одноэлектродного разряда и устойчивому его горению. Широкий диапазон управления обеспечивает получение разряда в разнообразных формах (одноканальной, многошнуровой, диффузной, ветвеобразной и т. д) и разной мощности (в диапазоне 1-40 Вт). Разряд возбуждается с одного или нескольких острийных электродов. Повышенная устойчивость разряда обеспечивает возможность его генерации в топочных газах, пламенах, в парогазовых смесях и т. д. Наблюдается поверхностное распространение разряда по диэлектрическим материалам, самосжатие при замыкании второго конца разряда на металл. На некоторых режимах разряд существует в диэлектрических капиллярах с внутренним диаметром 20 мкм и более, при этом длина разряда составляет от 1 до 4 см.

Специфика новых режимов генерации разряда заключается еще в том, что всегда возникает плазма с крайне низкой температурой (500-1500) К. При такой температуре наблюдается слабая эрозия материала электрода или полностью отсутствует. В последнем случае ресурс работы генератора плазмы определяется ресурсом работы генераторной лампы.

Использование: для получения плазмы в газовых средах низкого и высокого давления. Сущность изобретения: генератор плазмы содержит генераторную лампу, например триод с выходной емкостью, не превышающей 7 пФ, анод которой через согласующую индуктивность величиной 2 4 мкГн и емкость соединен с электродом разряда, а сетка лампы через RC-цепь соединена с заземленным катодом. Анод лампы параллельно соединен с высоковольтным источником постоянного тока. Емкость и сопротивление RC-цепи выполнены регулируемыми по величине в диапазонах от 100 пФ до 4 мкФ и от 1,5 МОм до МОм соответственно. 1 ил.

1. ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ГЕНЕРАТОР ПЛАЗМЫ, содержащий плазмообразующий электрод, подключенный к генераторной лампе и высоковольтному источнику постоянного тока, который соединен через дроссель с анодом генераторной лампы, а через последовательно соединенные дроссель, емкость и согласующую индуктивность - с электродом, при этом сетка генераторной лампы соединена с заземленным катодом через RC-цепь, включающую параллельно соединенные сопротивление и емкость, отличающийся тем, что электрод электроизолирован от RC-цепи, катода и сетки лампы. 2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что генераторная лампа выполнена в виде триода с выходной емкостью не более 7n Ф, а величина согласующей индуктивности выбрана в диапазоне 2 - 4 мкГ. 3. Генератор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что сопротивление и емкость RC-цепи выполнены регулируемыми по величине, а величины сопротивления и емкости выбраны в диапазонах 1,5 кОм - 10 МОм и 100 nФ - 4 мкФ соответственно.