КАТОДНЫЙ УЗЕЛ ПЛАЗМОТРОНА Российский патент 2008 года по МПК H01J17/06 

Изобретение относится к электродуговым нагревателям газа и может быть использовано в плазменных установках.

Известные плазменные установки работают при токах от 10 до 10⁵ А, их мощности составляют от десятков до мегаватт. Одной из важнейших характеристик, определяющих дальнейшее развитие промышленной плазменной техники, является ресурс работы катода плазматрона.

Наиболее часто в плазматронах используются катоды следующих конструкций: сплошные и составные.

Сплошные катоды изготавливаются из цельного куска тугоплавкого материала (уголь, вольфрам и др.) в виде цилиндрических или фасонных стержней с конусной или полусферической формой рабочего конца. В отличие от сплошных составные катоды представляют собой медный охлаждаемый держатель с впаянным или запрессованным эмитирующим элементом - катодной вставкой в виде стержня.

Материал катодной вставки выбирается, главным образом в зависимости от химической активности нагреваемого газа по отношению к материалу вставки и диапазона рабочего тока. При токах до 400 А в активной среде (воздух, кислород и др.) в качестве материала катодной вставки используется цирконий или гафний. Ресурс работы такого составного катода при токах примерно 400 А не превышает 5-6 часов, что является существенным недостатком термохимических катодов. В защитном газе (аргон, гелий, азот и др.) катодная вставка выполняется из вольфрама, обычно активированного двуокисью тория или лантана. Такой катод при условии оптимальной стабилизации дуги в прикатодной зоне устойчиво работает при токах до 1000 А, его удельная эрозия составляет 10^-13-10^-11 кг/Кл. Это позволяет создавать плазматроны с ресурсом непрерывной работы не менее 100 часов. [Плазматроны со стабилизированными электрическими дугами. Даутов Г.Ю., Дэюба В.Л., Карп И.Н. - Киев: Наукова думка, 1982, 168 с. Электродуговые плазматроны (рекламный проспект). / Под ред. М.Ф.Жукова. - Новосибирск, 1980. - 33 с.].

Однако применение плазменной техники в промышленном масштабе требует повышения ресурса катодов минимум на порядок. Особенно остро стоит проблема повышения ресурса катодов при токах более 1000 А, когда сильное контрагирование прикатодной зоны дуги и высокая температура активной поверхности катода вызывают интенсивную эрозию катода. При этом традиционные способы охлаждения катодов оказываются не эффективными. Эрозия происходит из-за испарения материала в зоне контакта дуги с катодом, следовательно, необходимо уменьшение температуры активной поверхности катодной вставки.

В данном направлении представляется весьма перспективным использование присадок активирующих материалов с целью снижения работы выхода электронов из активной поверхности катода.

Известны различные присадки (окислы тория, лантана и бария, алюминаты бария и др.), повышающие эмиссионную способность вольфрама и используемые для повышения ресурса работы сварочных электродов, электродов источника света, электронных приборов и др. [Приэлекродные процессы и эрозия электродов плазматронов. / Под ред. М.Ф.Жукова. - Новосибирск, 1977. - 151 с.].

В случае применения в плазматронах полых катодов атомы щелочного или щелочно-земельного металла, адсорбируясь на поверхности полого катода в виде пленки, уменьшают работу выхода электронов. Например, для цезиевой пленки получают работу выхода 1,3-1,4 эВ, а для бариевой - 2,0-2,1 эВ. Это позволяет уменьшить температуру поверхности катода до 1500 К и резко снизить эрозию катода. Для создания адсорбированной пленки щелочной металл в небольшом количестве поставляют на внутреннюю поверхность полого катода. [Приэлектродные процессы в дуговых разрядах, Жуков М.Ф. и др. - «Наука», 1982. - 156 с.].

При работе на токах, превышающих 5 кА, используются катоды из вольфрама с протоком газа или паров активирующего материала через внутреннюю сквозную полость электрода. [Электродуговые плазматроны (рекламный проспект). / Под ред. Жукова. - Новосибирск: Наука, 1982. - 156 с.].

Эти известные конструкции катодов находят ограниченное применение, ибо могут быть реализованы только в лабораторных условиях, их промышленное использование сопряжено со значительными техническими трудностями.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является катодный узел плазматрона, содержащий охлаждаемый держатель, в котором закреплена катодная вставка, выполненная в виде фасонного стержня из торированного вольфрама марки ВТ-15. [Приэлектродные процессы и эрозия электродов плазматронов. / Под ред. М.Ф.Жукова. - Новосибирск, 1977. - 151 с.].

Катодная вставка из ВТ-15 содержит 1,5% окиси тория (ThO₂ - активирующий присадок), обладает наиболее оптимальным сочетанием эмиссионных и физико-механических свойств, работает следующим образом.

После возбуждения дуги через 1-2 секунды устанавливается стационарное состояние и температура активной поверхности катодной вставки составляет ˜2800 К. При этой температуре с активной поверхности вставки торий улетучивается через несколько десятков секунд, в дальнейшем содержание тория на активной поверхности катода поддерживается за счет его диффузии из близлежащих слоев, глубина которых не превышает 1,5-2 мм. После ˜2,5 мин работы температура активной поверхности повышается до 3400 К, а концентрация тория (интенсивность линий тория в спектре) снижается. По истечении 10 мин работы катодной вставки линии тория в спектре полностью исчезают, а температура ее активной поверхности повышается до 3660 К. Рост температуры за 10 мин работы от 2800 до 3660 К соответствует изменению работы выхода электронов с 3,0 до 4,5 эВ. После выхода тория полностью с торцевой части катодной вставки разряд стремится перейти на боковую поверхность, где еще имеется концентрация тория. Аналогичные данные получены на катодах из вольфрама с активирующими присадками иттрия, церия и лантана. Как и в случае работы катодной вставки из ВТ-15, концентрация этих материалов в рабочей части катода резко спадает за 10-16 мин горения дуги.

В дальнейшем горение электрической дуги происходит на катоде из чистого (не активированного) вольфрама, т.е. положительное влияние активирующих присадок на работу катода плазматрона исчезает. В этом состоит основной недостаток активированных присадками катодов.

Решаемой технической задачей предлагаемого изобретения является поддержание постоянной концентрации частиц активирующего вещества в рабочей зоне катодной вставки независимо от продолжительности работы плазматрона.

Решаемая техническая задача в катодном узле плазматрона, содержащем катододержатель, в котором закреплена катодная вставка, изготовленная из тугоплавкого материала в виде фасонного стержня, достигается тем, что катодная вставка имеет полость, с тыльной стороны в которой размещено активирующее вещество.

На чертеже изображен предложенный катодный узел плазматрона в разрезе. Катодный узел плазматрона содержит катододержатель 1, в котором закреплена катодная вставка 2, выполненная из тугоплавкого металла, в данном примере из вольфрама, в виде фасонного стержня с полостью, открытой с тыльной стороны. Полость катодной вставки 2 заполнена активирующим веществом 3 и закрыта заглушкой 4, установленной в катододержателе 1 с помощью резьбового соединения, что дает возможность изменить объема полости по мере расходования активирующего вещества. Рабочая поверхность вставки 2 и ее полость выполнены профилированными (например, в виде усеченного конуса, или бочкообразной формы, или в виде сферы) с целью увеличения эмитирующей поверхности. Полость рабочей части вставки 2 всегда должна быть заполнена активирующим веществом 3. Количество активирующего вещества 3 зависит от продолжительности работы плазматрона.

Катодный узел плазматрона работает следующим образом. После возбуждения электрической дуги в плазматроне по мере роста температуры внутри полости катодной вставки 2 начинается диффузия частиц активирующего вещества 3 к поверхности катодной вставки 2. Интенсивность диффузии пропорциональна концентрации частиц и температуры. [Бокштейн С.З. и др. В сб. Диффузионные процессы в металлах, сер. Металлофизика. - «Наукова думка», 1968. - 276 с.]. В предлагаемой конструкции катодного узла плазматрона внутри тела катодной вставки 2 имеется источник частиц активирующего вещества 3. Поэтому при установившемся состоянии концентрация частиц этого вещества на рабочей поверхности катодной вставки будет поддерживаться за счет диффузии частиц из источника активирующего вещества 3 независимо от продолжительности работы плазматрона.

Изобретение относится к электродуговым нагревателям газа и может быть использовано в плазменных установках. Катодный узел плазмотрона содержит катододержатель, в котором закреплена катодная вставка, изготовленная из тугоплавкого металла в виде фасонного стрежня, при этом катодная вставка имеет полость с тыльной стороны, в которой размещено активирующее вещество. Технический результат: поддержание постоянной концентрации частиц активирующего вещества в рабочей зоне катодной вставки независимо от продолжительности работы плазмотрона. 1 ил.

Катодный узел плазмотрона, содержащий катододержатель, в котором закреплена катодная вставка, изготовленная из тугоплавкого металла в виде фасонного стержня, отличающийся тем, что катодная вставка имеет полость, с тыльной стороны в которой размещено активирующее вещество.