СВЧ-ПЛАЗМОТРОН Российский патент 2025 года по МПК H05H1/46 

Изобретение относится к плазменной технике, в частности к устройствам для генерирования плазмы с использованием внешних электромагнитных полей сверхвысокой частоты (СВЧ) и может быть использовано в качестве простого и надежного источника чистого безэлектродного СВЧ-разряда для проведения интенсивных плазмохимических и тепловых технологических процессов большой продолжительности при атмосферном давлении.

Известен «СВЧ-плазмотрон, содержащий СВЧ-генератор, соединенный через магистральный прямоугольный волновод с плазмотроном волноводного типа на волне Н₁₀, который содержит прямоугольный волновод плазмотрона и диэлектрическую разрядную трубку, расположенную перпендикулярно широкой стенке этого волновода, а также подсоединяемую к ней разрядную камеру, отличающийся тем, что устройство снабжено вторым дополнительным волноводом, а между СВЧ-генератором и разрядной камерой выполнен трех децибельный квадратурный мост в виде направленного ответвителя шлейфного типа со связью по широкой стенке волновода, причем к первому выходному плечу моста подключают первый волновод плазмотрона, а ко второму выходному плечу моста подключают второй дополнительный волновод плазмотрона, при этом разрядная камера является общей для них, кроме того, оба волновода плазмотрона выполнены в виде короткозамкнутых отрезков таким образом, что ось разрядной камеры отстоит от короткозамкнутых концов волноводов на расстоянии, кратном нечетному числу λ_в/4, а в плече моста, развязанном с входным плечом, располагают согласованную волноводную нагрузку.

Патент РФ на изобретение №2718715, МПК:Н03В 1/02, опубл. 14.04.2020 г.

Известен 1. «Сверхвысокочастотный плазмотрон», содержащий сочлененные между собой прямоугольный и круглый волноводы, диэлектрическую разрядную камеру, поглотитель СВЧ-мощности, СВЧ-генератор, отличающийся тем, что между СВЧ-генератором и сочленением круглого и прямоугольного волноводов вводят щелевой мост, а сочленение круглого и прямоугольного волноводов выполняют в виде волноводно-щелевого перехода.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в место сочленения круглого и прямоугольного волноводов устанавливают Е-фильтр в виде регулируемого по глубине погружения вдоль оси круглого волновода полого металлического штыря.

Патент РФ на изобретение №2274963, МПК: Н05Н 1/26, опубл.20.04.2006 г.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому в качестве изобретения устройству является «Сверхвысокочастотный плазмотрон», содержащий источник СВЧ-излучения, прямоугольный питающий волновод, соединенный с отрезком круглого волновода, нагруженным поглотителем мощности тороидальной формы, диэлектрической разрядной камеры, выполненной в виде трубки и размещенной по оси круглого волновода, на одном из торцов которого установлен формирователь газового потока. Внутрь круглого волновода, со стороны его торца, нагруженного поглотителем мощности, коаксиально с ним введен отрезок запредельного волновода в виде металлической трубы, соединенной с диэлектрической камерой. СВЧ-разряд формируется как внутри диэлектрической разрядной камеры так и, частично, внутри запредельного волновода. Авт. св-во СССР, №868845, МПК: Н05Н 1/26, Н05В 7/18, опубл. 30.09.1981 г. К недостаткам этого СВЧ-плазмотрона относится необходимость использования диэлектрической разрядной камеры и поглотителя мощности, что ведет к снижению его надежности и усложнению устройства. К техническому результату относится повышение надежности работы устройства СВЧ-плазмотрона путем формирования плазменного разряда вдоль оси цилиндрического запредельного волновода, подключенного снаружи и соосно к одному из короткозамкнутых торцов цилиндрического волновода резонансной длины, за счет подключения перпендикулярно его оси прямоугольного питающего волновода, на расстоянии от оси прямоугольного питающего волновода до другого торца цилиндрического волновода резонансной длины, равного половине длины волны моды E₀₁ в цилиндрическом волноводе, а также за счет того, что выход плазмообразующего газа происходит только через цилиндрический запредельный волновод.

Вышеукзанный технический результат осуществляется следующим образом, СВЧ-плазмотрон содержит источник СВЧ-излучения, полый прямоугольный питающий волновод, соединенный с отрезком цилиндрического волновода. К одному из торцов отрезка цилиндрического волновода также присоединен отрезок цилиндрического запредельного волновода, а другой торец снабжен патрубком подачи плазмообразующего газа. При этом прямоугольный питающий волновод сочленен перпендикулярно с боковой стенкой короткозамкнутого с обоих торцов отрезка цилиндрического волновода резонансной длины. А расстояние от оси прямоугольного волновода до другого торца цилиндрического волновода равно половине длины волны моды E₀₁ в цилиндрическом волноводе. Кроме того диаметр и длина короткозамкнутого отрезка цилиндрического волновода выбраны необходимыми для осуществления условия резонансов одновременно для двух и более типов колебаний в нем. При этом выход плазмообразующего газа происходит только через цилиндрический запредельный волновод. Наконец патрубки подачи плазмообразующего газа могут быть расположены на боковой цилиндрической поверхности волновода.

СВЧ-плазмотрон поясняется чертежом-схемой на фиг. 1.

Фиг. 1 - СВЧ-плазмотрон (схема общего вида).

СВЧ-плазмотрон, согласно Фиг. 1, содержит: источник СВЧ-излучения 1, полый прямоугольный питающий волновод 2, перпендикулярно сочлененный с боковой стенкой полого цилиндрического волновода 3 резонансной длины, короткозамкнутого с обоих торцов - 4 и 5. К одному из торцов 4 цилиндрического волновода 3 присоединен отрезок также полого цилиндрического запредельного волновода 6. Расстояние от места сочленения волноводов 2 и 3 до короткозамкнутого торца 5 выбрано из условия их согласования в режиме бегущей волны в цилиндрическом волноводе 3, то есть равно половине длины волны моды E₀₁ в цилиндрическом волноводе. Диаметр и длина короткозамкнутого отрезка цилиндрического волновода выбраны необходимыми для осуществления условия резонансов одновременно для двух и более типов колебаний в нем. Подачу плазмообразующего газа осуществляют через патрубки 7, которые могут быть расположены как на торце 5, так и на боковой цилиндрической поверхности волновода 3. Выход плазмообразующего газа происходит только через запредельный волновод 6.

Устройство работает следующим образом: при включении СВЧ-генератора 1, в цилиндрическом волноводе 3 в результате резонанса возникает стоячая электромагнитная волна, одна из пучностей которой располагается непосредственно вблизи торца 4, нагруженного отрезком запредельного цилиндрического волновода 6. Диаметр и длина короткозамкнутого отрезка цилиндрического волновода выбраны необходимыми для осуществления условия резонансов одновременно для двух и более типов колебаний в нем. После инициирования СВЧ-разряда в потоке плазмообразующего газа, истекающего через запредельный цилиндрический волновод 6, в последнем формируется устойчивое плазменное образование, выходящее как наружу, так и внутрь цилиндрического волновода 3 - плазмоид 8. В результате происходит «просветление» запредельного цилиндрического волновода 6 - он преобразуется в широкополосную коаксиальную линию с наружным металлическим и внутренним плазменным проводником, существование которого поддерживается за счет интенсивного поглощения СВЧ-энергии плазмой. Преобразованный таким образом запредельный цилиндрический волновод 6 становится хорошо согласованной нагрузкой для цилиндрического волновода 3, в котором устанавливается режим бегущей волны, а сочленение цилиндрического волновода 3 с прямоугольным питающим волноводом 2 выполнено именно из условия их согласования в этом режиме. Таким образом, электромагнитная энергия СВЧ-генератора 1 по прямоугольному питающему волноводу 2 беспрепятственно поступает в цилиндрический волновод 3 и поглощается в плазмоиде 8. В то же время условия для развития и поддержания разряда в цилиндрическом волноводе 3 отсутствуют.

Предложенный в качестве изобретения СВЧ-плазмотрон обеспечивает надежность конструкции в результате отсутствия в ней диэлектрических материалов, и его использование позволяет обеспечить получение и поддержание чистого без электродного СВЧ-разряда атмосферного давления для проведения интенсивных плазмохимических и тепловых технологических процессов большой продолжительности за счет его конструкции и возможности эффективного, в том числе жидкостного охлаждения всех его компонентов - поверхностей, деталей и узлов.

Изобретение относится к плазменной технике, в частности к устройствам для генерирования плазмы с использованием внешних электромагнитных полей сверхвысокой частоты (СВЧ), и может быть использовано в качестве простого и надежного источника чистого безэлектродного СВЧ-разряда для проведения интенсивных плазмохимических и тепловых технологических процессов большой продолжительности при атмосферном давлении. К техническому результату относится повышение надежности работы устройства СВЧ-плазмотрона путем формирования плазменного разряда вдоль оси цилиндрического запредельного волновода, подключенного снаружи и соосно к одному из короткозамкнутых торцов цилиндрического волновода резонансной длины, за счет подключения перпендикулярно его оси прямоугольного питающего волновода на расстоянии от оси прямоугольного питающего волновода до другого торца цилиндрического волновода резонансной длины, равного половине длины волны моды E₀₁ в цилиндрическом волноводе, а также за счет того, что выход плазмообразующего газа происходит только через цилиндрический запредельный волновод. Вышеуказанный технический результат осуществляется следующим образом: СВЧ-плазмотрон содержит источник СВЧ-излучения, полый прямоугольный питающий волновод, соединенный с отрезком цилиндрического волновода. К одному из торцов отрезка цилиндрического волновода также присоединен отрезок цилиндрического запредельного волновода, а другой торец снабжен патрубком подачи плазмообразующего газа. При том что прямоугольный питающий волновод сочленен перпендикулярно с боковой стенкой короткозамкнутого с обоих торцов отрезка цилиндрического волновода резонансной длины. А расстояние от оси прямоугольного волновода до другого торца цилиндрического волновода равно половине длины волны моды E₀₁ в цилиндрическом волноводе. Кроме того, диаметр и длина короткозамкнутого отрезка цилиндрического волновода выбраны необходимыми для осуществления условия резонансов одновременно для двух и более типов колебаний в нем, а выход плазмообразующего газа происходит только через цилиндрический запредельный волновод. Наконец, патрубки подачи плазмообразующего газа могут быть расположены на боковой цилиндрической поверхности волновода. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. СВЧ-плазмотрон, содержащий источник СВЧ-излучения, полый прямоугольный питающий волновод, соединенный с отрезком цилиндрического волновода, при этом к одному из торцов отрезка цилиндрического волновода также присоединен отрезок цилиндрического запредельного волновода, а другой торец снабжен патрубком подачи плазмообразующего газа, отличающийся тем, что прямоугольный питающий волновод сочленен перпендикулярно с боковой стенкой короткозамкнутого с обоих торцов отрезка цилиндрического волновода резонансной длины, а расстояние от оси прямоугольного волновода до другого торца цилиндрического волновода равно половине длины волны моды E₀₁ в цилиндрическом волноводе, кроме того, диаметр и длина короткозамкнутого отрезка цилиндрического волновода выбраны необходимыми для осуществления условия резонансов одновременно для двух и более типов колебаний в нем, а выход плазмообразующего газа происходит только через цилиндрический запредельный волновод.

2. СВЧ-плазмотрон по п. 1, отличающийся тем, что патрубки подачи плазмообразующего газа могут быть расположены на боковой цилиндрической поверхности волновода.