Способ управления холодной плазмой посредством микрорельефа на твёрдом диэлектрике Российский патент 2021 года по МПК H05H1/24 H01J37/02 

Область техники

Заявляемое техническое решение относится к плазменной технике, к разделу способов управления плазмой.

Уровень техники

Известен способ относящийся к технологии термической обработки твердых диэлектрических тел, (патент RU 2537372 C2 «Способ плазменно-электромагнитного воздействия на диэлектрический материал», МПК Н05Н 1/16, 2013.04.09; Леонтьев Игорь Анатольевич). Это техническое решение может быть использовано для термической обработки твердых диэлектрических тел, включая их разрушение, например может быть использовано в горном деле и строительстве. Недостатком этого способа является невозможность управления плазмой.

Известно устройство относящиеся к области холодной плазмы для обработки поверхности холодной плазмой, в частности для применения в обработке поверхности холодной плазмой, (патент RU 2716708 C1 «Аппарат холодной плазмы для обработки поверхности», МПК Н05Н 1/24, 2017.03.21; Ван Абелен, Франк, Антон). Это техническое решение на основе холодной плазмы может быть использовано для обработки различных твердых диэлектрических поверхностей. При этом оно не позволяет осуществлять воздействие твердого диэлектрика на холодную плазму.

Раскрытие изобретения

Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в разработке метода контролируемого применения холодной плазмы.

Данная задача решается, путем изменения потенциала электрического поля в газовой среде с помощью точечного создания рельефа микронных размеров на поверхности твердого диэлектрика. Микрорельеф нужен для накопления на нем поверхностных зарядов, что образует в разрядном промежутке области повышенной напряженности и дополнительные очаги ионизации. Это позволяет диэлектрику деформировать электрическое поле в окрестностях рельефа, не соприкасаясь с плазмой. Такое бесконтактное электрическое воздействие диэлектрика снижает среднюю пробивную напряженность газа, усиливая его ионизацию и направляя потоки плазмы.

Результатом, который обеспечивается приведенной совокупностью признаков, является контроль холодной плазмы с помощью твердого диэлектрика, что является основой для создания устройства высокой точности, позволяющего управлять потоками плазмы без необходимости подвода энергии извне.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежами. Чертежи представлены в объеме, достаточном для понимания Изобретения специалистами, и ни в какой мере не ограничивают объема изобретение. На чертежах одинаковые элементы обозначены одинаковыми позициями.

На Фиг. 1 схематически представлена модель, позволяющая описывать данный метод, вид спереди.

На Фиг. 2 изображена схема, демонстрирующая модель работы изобретения, вид слева.

На Фиг. 3 изображена электрическая схема, эквивалентная модели изобретения.

Осуществление изобретения

Ниже приведена модель устройства, реализующего осуществление данного способа управления холодной плазмой, при воздействии твердого диэлектрика, следующим образом:

1. Между симметричными стержневыми электродами 1, с обработанными при помощи пайки конусообразными навершиями 3, подается высокое напряжение.

2. Неоднородное электрическое поле источника поляризует пластину 2 из стекла так, что вблизи электродов индуцируются поверхностные заряды, которые концентрируются на острых гранях микрорельефа 5-6, 17-19, в результате образуются области повышенной напряженности электрического поля и дополнительные очаги ионизации в газовых промежутках 8.

3. Продукты ионизации ускоряют формирование электронной лавины в газовом промежутке 9.

4. Параллельно с этим процессом, через пластину текут сквозные токи благодаря тому, что с граней конусообразных наверший 3 электродов на диэлектрик перетекают свободные заряды.

5. Сквозные поверхностные токи усиливаются на продольных микротрещинах 17-19, которые искусственно созданы заранее. Таким образом, можно направлять эти сквозные токи, повышая поверхностную плотность зарядов в выбранном месте, и управлять градиентом электрического потенциала в разрядном промежутке 9. Градиенту потенциала будет соответствовать траектория плазменного канала, который сформируется между остриями 4 электродов.

6. От зазоров 7 зависит необходимая величина радиуса кривизны электродов для того, чтобы плазменный шнур не соприкасался с поверхности твердого диэлектрика.

7. Далее искусственный микрорельеф на поверхности пластины из твердого диэлектрика будем сокращенно называть МК-Р.

8. Формирование микрорельефа (МК-Р) происходит, преимущественно на участках с различной плотностью продольных 17-19 и поперечных 5-6 микротрещин. Чтобы моделировать строение МК-Р для выполнения определенной задачи по локальному усилению ионизации, а также по изменению направления движения плазменных каналов в газовой среде, необходимо учитывать его электростатический и электродинамический факторы воздействия на плазму: локальное повышение плотности поверхностных связанных зарядов и усиление поверхностных сквозных токов.

9. Для управления факторами воздействия, разработан набор диэлектрических пластин, имеющих различные геометрические параметры микрорельефа (МК-Р). Изменяются следующие параметры МК-Р: ширина 11 поперечного МК-Р низкой плотности; ширина 12 поперечного МК-Р высокой плотности; угловое расстояние 20 между осью симметрии электродов и границей перехода продольного МК-Р высокой плотности в продольный МК-Р средней плотности; угловое расстояние 21 между осью симметрии электродов и границей перехода продольного МК-Р средней плотности в продольный МК-Р низкой плотности; угловое расстояние 22 между осью симметрии электродов и границей всего продольного МК-Р; глубина 23 микротрещин, образующих продольный МК-Р низкой плотности; глубина 24 микротрещин, образующих продольный МК-Р средней плотности; глубина 25 микротрещин, образующих продольный МК-Р высокой плотности; ширина 26 продольного МК-Р низкой плотности слева от электродов; 27 ширина продольного МК-Р низкой плотности справа от электродов; 28 ширина продольного МК-Р средней плотности слева от электродов; ширина 29 продольного МК-Р средней плотности справа от электродов; ширина 30 продольного микрорельефа высокой плотности.

10. Изменяя параметры МК-Р 11-12, 20-30, можно распределять поверхностную плотностью зарядов на диэлектрике в той зоне, где это требуется для выполнения задачи по изменению градиента потенциала и направления движения плазмы.

11. Длина диэлектрической пластины 10 должна быть равна сумме длин промежутков 8 и 9, чтобы индуцированные заряды на гранях диэлектрической пластины ускоряли ионизацию газа вблизи электродов, но при этом не провоцировали скользящий разряд. Если длина пластины 10 будет больше, чем суммарная длина промежутков 8-9, то формирование электронной лавины замедлится, и средняя пробивная напряженность упадет не так сильно, как могла бы. Однако, если длина пластины 10 будет меньше длин 8-9 и грани пластины будут находиться вблизи разрядной зоны, то это может спровоцировать скользящий разряд, тогда управлять плазменным шнуром в объеме газа с помощью МК-Р будет нельзя, ведь сам разряд произойдет на границе сред.

12. Чтобы отклонять плазменные каналы от оси симметрии электродов в любом направлении, ширина диэлектрической пластины 16 должна быть не меньше, чем диаметры стержней электродов. От толщины 15 диэлектрика зависит его поляризованность и плотность электростатических зарядов вблизи электродов, поэтому толщину 15 пластины по возможности следует уменьшать, ведь это ускоряет ионизационные процессы при формировании лидера разряда.

13. Если пластина из твердого диэлектрика 2 расположена в сильном электрическом поле и через нее текут сквозные токи, то поверхность диэлектрика можно рассматривать как RC-цепь, состоящую из поверхностного сопротивления и поверхностной емкости. Тогда конструкцию на фиг. 1 представим в виде эквивалентной электрической схемы на фиг. 3.

14. R1 - поверхностное сопротивление диэлектрика, которое мы можем изменять в большую или меньшую сторону за счет точечного создания МК-Р на поверхности. Чтобы уменьшить R1 нужно создать продольные микротрещины, которые будут служить каналами повышенной проводимости для поверхностных токов. Чтобы увеличить R1 нужно создать поперечные микротрещины, которые развивают поверхность и увеличивают длину каналов проводимости.

15. С1 - поверхностная емкость диэлектрика регулируется посредством увеличения площади поверхности и изменения ее проводимости при создании МК-Р.

16. С2, С3 - емкости воздушных зазоров между электродами и поверхностью диэлектрической пластины. Для усиления сквозных поверхностных токов, емкости С2, С3 следуют повышать, уменьшая длину зазоров 7, а также увеличивать площадь электродов за счет изменения диаметров каждого стержня 13 и острия 14.

17. Вышеописанные процессы в разрядном промежутке поддерживаются лишь за счет энергии электрического поля источника плазмы, поэтому для контроля плазменного шнура с помощью МК-Р не требуется внешний подвод энергии.

Усиливающее воздействие поверхностного микрорельефа на плазму обуславливается совокупностью электростатических и электродинамических явлений, а именно поляризацией и токами на поверхности диэлектрика. Электрическое поле источника плазмы индуцирует поверхностные заряды, которые скапливаются на микрорельефе определенной конфигурации и деформируют поле в соответствующей области газового промежутка около этого рельефа.

В дифференциальной форме теорема Гаусса для вектора поляризации имеет вид:

где ρ' - объемная плотность некомпенсированного связанного заряда.

При неоднородной поляризации суммарный поляризационный заряд q' в объеме диэлектрика будет равен поверхностному поляризационному заряду σ' с обратным знаком

В электрическом поле через твердый диэлектрик проходят сквозные токи, по которым определяется электропроводность диэлектрика G.

Электропроводность диэлектрика G:

где U - приложенное к электродам напряжение; iскв - сквозной ток; is - поверхностный сквозной ток; iν - объемный сквозной ток; iут - ток утечки; iaбc - ток абсорбции;

Искусственные микротрещины позволяют в желаемом месте повысить поверхностную электропроводность ρs. Это способствует перетеканию зарядов с электродов на диэлектрическую пластину и увеличению их плотности.

Поверхностная электропроводность диэлектрика ρ_s:

где Rs - поверхностное сопротивление диэлектрика; b - ширина электродов; l - расстояние между электродами. Характер микрорельефа, заданный заранее, определяет градиент электрического потенциала в газовой среде, где используя данное свойство. Становится возможным искривлять электрическое поле в заданной точке пространства, формируя требуемое направление движения потоков плазмы. Разработанный способ предоставляет возможность без внешнего подвода энергии контролировать холодную плазму, воздействуя на нее путем создания точечного рельефа микронных размеров на поверхности твердого диэлектрика, изменяя градиент потенциала электрического поля в газовом промежутке. Взаимодействие такого рода вызывает деформацию электрического поля, позволяя не соприкасаясь с плазмой, направлять ее потоки. Такое бесконтактное воздействие является основой для создания устройства контроля холодной плазмы высокой точности.

Изобретение относится к плазменной технике, к разделу способов управления плазмой. Технический результат – обеспечение возможности повышения точности управления потоками плазмы. Способ осуществляется путем изменения потенциала электрического поля в газовой среде, с помощью точечного создания рельефа микронных размеров на поверхности твердого диэлектрика для накопления поверхностных зарядов, образуя в разрядном промежутке области повышенной напряженности и дополнительные очаги ионизации. Это позволяет деформировать электрическое поле в окрестностях рельефа, не соприкасаясь с плазмой. Такое бесконтактное электрическое воздействие диэлектрика снижает среднюю пробивную напряженность газа, усиливая его ионизацию и направляя потоки плазмы. 3 ил.

Способ управления холодной плазмой путем точечного создания рельефа микронных размеров на поверхности твердого диэлектрика отличается тем, что в нем используется образование областей повышенной напряженности электрического поля и дополнительных очагов ионизации в разрядном промежутке, что приводит к накоплению поверхностных зарядов с последующей деформацией электрического поля в окрестностях рельефа, тем самым там снижается пробивная напряженность газа, усиливается ионизация, а в результате осуществляется контроль потоков плазмы без внешнего подвода энергии и без контакта диэлектрика с плазмой.