Микроволновый волноводный плазмотрон для создания разрядов при атмосферном давлении Российский патент 2025 года по МПК H05H1/24 H05H1/30 H05H1/46 

Изобретение относится к способам создания газовых разрядов в потоке газа при атмосферном давлении с помощью непрерывного электромагнитного излучения микроволнового диапазона длин волн 1,5-15 мм.

Создаваемый микроволновый разряд является источником неравновесной плазмы, которая может быть использована для решения задач деструкции молекулярных газов в интересах плазмохимии, а также плазменной обработки и преобразования материалов, в том числе с целью сфероидизации металлических микропорошков. Ключевой особенностью разработанной газоразрядной системы является возможность создания в плазме атмосферного давления существенно неравновесного распределения температурных характеристик, что достигается за счет реализации бесстолкновительного режима поддержания разряда при его нагреве электромагнитным излучением миллиметрового диапазона длин волн, генерируемым гиротронами.

В подавляющем большинстве ранее разработанных газоразрядных систем для создания микроволновых разрядов в широком диапазоне давлений и мощностей используется электромагнитное излучение сантиметрового диапазона длин волн, генерируемое магнетроном (длина волны 15-300 мм). Для электромагнитного излучения миллиметрового диапазона длин волн известен микроволновый плазменный реактор, используемый для высокоскоростного осаждения алмазных пленок из газовой фазы в плазме СВЧ-разряда, поддерживаемой непрерывным электромагнитным излучением гиротрона с частотой 30 ГГц (RU 2215061 «Высокоскоростной способ осаждения алмазных пленок из газовой фазы в плазме свч-разряда и плазменный реактор для его реализации», МПК С23С16/27, С23С16/503, Н05Н1/30, публ. 27.10.2003 г. ). Газовый разряд поддерживается в скрещенных пучках электромагнитного излучения, формируемых системой квазиоптических параболических зеркал, при давлении 50-300 торр. В предложенной в настоящем патенте конструкции плазмотрона газовый разряд поддерживается в волноводе в потоке плазмообразующего газа при атмосферном давлении, что удешевляет процесс плазмохимического синтеза за счет отсутствия необходимости использовать системы газовой откачки для создания пониженного давления и сложных систем квазиоптической фокусировки СВЧ-пучка.

Известен микроволновый плазмотрон волноводного типа, работающий в потоке газа при атмосферном давлении с использованием электромагнитного излучения сантиметрового диапазона длин волн (ПМ RU 183873 «СВЧ-плазмотрон», МПК H05H1/16, публ. 08.10.2018 г. ). В прямоугольном волноводе возбуждается мода Н₁₀. С помощью диэлектрических СВЧ-прозрачных стенок внутри него выделена газоразрядная камера. Перпендикулярно широкой стенке волновода расположена металлическая трубка запредельного диаметра для частоты греющего поля, в которую вводится поток плазмообразующего газа, в том числе вихревой (закрученный вдоль внутренней стенки трубки). В области пересечения прямоугольного волновода и металлической трубки возникает микроволновый разряд, стабилизируемый потоком газа. Устройство, которому посвящен данный патент, отличается от вышеописанного тем, что плазмообразующий газ вводится напрямую в волновод круглого сечения, сонаправленно с волновым вектором электромагнитного поля. Нагрев плазмы в сонаправленном потоке газа осуществляется более коротковолновым электромагнитным излучением миллиметрового диапазона длин волн. В известном устройстве на оси волновода круглого сечения может быть расположена металлическая трубка газового напуска, которая обеспечивает дополнительный ввод плазмообразующего газа и выполняет функцию жилы коаксиальной линии. Стенки круглого волновода при этом играют роль экрана. В конфигурации с центральной металлической трубкой нагрев плазмы происходит электромагнитным излучением, имеющим радиально-симметричную структуру (коаксиальная мода).

В качестве прототипа выбрана конструкция коаксиального микроволнового плазмотрона для создания плазменных факелов путем их поддержания импульсным электромагнитным излучением магнетрона с частотой 2,45 ГГц (RU 2153781 «Микроволновый плазматрон», МПК H05H1/00, H05H1/24, H05H1/26, публ. 27.07.2000 г. ). Описанный микроволновый плазмотрон представляет собой радиально симметричную коаксиальную линию, запитываемую с помощью петли связи из микроволнового резонатора, и обладает высоким коэффициентом использования микроволновой энергии. Плазмообразующий газ вводится в коаксиальную линию, на конце которой инициируется плазменный факел, имеющий равновесное распределение температурных характеристик. Недостатком является использование в прототипе электромагнитного излучения сантиметрового диапазона длин волн, что не позволяет достигнуть существенно неравновесного распределения температурных характеристик в разрядах, поддерживаемых при атмосферном давлении.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка микроволнового плазмотрона, позволяющего создать существенно неравновесную плазму при атмосферном давлении с помощью мощного электромагнитного излучения с длинами волн диапазона 1,5-15 мм.

Технический результат достигается за счет того, что разработанный микроволновый плазмотрон для создания разрядов атмосферного давления так же, как и плазмотрон-прототип, включает систему ввода СВЧ-излучения, тракт транспортировки излучения, систему подачи рабочего газа. Новым является то, что система ввода СВЧ-излучения с длиной волны 1,5-15 мм отделена от тракта транспортировки излучения кварцевым СВЧ-окном с водяной рубашкой, при этом тракт транспортировки излучения включает в себя секцию прямого ввода рабочего газа, обеспечивающую равномерный однородный поток газа вдоль тракта транспортировки, секцию ввода закрученного потока газа, формирующую вихревой поток газа, прижатый к внутренним стенкам тракта транспортировки, и соединенную с ней своей широкой частью коническую секцию, формирующую факел. Причем система подачи рабочего газа сообщается с секцией прямого ввода рабочего газа через сетку, имеющую период менее 1/10 длины волны СВЧ-излучения, а с секцией ввода закрученного потока газа сообщается через, по крайней мере, три круглых отверстия диаметром, составляющим не более 1/3 длины волны СВЧ-излучения, расположенных симметрично на боковой поверхности секции ввода закрученного потока газа.

В частном случае реализации между секцией прямого ввода рабочего газа и секцией ввода закрученного потока газа расположена формирующая направленный поток газа вдоль оси плазмотрона секция ввода газа по центральной трубке, соединенной с системой подачи рабочего газа.

Изобретение поясняется, но не ограничивается следующими фигурами.

На фиг. 1 представлена схема разработанного микроволнового волноводного плазмотрона.

На фиг. 2 представлена фотография разработанного микроволнового волноводного плазмотрона.

Разработанный микроволновый плазмотрон для создания разрядов атмосферного давления включает систему ввода СВЧ-излучения, тракт транспортировки излучения, систему подачи рабочего газа. На фиг.1 проиллюстрирована схема разработанного микроволнового волноводного плазмотрона для создания разрядов атмосферного давления по п. 2 ф-лы. Волноводный плазмотрон представляет собой отрезок волновода круглого сечения с внутренним диаметром 32,6 мм и конструктивно разделен на пять функциональных секций, плотно стыкующихся друг с другом с помощью внешних фланцевых соединений. Электромагнитное излучение микроволнового диапазона длин волн вводится от источника СВЧ в волноводный плазмотрон через просветленное кварцевое СВЧ-окно 1 с водяной рубашкой и распространяется вдоль его длины. Тракт транспортировки излучения включает в себя секцию 2 прямого ввода рабочего газа, секцию 3 ввода газа по центральной трубке 4, секцию 5 ввода закрученного потока газа и коническую секцию 6, формирующую факел 7. Таким образом, электромагнитное излучение распространяется до конической секции 6, где, в отсутствии газового разряда, может частично выходить в свободное пространство через узкий торец диаметром 8 мм. В области узкого торца конической секции 6 достигается наибольшая плотность мощности электромагнитного излучения.

Ввод плазмообразующего газа в разработанный плазмотрон осуществляется различными способами, для чего были разработаны три функциональные секции.

Секция 2 прямого ввода газа обеспечивает равномерный однородный поток рабочего газа вдоль длины плазмотрона. Газ вводится через сетку, имеющую период менее 1/10 длины волны СВЧ-излучения, расположенную на боковой поверхности волноводного тракта.

Секция 3 ввода рабочего газа по металлической центральной трубке 4 позволяет сформировать направленный поток газа вдоль оси плазмотрона. В разработанном авторами плазмотроне использовалась трубка 4 газового напуска с внешним диаметром 6 мм.

Секция 5 ввода закрученного потока газа формирует вихревой поток газа, прижатый к внутренним стенкам тракта транспортировки. Рабочий газ вводится внутрь плазмотрона через, по крайней мере, три круглых отверстия, расположенных симметрично на боковой поверхности волноводного тракта. Диаметр такого отверстия составляет не более 1/3 длины волны СВЧ-излучения. В конкретном плазмотроне, разработанном авторами, диаметры этих отверстий составляют 4 мм.

Секция 5 ввода закрученного потока газа соединена с широкой частью конической секцией 6, формирующей факел 7.

Блочная конструкция разработанного плазмотрона позволяет сконфигурировать газоразрядную систему как с двумя секциями напуска газа (секцией 2 прямого ввода рабочего газа и секцией 5 ввода закрученного потока газа), так и со всеми тремя одновременно.

Конфигурация волноводного плазмотрона с секциями 2 и 5 напуска газа позволяет осуществить нагрев плазмы, инициируемой в области конического сужения, электромагнитным полем, генерируемым на основной моде источника СВЧ-излучения, без модификации структуры поля. Разряд представляет собой плазменный факел 7, выносимый из узкого торца конической секции 6 потоком плазмообразующего газа. Вихревой поток, вводимый через секцию напуска 5, позволяет отодвинуть плазменный факел 7 от стенок плазмотрона и, тем самым, стабилизирует разряд в радиальном направлении. Секция прямого ввода газа 2 позволяет удерживать разряд прижатым к конической секции, то есть обеспечивает стабилизацию разряда вдоль оси камеры. С увеличением мощности СВЧ-нагрева плазменный объем внутри конической секции 6 увеличивается, разряд пытается распространяться навстречу СВЧ-излучению. Для его стабилизации в продольном направлении необходимо увеличить поток газа через секцию прямого ввода 2. Такой газовый разряд атмосферного давления, поддерживаемый электромагнитным излучением миллиметрового диапазона длин волн, имеет существенно неравновесное распределение температурных характеристик, что делает его перспективной средой для решения современных задач неравновесной плазмохимии.

Пример 1

Для источника СВЧ-излучения с частотой 24 ГГц в непрерывном режиме на моде Н₁₁ с линейной поляризацией плазменный факел 7 в конфигурации плазмотрона по п. 1 ф-лы с секциями 2 и 5 удавалось поддерживать при выходной мощности от 120 до 1500 Вт.Разряд поддерживался в потоке углекислого газа высокой чистоты. При минимальной мощности СВЧ 120 Вт поток углекислого газа в секции 2 составлял 2 л/мин, в секции 5-1 л/мин. При увеличении мощности СВЧ-нагрева необходимо постепенно увеличивать скорость потока газа в обеих секциях. При выходной мощности СВЧ 1500 Вт поток углекислого газа, необходимый для стабилизации разряда, в секциях 2 и 5 достигал 30 л/мин и 15 л/мин соответственно. Для разряда в потоке углекислого газа методами оптической эмиссионной спектроскопии было показано, что температура электронов как минимум на 30% превышает температуру газа (по измерениям авторов 30-140%).

Конфигурация волноводного плазмотрона с секциями 2,3 и 5 напуска газа позволяет осуществить нагрев плазмы в режиме коаксиального ввода мощности электромагнитного излучения микроволнового диапазона длин волн. Поверхность трубки 4 газового напуска выполняет роль жилы коаксиала, а стенки круглого волноводного тракта - роль экрана. Трансформация основной моды излучения источника СВЧ в коаксиальную моду происходит на сгибе центральной трубки 4 газового напуска в месте, где она вдоль радиуса круглого сечения волновода вводится в плазмотрон. Эффективность трансформации моды Н₁₁ с линейной поляризацией в коаксиальную моду составляет более 85% без дополнительных согласований. Секции 2 и 5 напуска газа выполняют те же функции, как описано ранее, а именно позволяют стабилизировать разряд в продольном и поперечном направлениях соответственно. При напуске газа по центральной трубке 4 возможно реализовать режим, когда плазменный факел 7 инициируется на ее срезе и вытягивается вдоль направления потока газа вплоть до узкого торца конической секции 6. Увеличивая длину центральной трубки 4 (то есть уменьшая расстояние от среза центральной трубки 4 до конической секции 6), можно добиться вышеописанного режима поддержания разряда, когда такой плазменный факел 7 выходит из узкого торца конической секции 6. При этом плазменный факел 7, возникающий на срезе центральной трубки 4 газового напуска, с точки зрения электродинамики процесса является продолжением этой металлической трубки 4 и выполняет роль жилы коаксиала с меньшей проводимостью, что, как следствие, обуславливает сильное поглощение энергии электромагнитного поля разрядом. Благодаря эффективной трансформации моды круглого волновода в коаксиальную моду удается стабилизировать разряд при выходной мощности СВЧ до 3000 Вт.Так же, как в вышеописанной конфигурации СВЧ-плазмотрона, с увеличением вводимой мощности необходимо равномерно увеличивать потоки газов в секциях 2 и 5. При этом поток газа по центральной трубке 4 (секция 3) фиксирован и составляет 2-3 л/мин. Данная конфигурация плазмотрона позволяет создавать неравновесную плазму с температурой газа до 4200 К. По центральной трубке 4 газового напуска в разряд могут быть введены металлические микрочастицы. В результате их комбинированного нагрева СВЧ-полем и термической плазмой они могут быть сфероидизированы.

Пример 2

Для источника СВЧ-излучения с частотой 24 ГГц в непрерывном режиме на моде Н₁₁ с линейной поляризацией плазменный факел 7 в конфигурации плазмотрона с секциями 2, 3 и 5 удавалось поддерживать при выходной мощности от 120 до 3000 Вт.Расстояние от среза центральной трубки 4 газового напуска до узкого торца конической секции 6 составляло 125 мм. Разряд поддерживался в потоке газовой смеси воздух-аргон (газы высокой чистоты). Аргон вводился в плазматрон по центральной трубке 4 (секция 3) с расходом 3 л/мин. В секциях 2 и 5 вводился воздух с расходом от 2 до 30 л/мин. При выходной СВЧ мощности 3000 Вт удавалось стабилизировать разряд потоком воздуха в секции 2 30 л/мин, в секции 5 - 10 л/мин. В диапазоне мощностей от 120 до 1300 Вт плазменный факел 7 существовал только на срезе центральной трубки 4 плазменного факела 7. При большей вводимой СВЧ мощности такой плазменный факел 7 удлинялся и расширялся, что приводило к возникновению разряда внутри конической секции 6. При мощности СВЧ более 2200 Вт из узкого торца конической секции 6 появлялся плазменный факел 7. При выходной мощности СВЧ-излучения 3000 Вт интегральная температура такого плазменного факела 7 достигала 4200 К, температура возбуждения верхних электронных уровней атомов аргона (оценка снизу для электронной температуры) на уровне 7000 К.

Таким образом, представлено описание оригинальной схемы микроволнового плазмотрона волноводного типа с набором секций транспортировки и ввода рабочего газа, где с помощью непрерывного электромагнитного излучения с длинами волн диапазона 1,5-15 мм создается существенно неравновесная плазма при атмосферном давлении.

Предложена конструкция волноводного плазмотрона для создания существенно неравновесной плазмы при атмосферном давлении за счет разрядов, поддерживаемых в потоке газов, вводимых внутрь волноводного плазмотрона по центральной трубке газового напуска, расположенной на оси волновода, или напрямую через сетчатый ввод на боковой поверхности волновода, или путем создания закрученного потока вдоль стенок волновода, непрерывным электромагнитным излучением диапазона длин волн 1,5 15 мм. Это позволяет его использовать для решения современных задач неравновесной плазмохимии, а также для проведения процессов обработки и модификации материалов.

Изобретение относится к способам создания газовых разрядов в потоке газа при атмосферном давлении с помощью непрерывного электромагнитного излучения микроволнового диапазона длин волн 1,5-15 мм. Технический результат - повышение эффективности поглощения плазмой атмосферного давления непрерывного электромагнитного излучения миллиметрового диапазона длин волн. Микроволновый плазмотрон для создания разрядов атмосферного давления включает систему ввода СВЧ-излучения, тракт транспортировки излучения, систему подачи рабочего газа. Система ввода СВЧ-излучения с длиной волны 1,5–15 мм отделена от тракта транспортировки излучения кварцевым СВЧ-окном с водяной рубашкой, при этом тракт транспортировки излучения включает в себя секцию прямого ввода рабочего газа, обеспечивающую равномерный однородный поток газа вдоль тракта транспортировки, секцию ввода закрученного потока газа, формирующую вихревой поток газа, прижатый к внутренним стенкам тракта транспортировки, и соединенную с ней своей широкой частью коническую секцию, формирующую факел. Система подачи рабочего газа сообщается с секцией прямого ввода рабочего газа через сетку, имеющую период менее 1/10 длины волны СВЧ-излучения, а с секцией ввода закрученного потока газа сообщается через по меньшей мере три круглых отверстия диаметром, составляющим не более 1/3 длины волны СВЧ-излучения, расположенных симметрично на боковой поверхности секции ввода закрученного потока газа. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Микроволновый плазмотрон для создания разрядов атмосферного давления, включающий систему ввода СВЧ-излучения, тракт транспортировки излучения, систему подачи рабочего газа, отличающийся тем, что система ввода СВЧ-излучения с длиной волны 1,5–15 мм отделена от тракта транспортировки излучения кварцевым СВЧ-окном с водяной рубашкой, при этом тракт транспортировки излучения включает в себя секцию прямого ввода рабочего газа, обеспечивающую равномерный однородный поток газа вдоль тракта транспортировки, секцию ввода закрученного потока газа, формирующую вихревой поток газа, прижатый к внутренним стенкам тракта транспортировки, и соединенную с ней своей широкой частью коническую секцию, формирующую факел, причем система подачи рабочего газа сообщается с секцией прямого ввода рабочего газа через сетку, имеющую период менее 1/10 длины волны СВЧ-излучения, а с секцией ввода закрученного потока газа сообщается через по меньшей мере три круглых отверстия диаметром, составляющим не более 1/3 длины волны СВЧ-излучения, расположенных симметрично на боковой поверхности секции ввода закрученного потока газа.

2. Микроволновый плазмотрон по п. 1, отличающийся тем, что между секцией прямого ввода рабочего газа и секцией ввода закрученного потока газа расположена формирующая направленный поток газа вдоль оси плазмотрона секция ввода газа по центральной трубке, соединенной с системой подачи рабочего газа.