ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ИМПУЛЬСНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ УГЛЕРОДНОЙ ПЛАЗМЫ

Заявляемая полезная модель относится к области электрофизики и плазменной техники, а именно, к электромагнитным ускорителям плазмы и может быть использована в технике нанесения углеродных покрытий на подложки, при обработке поверхностей деталей, химических технологиях, в т.ч. технологиях получения новых углеродных наноматериалов, а также в научных исследованиях (физика плазмы, газодинамика гиперзвуковых плазменных струй).
Плазменные потоки и струи широко используются в современной технике и разнообразных технологиях. После открытия углеродных наноструктур (1985) появилось большое количество разнообразных генераторов углеродных плазменных потоков и струй.
Известны устройства, в которых углеродная плазма образуется электрической дугой постоянного тока в межэлектродном промежутке между двумя соосно расположенными графитовым и вольфрамовым электродами (Патент Германии №4205296 МКИ С01В 31/02, опубликован 26.08.93), между двумя графитовыми электродами (Патент Японии №05-09013 МКИ С01В 31/02, опубликован 19.01.93), между двумя противолежащими графитовыми электродами с возможностью перемещения одного электрода в осевом направлении (Патент США №5227038 МКИ С01В 31/00, опубликован 13.07.93), между двумя противолежащими горизонтально расположенными графитовыми электродами, снабженными механизмами возвратно-поступательного перемещения вдоль общей оси (Патент США №5227038 МКИ С01В 31/00, опубликован 13.07.93), между двумя соосно расположенными графитовыми электродами с возможностью осевого перемещения и непрерывного наращивания одного из них и возможностью периодической перемены полярности электродов (Патент WO 02/096800 А1 МКИ С01В 31/02, опубликован 05.12.2002).
В известных устройствах графитовые электроды расположены в водоохлаждаемой реакторной камере, заполненной инертным газом работающей в непрерывном режиме, а плазма удаляется из межэлектродного промежутка продувкой инертного газа. Скорость плазменных струй составляет десятки метров в секунду. Возможности известных устройств по увеличению скорости и мощности плазменной струи практически исчерпаны.
Известно устройство, в котором в зону микроволнового газового разряда, продуваемую потоком инертного газа, подается графитовый порошок. Образующаяся при испарении графитового порошка плазменная струя имеет небольшую скорость, а само устройство низкую производительность при высокой затрате энергии (Патент Японии №05-238717 МКИ СO1В 31/02, опубликован 17.09.93)
Известны устройства - плазмотроны, электродуговые, в которых графитовый образец (рабочее тело) обдувается газоплазменным потоком, или высокочастотные, в которых в зону ВЧ разряда помещают графитовый образец (Патент RU №2266866 С2 С01В 31/02, опубликован 27.01.2004) или графитовый порошок (ЖТФ 2007, т.77, в.1, с.30-37). Скорость углеродной струи, получаемая в этих устройствах не превышает десятков метров в секунду.
Известны устройства - электромагнитные ускорители плазмы, в которых эрозионная плазма образуется в канале ускорителя и ускоряется совместным действием газового и магнитного давлений. Рабочим телом является материал стенок ускорительного канала (Патент RU 2143 586 C1 FO3Н 1/00 Н05Н 1/54 опубликован 27.12.1999). Скорость плазменных струй в этих устройствах может превышать 10 км/с, однако, получить углеродную плазму нельзя из-за малой механической прочности графита и невысокой электропроводности.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков является устройство, описанное в (Журнал технической физики, 2007, т.77, вып.7, с.43-49 Влияние плотности газа на движение свободного плазменного поршня в канале рельсотрона. Б.Г.Жуков. Б.И.Резников, Р.О.Куракин, С.И.Розов), выбранное в качестве прототипа. Известный электромагнитный плазменный ускоритель, включает:
1) ускорительный канал рельсового типа, заполненный воздухом при атмосферном давлении или заполненный через отверстие в боковой стенке канала инертным газом при атмосферном давлении (в последнем случае канал с торцов закрывался тонкой пленкой). Верхняя и нижняя стенки канала образованы плоскими электродами-рельсами, а разделяющие их боковые стенки канала изготовлены из прозрачного диэлектрического материала (например, из оргстекла).
2) блок электропитания, запитывающий канал ускорителя импульсами тока трапецеидальной формы с крутым передним фронтом и плоским протяженным плато.
3) устройство для поджига разряда внутри канала на расстоянии нескольких калибров от заднего среза канала.
В известном устройстве электроды изготавливались из меди или дюралюминия. Поскольку рабочим телом является материал электродов, известное устройство генерирует струю плазмы из меди или алюминия. Скорость струи в зависимости от величины тока и сорта газа не может превышать 10 км/с.
Известное устройство имеет следующие существенные недостатки:
Невозможность увеличения скорости струи за счет понижения давления газа в канале.
Вероятность обратного выброса продуктов эрозии электродов после электрического пробоя межэлектродного промежутка, что приводит к уменьшению газового давления в канале, паразитным перезамыканиям в казенной части канала и, как следствие - уменьшение скорости струи.
Задачей полезной модели является создание высокоскоростного импульсного ускорителя углеродной плазмы надежного в использовании.
Техническим результатом полезной модели является повышение скорости плазменной струи при снижении газового давления в канале.
Разработанный высокоскоростной импульсный ускоритель углеродной плазмы включает ускорительный канал рельсового типа, верхняя и нижняя стенки которого образованы электродами-рельсами, а разделяющие их боковые стенки выполнены диэлектрическими, импульсный накопитель электрической энергии, питающий ускорительный канал и устройство для поджига разряда внутри канала. Электроды-рельсы выполнены составными, состоящими из графитового плоского стержня - электрода, стальной плоской опоры являющейся токопроводом и двух медных накладок плотно прижатых к боковым граням токоподводов и графитовых стержней, при этом одна сторона графитового стержня является стенкой канала ускорителя, а другая по всей длине стержня плотно прижата к стальной плоской опоре - токоподводу.
Канал ускорителя помещен в откачиваемую камеру, заполняемую инертным газом до необходимого давления.
Канал в казенной части заглушен диэлектрической вставкой на глубину в несколько калибров, на торцевую грань которой, обращенную внутрь канала, нанесена полоска графита, электрически соединяющая электроды, подключенные к накопителю электрической цепью с управляемым разрядником - игнитроном.
Надежность установки обеспечивается тем, что электроды-рельсы расположены по всей длине на стальных опорных токоподводах, а надежный электрический контакт между токоподводами и электродами обеспечивают две боковые медные накладки плотно прижатые к боковым граням токоподводов и графитовых стержней.
Медные накладки исключают введение в электрическую разрядную цепь дополнительного паразитного активного сопротивления во время ускорения плазмы в канале.
На фиг.1 представлен вид спереди высокоскоростного импульсного ускорителя углеродной плазмы где, 1 - стальная опора - токоподвод; 2 - графитовый стержень - электрод; 5 - канал ускорителя; 6 - медная накладка; 7 - диэлектрическая стенка.
На фиг.2 представлен вид сбоку высокоскоростного импульсного ускорителя углеродной плазмы где, 1 - стальная опора - токоподвод; 2 - графитовый стержень; 3 - диэлектрическая заглушка (вставка); 4 - графитовая полоска; 5 - канал ускорителя; 6 - медная накладка; 7 - диэлектрическая стенка; 8 - вакуумная камера; 9 - блок электропитания; 10 - игнитронный разрядник;
Работа высокоскоростной импульсный ускоритель углеродной плазмы происходит следующим образом. Камера (8) откачивается и заполняется инертным газом аргоном или гелием до давления в диапазоне 15-200 мм Hg, батарея конденсаторов заряжается до напряжения U=2-5 кВ, и на игнитронный разрядник подается запускающий импульс синхронно с запуском измерительной аппаратуры. Регистрация формирования плазменного сгустка и измерение скорости его движения в канале проводится оптическими методами с использованием ждущего и сверхскоростного фоторегистраторов.
Ускорительный канал (5) квадратного сечения 6×6 мм, длиной 300 мм был заглушен в казенной части канала диэлектрической вставкой (3) на глубину 50 мм. Предварительно на торец вставки, обращенный внутрь канала, была нанесена графитовая полоска (4), обеспечивающая электрический контакт между рельсами. Графитовые стержни (2) сечением 9×9 мм длиной 300 мм изготавливался из графита, опирались по всей длине на стальные токоподводы (1) длиной 350 мм и сечением 9×9 мм, присоединенные к блоку электропитания - батарее конденсаторов (9), собранному по схеме длинной LC линии. Использовались конденсаторы марки К41И-7 (С=100 мкф, U=5 кв). Индуктивностями служили подводящие провода. Блок питания генерировал однократные импульсы с крутым передним фронтом и протяженным плато амплитудой 30-100 кА длительностью до 200 мкс. Медные накладки (6) размером 0.2×16×300 мм обеспечивали надежный контакт между стальными токоподводами (1) и графитовым стержнем.
В таблице 1 представлены результаты нескольких опытов. Результаты свидетельствуют о том, что высокоскоростной импульсный ускоритель обеспечивает повышение скорости плазменной струи при снижении газового давления в канале.
Таблица 1.
Результаты экспериментов по ускорению струи углеродной плазмы
№ опыта
U кВ
Сорт газа, давление мм Hg
V<sub>max</sub> км/с
16
3.2
Не, 15
14.4
18
3.2
Не, 250
5.5
45
4.5
Не, 25.6
13.3
46
4.5
Не, 100
8.9
47
4.5
Не, 250
7.8
52
3.2
Не, 102
8.5
54
3.2
Ar,250
3.4
55
3.2
Ar, 99.7
4.7
56
3.2
Ar, 25
7.2