МИКРОВОЛНОВЫЙ ПЛАЗМАТРОН Российский патент 2000 года по МПК H05H1/00 H05H1/24 H05H1/26 

Изобретение относится к устройствам для генерации микроволновых плазменных факелов и может быть использовано для процессов плазмохимического нанесения пленок и кусковых материалов различного состава, например кремниевых, алмазных, алмазоподобных и т.д.; в качестве горелки для проведения стеклодувных, кварцедувных и сварочных работ; в качестве системы очистки загрязненной воздушной среды, например в производствах для очистки отходящих газов, а также при решении экологических задач, например для определения и контроля состава воздушной среды методом спектрального анализа.

Известен микроволновый плазматрон, включающий магнетрон, волноводный прямоугольный резонатор, внутри которого размещена трубка, заполненная рабочим газом. В трубке возбуждают микроволновый разряд, образующий плазменный факел. Факел формируется внутри пространства трубки и возбуждается при давлении ниже атмосферного. Конструкция содержит вакуумную систему откачки и элементы, обеспечивающие создание разряжения.

Плазматрон может быть использован для нанесения пленок на подложках, размеры которых ограничены диаметром трубки. (См. патент Франции N 2346939, H 05 H 1/18, 1/24, опубл. 28.10.1977 г.)
Недостатком плазматрона является сложность конструкции и узкая область применения.

Известен микроволновый плазматрон, включающий цилиндрическую камеру, заполненную рабочим газом, в которой возбуждают микроволновый разряд. На камеру наложено постоянное магнитное поле, создаваемое специальными токопроводящими катушками и препятствующее потерям микроволновой энергии.

Конструкция плазматрона обеспечивает высокий коэффициент использования микроволновой энергии для образования плазмы, но работает при низких давлениях, т.е. должна быть снабжена вакуумными узлами и системой откачки.

Плазматрон предназначен для нанесения пленок (См. патент США N 5243259, H 05 H 1/8, опубл. 7.09. 1993 г.).

Недостатком этого устройства является его сложность и ограниченная область применения.

Прототипом изобретения является микроволновый плазматрон, включающий прямоугольный волноводный резонатор, микроволновый тракт с коаксиально расположенными внешним и внутренним центральным электродами, систему подачи рабочего газа с системой охлаждения электрода. Рабочий газ подают в межэлектродное пространство, а охлаждение осуществляют через внутреннюю полость центрального электрода. Плазменный факел формируется вне электродного пространства. (См. патент ФРГ N 1249420, H 05 H, опубл. 7.09. 1967 г.)
Конструкция прототипа имеет следующие недостатки.

Часть микроволновой энергии, питающей плазменный факел, рассеивается с излучением в окружающее пространство. Это требует создание мер безопасности при работе или предусматривает дополнительные конструктивные решения, и кроме того, плазмотрон имеет невысокий коэффициент использования микроволновой энергии, т.к. достаточно большое ее количество теряется с излучением.

Техническим результатом изобретения является:
1) повышение коэффициента использования микроволновой энергии, повышение техники безопасности при работе плазмотрона за счет исключения излучения и рассеивания микроволновой энергии в окружающее пространство;
2) удешевление и упрощение конструкции, за счет возможности использования стандартных микроволновых источников энергии, например магнетронов для бытовой техники, имеющих низкую стоимость;
3) упрощение конструкции узлов передачи, концентрации и использования микроволновой энергии для создания плазмы;
4) создание очень широкого спектра потребительских свойств, позволяющих применять плазматрон в различных областях техники.

Технический результат достигается тем, что в микроволновом плазматроне, включающем магнетрон с системой питания, волноводный резонатор, средство вывода микроволновой энергии, коаксиальный тракт транспортировки микроволнового излучения в виде внешнего и внутреннего электродов, систему подачи рабочего газа, согласно изобретению волноводный резонатор выполнен в виде отрезка прямоугольного волновода с отверстием в широкой стенке для ввода микроволнового излучения, генерируемого магнетроном, и с отверстиями для ввода петли связи резонатора с коаксиальным трактом транспортировки микроволнового излучения, коаксиальный тракт состоит из цилиндрических металлических, например медных, электродов - внешнего и внутреннего центрального; центральный электрод выполнен из металлической, например медной, трубки, соединенной с системой подачи рабочего газа и является продолжением петли связи; конечная часть центрального электрода выполнена в виде сопла Лаваля и изолирована от внешнего электрода кварцевой трубкой; внешний электрод снабжен стыкующейся с ним токопроводящей насадкой для формирования факела и защиты от микроволнового излучения; насадка выполнена в виде полого цилиндра с прорезями или отверстиями в боковой поверхности. Изолирующая кварцевая трубка на центральном электроде может выступать на расстояние, обеспечивавшее угол расхождения плазменной струи, но не более, чем на 20-25 град.; боковая поверхность токопроводящей насадки на внешнем электроде может быть выполнена, например, в виде равномерно отстоящих друг от друга металлических, например медных, стержней, помещенных в кварцевые трубки и закрепленных с двух сторон обручами из токопроводящего материала; система подачи рабочего газа снабжена компрессором при использовании воздуха в качестве рабочего газа.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежом, на котором схематически изображен микроволновый плазматрон, содержащий магнетрон 1, волноводный прямоугольный резонатор 2, систему подачи рабочего газа 3, коаксиальный тракт транспортировки микроволнового излучения в виде внешнего 4 и центрального внутреннего 5 электродов, петли связи 6 резонатора 2 с коаксиальным трактом. Конечная часть внутреннего электрода 5 выполнена в виде сопла Лаваля 7, внутренний электрод 5 размещен в кварцевой изолирующей трубке 8. Внешний электрод 4 снабжен стыкующейся с ним токопроводящей насадкой 9, выполненной в виде равномерно отстоящих друг от друга стержней 10, помещенных в кварцевые трубки 11 и закрепленных с двух сторон обручами 12, 13.

Система подачи рабочего газа 3 снабжена компрессором (на рис. не показан).

Сущность изобретения заключается в новом конструктивном выполнении коаксиального тракта передачи и концентрации микроволновой энергии от магнетрона и наличии дополнительных элементов, обеспечивающих использование микроволновой энергии только на образование факела и практически полное исключение ее рассеивания и излучения от факела в окружающее пространство.

В плазматроне применен стандартный магнетрон 1 и система его питания, широко используемые в бытовой технике, например в микроволновых печах. Частота микроволнового излучения 2,45 ГГц, средняя мощность, генерируемая магнетроном P= 600-900 Вт. Однополупериодный выпрямитель переменного напряжения (50 Гц) обеспечивает подачу высоковольтного напряжения на анод магнетрона и генерацию микроволнового излучения в виде последовательности импульсов длительностью 5-10 млс при пиковой мощности до 2 кВт.

Волноводный резонатор 2, представляющий собой отрезок прямоугольного волновода с отверстием в широкой стенке для ввода микроволнового излучения, генерируемого магнетроном 1, и отверстиями для ввода петли связи 6 резонатора 2 с коаксиальным микроволновым трактом, обеспечивает оптимальную связь между магнетроном и коаксиальным микроволновым трактом, а также защиту магнетрона 1 от мощности, отражаемой от конца волноводного тракта до пробоя газа и образования факела.

Вывод микроволнового излучения из резонатора 2 представляет собой петлю 6, выполненную из медной трубки, входящую в резонатор 2 на расстояние, предварительно подбираемое из условия наилучшей связи между резонатором 2 и факелом. Плоскость петли 6 параллельна низкой стенке волновода.

Трубка, из которой выполнена петля, выполняет также функцию центрального (внутреннего) электрода 5 коаксиальной системы транспортировки микроволнового излучения и функцию газопровода, подающего рабочий газ к соплу горелки.

Коаксиальный тракт транспортировки микроволнового излучения состоит из медного внешнего электрода 4, представляющего собой цилиндр, а также внутреннего (центрального) электрода 5 из медной трубки, являющейся продолжением петли связи. Пространство между электродами заполнено стекловатой, обеспечивающей центровку внутреннего электрода и теплоизоляцию между электродами.

Конечная часть центрального электрода в виде сопла 7, выполненного из молибдена, представляет собой классическое расчетное сопло Лавала, создающее сверхзвуковой направленный поток газа на выходе из центрального электрода 5. Конечная часть центрального электрода 5 вместе с соплом 7, помещенная в кварцевую трубку 8, препятствует возникновению дуг между внешним 4 и внутренним 5 электродами.

Токопроводящая насадка 9, формирующая факел, представляет собой стыкующийся с внешним электродом цилиндр, боковая поверхность которого образована, например, 12-ю равномерно отстоящих друг от друга металлических, например медных, стержней 10, помещенных внутрь кварцевых трубок 11, закрепленных с двух сторон обручами 12, 13.

Назначение насадки состоит в
- увеличении эффективности энерговклада микроволн в создаваемый ими факел:
- защите окружающих и персонала от микроволнового излучения;
- обеспечении доступа измерительной аппаратуры в область факела с наибольшей его температурой;
- обеспечении возможности ввода в область наибольших температур термически и плазменно обрабатываемых объектов;
- создании благоприятных газодинамических условий для формирования оторванного от стенок факела.

При наличии насадки расстояние между соплом и выходным отверстием насадки составляет L = λ_к/4, где λ_к - длина волны в реальном (заполненном стекловатой и кварцем) коаксиальном тракте.

Система подачи рабочего газа состоит из баллона с рабочим газом с регулирующим поток газа клапаном, соединенным с центральным трубчатым электродом. При работе с воздухом в качестве рабочего газа используют компрессор.

Плазматрон работает следующим образом.

Через систему подачи газа 3 подают рабочий газ через центральный электрод 5. Включают систему питания магнетрона 1 и на выходе сопла Лаваля 7 получают плазменный факел.

При наличии потока рабочего газа через центральный электрод 5 и при запуске магнетрона 1 у поверхности сопла 7 в области максимума электрического поля отраженной от выходного отверстия насадки 9 (или внешнего электрода 5) волны возникает пробой газа и формирование факела. Факел играет роль продолжения центрального электрода, подводя микроволновое излучение к выходному отверстию внешнего электрода 4 (процесс взаимосвязанного распространения плазмы и микроволнового излучения, известный в литераторе, как разновидность разряда на поверхностной волне или так называемого "серфатронного" разряда). Выходя из отверстия внешнего электрода, факел выводит с собой и микроволновое излучение, которое частично излучается в пространство внутри токопроводящей насадки 9 и частично поглощается в создаваемой им плазме.

При наличии насадки 9 отсутствуют потери излучения во внешнее пространство, что и определяет существенное повышение энерговклада в плазменное образование. Длина факела внутри насадки определяется лишь длиной поглощения микроволнового излучения в создаваемой им же плазме.

Длину факела, температуру электрической компоненты плазмы факела и температуру газа в области факела регулируют, меняя скорость потока газа и/или величину анодного напряжения на магнетроне 1. В качестве рабочего газа для плазмохимического нанесения покрытий используют состав смеси газа, определяемый составом покрытия. Например, для получения алмазных пленок используют смесь аргона, водорода и метана.

Качество пленок при этом соответствует техническим условиям на данные покрытия.

Для сварочных, стеклодувных и кварцедувных работ в качестве плазмообразующего газа используют аргон или азот или воздух. При этом аргон или азот применяют только в тех объектах сварки, которые нельзя подвергать окислению. В остальных же случаях плазмообразующим газом служит воздух.

В проведенных испытаниях продемонстрирована возможность получения факела при работе горелки в атмосферных условиях и при прокачке через центральный электрод аргона, азота и воздуха. Температура в этих газах в области факела превосходит 3000-4000 К.

Таким образом, по сравнению с известными вариантами предлагаемый микроволновый плазматрон обладает следующими преимуществами:
- существенно пониженным уровнем микроволнового излучения во внешнюю среду;
- высоким уровнем достижимой температуры факела;
- возможностью формирования приосевой плазменной струи, оторванной от всех металлических и диэлектрических деталей горелки.

Эти преимущества существенно расширяют области возможных приложений.

Предлагаемый плазматрон может использоваться:
- в качестве системы очистки загрязненной воздушной среды;
- при плазмохимическом нанесении различного рода пленок и получении кусковых материалов;
- в качестве работающей без горючих газов горелки для проведения стеклодувных и кварцедувных работ;
- в качестве работающей без горючих газов горелки для проведения сварочных работ;
- для проведения спектрального анализа воздушной или водяной среды и т. д.

Плазматрон имеет невысокую стоимость, его использование дает высокий экономический эффект.

Изобретение относится к устройствам для генерации микроволновых плазменных факелов и может быть использовано для процессов плазмохимического нанесения пленок и кусковых материалов различного состава (кремниевых, алмазных, алмазоподобных и т.д.), в качестве работающей при атмосферном давлении горелки для проведения стеклодувных, кварцедувных и сварочных работ, в качестве системы очистки загрязненной воздушной среды (в производствах для очистки отходящих газов), а также при решении экологических задач. Микроволновый плазматрон включает магнетрон с системой питания, волноводный резонатор, средство вывода микроволновой энергии, коаксиальный тракт транспортировки микроволнового излучения, систему подачи рабочего газа. При этом резонатор выполнен в виде отрезка прямоугольного волновода с отверстием в широкой стенке для ввода микроволнового излучения, генерируемого магнетроном, и с отверстиями для ввода петли связи резонатора с коаксиальным трактом транспортировки микроволнового излучения, а коаксиальный тракт состоит из металлического, например медного, внешнего электрода в виде цилиндра и внутреннего центрального, выполненного из металлической, например медной, трубки, соединенной с системой подачи рабочего газа и являющейся продолжением петли связи, конечная часть центрального электрода выполнена в виде сопла Лаваля и изолирована от внешнего электрода кварцевой трубкой, внешний электрод снабжен стыкующейся с ним токопроводящей насадкой для формирования факела и защиты от микроволнового излучения, выполненной в виде полого цилиндра с прорезями или отверстиями в боковой поверхности. Техническим результатом изобретения является повышение коэффициента использования микроволновой энергии, повышение техники безопасности при работе плазматрона за счет исключения и рассеивания микроволновой энергии в окружающее пространство, а также удешевление и упрощение конструкции. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Микроволновый плазмотрон, включающий магнетрол с системой питания, волноводный резонатор, средство вывода микроволновой энергии, коаксиальный тракт транспортировки микроволнового излучения в виде внешнего и внутреннего электродов, систему подачи рабочего газа, отличающийся тем, что волноводный резонатор выполнен в виде отрезка прямоугольного волновода с отверстием в широкой стенке для ввода микроволнового излучения, генерируемого магнетроном, и с отверстиями для ввода петли связи резонатора с коаксиальным трактом транспортировки микроволнового излучения, при этом коаксиальный тракт состоит из металлического, например медного, внешнего электрода в виде цилиндра и внутреннего центрального, выполненного из металлической, например медной трубки, соединенной с системой подачи рабочего газа и являющейся продолжением петли связи, конечная часть центрального электрода выполнена в виде сопла Лаваля и изолирована от внешнего электрода кварцевой трубкой, внешний электрод снабжен стыкующейся с ним токопроводящей насадкой для формирования факела и защиты от микроволнового излучения, выполненной в виде полого цилиндра с прорезями или отверстиями в боковой поверхности. 2. Микроволновый плазмотрон по п.1, отличающийся тем, что для усиления изолирующей функции расположенная на центральном электроде кварцевая трубка выступает на расстояние, обеспечивающее угол расхождения плазменной струи не более 20 - 25 град. 3. Микроволновый плазмотрон по п.1, отличающийся тем, что боковая поверхность токопроводящей насадки на внешнем электроде выполнена в виде равномерно отстоящих друг от друга металлических, например медных стержней, помещенных в кварцевые трубки и закрепленных с двух сторон обручами из токопроводящего материала. 4. Микроволновый плазмотрон по п.1, отличающийся тем, что при использовании в качестве рабочего газа воздуха, система подачи рабочего газа снабжена компрессором.