СВЧ-ПЛАЗМОТРОН Российский патент 2008 года по МПК H05H1/24 

Изобретение относится к плазменной технике, в частности к средствам генерирования плазмы с использованием микроволновых полей, и может быть использовано для поджига пылевых видов топлив и водоугольных суспензий, плазменной резки и плавки металлов и др. технологических применений.

Известно устройство для получения плазмы (патент RU №2171554, МПК Н05Н 1/24, 2002 г.), содержащее магнетрон, резонатор с примыкающей к нему разрядной камерой и электрод, представляющий собой трубку из токопроводящего материала, пропущенную через разрядную камеру резонатора. Один конец электрода подсоединен к источнику плазмообразующего газа, а другой установлен в разрядной камере в области пучности установившейся в камере стоячей волны и снабжен соплом или кварцевым трубчатым наконечником, выходящими из камеры. При включении магнетрона и подаче плазмообразующего газа в электрод на конце последнего возникает плазменный разряд, частично выдуваемый из камеры плазмообразующим газом.

Недостатком известного плазменного генератора является его низкая надежность, обусловленная тем, что электрод, находящийся под воздействием высокой температуры и светового излучения плазмы, довольно быстро разрушается.

Большей надежностью обладает плазменный генератор, описанный в «JEEE transactions on plasma science, Vol.33, No.2, April, 2005, p.776-781 (Журнал инженеров-электриков, серия «Новости науки о плазме», т.33, №2, апрель 2005 г., стр.776-781)», содержащий магнетрон и цилиндрический резонатор с отверстиями в торцевых стенках, в одно из которых вставлена антенна магнетрона, а другое снабжено соплом и служит в качестве выводного отверстия для плазмы. Полость резонатора посредством газонепроницаемой перегородки из диэлектрического материала разделена на две камеры, одна из которых - вводная заполнена газом под давлением и вмещает антенну магнетрона, а другая - выводная подсоединена к системе подачи плазмообразующего газа.

Для обеспечения электрической прочности резонатора перед началом эксплуатации плазмотрона в его вводную камеру закачивается газ под избыточным давлением. После включения магнетрона в резонаторе возбуждаются СВЧ колебания Е011 типа, характеризующиеся наличием двух пучностей напряженности: одна - вблизи вводного (антенного), другая - у выводного отверстий, при этом перегородка в силу своей электрической «прозрачности» не влияет на условия установления резонанса. В течение приблизительно одной микросекунды после включения магнетрона напряженность СВЧ-поля в области выводного отверстия достигает пробойного значения, и происходит безэлектродный СВЧ-разряд. В области антенного ввода разряд при этом не возникает, что обусловлено более высокой электрической прочностью вводной камеры, заполненной находящимся под давлением газом. Плазма разряда, поглощая СВЧ-энергию, расширяется в свободно парящий плазменный сгусток. Для подпитки разряда и вывода плазмы из камеры, тангенциально к ее образующей, подают плазмообразующий газ, который при входе в выводную камеру закручивается с образованием вихря, смещающегося под воздействием аксиального напорного импульса в направлении выводного отверстия. Вследствие действия центробежных сил, газовый слой вихревого потока оттесняется, преимущественно, к стенкам резонатора и сопла, препятствуя их контакту с плазмой, а плазменный сгусток через выводное отверстие частично выдувается наружу с образованием факела. Как результат, улучшаются условия охлаждения стенок резонатора и сопла, что, в конечном счете, приводит к повышению надежности устройства.

Вместе с тем, разряжение, возникающее в центральной области выводной камеры из-за вихревого характера движения газа, приводит к частичному затягиванию плазмы свободно парящего плазменного сгустка в поток плазмообразующего газа, что обусловливает неустойчивость и частичный распад разряда, нагрев пристеночного охлаждающего газового слоя и, в конечном счете, снижение к.п.д. и надежности устройства.

Кроме того, недостаточно эффективное охлаждение диэлектрической перегородки резонатора, находящейся под воздействием интенсивного теплового и светового излучений плазмы, также снижает надежность устройства.

Задачей изобретения является создание плазмотрона с улучшенными физико-техническими и эксплуатационными характеристиками.

Технические результаты изобретения - повышение устойчивости СВЧ-разряда, оптимизация и стабилизация формы плазменного факела, повышение к.п.д. и надежности плазмотрона.

Результаты изобретения достигаются за счет того, что в плазмотроне, содержащем магнетрон и цилиндрический резонатор, разделенный посредством газонепроницаемой перегородки из диэлектрического материала на вводную, с установленной в ней антенной магнетрона, и выводную, снабженную выводным отверстием с соплом и подсоединенную к системе подачи плазмообразующего газа, камеры, в выводной камере установлена вторая перегородка из диэлектрического материала с отверстием в ее центре, а полость между перегородками подсоединена к системе подачи плазмообразующего газа.

На чертеже приведено схематическое изображение плазмотрона.

Плазмотрон содержит магнетрон 1 с антенной 2, резонатор 3 с выводным отверстием 4 и соплом 5, перегородку 6, вводную 7 и выводную 8 камеры, перегородку 9 с отверстием 10, средства подачи плазмообразующего газа 11, средства закачки электроизолирующего газа 12.

Работа устройства заключается в следующем.

Перед началом эксплуатации плазмотрона в камеру 7 закачивается электроизолирующий газ под избыточным давлением. После включения магнетрона 1 в резонаторе возбуждаются СВЧ-колебания Е011 типа, характеризующиеся наличием двух пучностей напряженности: одна - вблизи антенного ввода 2, другая - у выводного отверстия 4, при этом перегородки 6 и 9 в силу своей электрической «прозрачности» не влияют на условия установления резонанса. В течение приблизительно одной микросекунды после включения магнетрона напряженность СВЧ-поля в области выводного отверстия достигает пробойного значения, и происходит безэлектродный СВЧ-разряд. В области антенного ввода разряд при этом не возникает, что обусловлено более высокой электрической прочностью вводной камеры 7, заполненной находящимся под высоким давлением газом. Плазма разряда, поглощая СВЧ-энергию, расширяется в свободно парящий плазменный сгусток. Для подпитки разряда и вывода плазмы из камеры 8, в последнюю, тангенциально к ее образующей, подают плазмообразующий газ, который при входе в нее закручивается с образованием вихря, смещающегося под воздействием аксиального напорного импульса в направлении выводного отверстия 4. Вследствие действия центробежных сил газовый слой вихревого потока оттесняется, преимущественно, к стенкам резонатора 3 и сопла 5, препятствуя их контакту с плазмой и обеспечивая таким образом эффективное охлаждение стенок резонатора и сопла. Плазменный сгусток при этом через выводное отверстие 4 частично выдувается из камеры 8 с образованием факела. Одновременно в полость между перегородками 6 и 9 подается плазмообразующий газ, который обтекает перегородки 6, 9, обеспечивая их эффективное охлаждение, и через отверстие 10 поступает в камеру 8 ламинарным осевым потоком. Указанный поток плазмообразующего газа компенсирует разряжение в приосевой области камеры 8, обусловленное вихревым характером движения основного потока, препятствуя тем самым затягиванию плазмы из свободно парящего плазменного сгустка в основной поток плазмообразующего газа. Как следствие, повышается стабильность СВЧ-разряда, исключаются частичный распад плазменного сгустка и нагрев пристеночного газового слоя основного потока, повышается эффективность охлаждения стенок резонатора и сопла и, соответственно, надежность устройства, увеличивается к.п.д. плазмотрона.

Кроме того, экранирование излучения плазмы перегородкой 9, эффективно охлаждаемой с двух сторон основным и дополнительным потоками плазмообразующего газа, обеспечивая защиту перегородки 6, дополнительно повышает надежность устройства.

Изобретение относится к плазменной технике, в частности к устройствам генерирования плазмы с использованием микроволновых полей, и может быть использовано для поджига пылевых видов топлив и водоугольных суспензий, плазменной резки и плавки металлов и др. технологических применений. Плазмотрон содержит магнетрон и цилиндрический резонатор с отверстиями в его торцевых стенках, в одно из которых вставлена антенна магнетрона, а второе снабжено соплом и является выводным для плазменного факела. В средней части полости резонатора установлены две перегородки, изготовленные из диэлектрического материала, причем одна из них - газонепроницаемая, а в центре другой выполнено отверстие. В полость между торцевой стенкой резонатора и газонепроницаемой перегородкой введена антенна магнетрона, а сама полость заполнена электроизолирующим газом высокого давления. Две другие полости подсоединены к системе подачи плазмообразующего газа, причем в полость между второй торцевой стенкой резонатора и перегородкой с отверстием плазмообразующий газ подается тангенциально к образующей окружности резонатора. За счет установки в разрядной камере резонатора дополнительной перегородки с центральным отверстием, обеспечивающей возможность подачи плазмообразующего газа двумя независимыми потоками, повышаются стабильность и устойчивость плазменного факела, надежность и к.п.д. плазмотрона. 1 ил.

СВЧ-плазмотрон, содержащий магнетрон и цилиндрический резонатор, разделенный посредством газонепроницаемой перегородки из диэлектрического материала на вводную, с установленной в ней антенной магнетрона, и выводную, снабженную отверстием с соплом и подсоединенную к системе подачи плазмообразующего газа, камеры, отличающийся тем, что в выводной камере установлена вторая перегородка из диэлектрического материала с отверстием в ее центре, а полость между перегородками подсоединена к системе подачи плазмообразующего газа.