УСТРОЙСТВО ДЛЯ СИНТЕЗА ФУЛЛЕРЕНОВ И ЭНДОЭДРАЛЬНЫХ ФУЛЛЕРЕНОВ ВО ВРАЩАЮЩЕЙСЯ УГЛЕРОДНО-ГЕЛИЕВОЙ ПЛАЗМЕ

Полезная модель относится к области плазменного синтеза наноматериалов и может быть использована для синтеза углеродных наноструктур.
Известно устройство, где в камере реактора осуществляется разряд между по крайней мере двумя графитовыми электродами, расположенными под углом друг к другу. В камере осуществляется дуговой разряд переменного тока. Внутри камеры подвешен вертикально водоохлаждаемый рукав. Между стенками реактора и рукавом есть зазор для конвективного потока плазмообразующего газа [WO 2014152062, МПК С01В 31/02, С25В 1/00, опубл. 25.09.20014 г.].
Недостатком данного устройства является то, что количество фуллеренов и тем более эндоэдральных фуллеренов, образующихся в углеродном конденсате, составляет малую величину. Это объясняется тем, что в такой геометрии область плазмы с высокой температурой плавно (недостаточно быстро) переходит в область плазмы с низкой температурой. Фуллерены, и, тем более эндоэдральные фуллерены, являясь более напряженными структурами, успевают перейти, в менее напряженные графитовые структуры.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является устройство по патенту [RU 2320536 МПК С01В 31/00, В82В 3/00, опубл. 27.03.2007 г.], описанное в дуговом способе синтеза фуллереновой смеси в плазме при атмосферном давлении в потоке гелия. В камере располагается четное количество горизонтальных одинаковых графитовых электродов, выполненных в виде стержней, и один вертикальный электрод. Питание дуги осуществляется за счет применения источника переменного тока килогерцового диапазона и источника постоянного тока. Не менее 98% испаряющегося графита переходит в фуллеренсодержащую сажу, благодаря предложенной конфигурации, расположению электродов и питанию переменным током.
Недостатком устройства является то, что содержание фуллеренов в углеродном конденсате, низко. Это связано с тем, что температура и электронная концентрация, а самое главное их градиенты, только в малом, приповерхностном слое объема занятого плазмой, соответствуют оптимальным значениям сборки молекул фуллеренов.
Техническим результатом полезной модели является повышение содержания в углеродном конденсате фуллеренов на 4-6%.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для получения фуллеренов в углеродно-гелеевой плазме высокочастотной дуги, при атмосферном давлении на переменном токе, включающем камеру с четным числом одинаковых горизонтальных электродов и одним вертикальным электродом, новым является то, что камера является водоохлаждаемой герметичной металлической, а также тем, что устройство дополнительно содержит одновитковую катушку индуктивности, причем оси горизонтальных электродов перпендикулярны ее оси и лежат в ее плоскости, а ось вертикального электрода совпадает с осью этой катушки, при этом цепь согласования одновитковой катушки и цепи согласования разрядов подключены к общему генератору, причем цепь согласования одновитковой катушки состоит из усилителя, трансформатора и конденсатора, а каждая из цепей согласования разрядов включает фазовращатель, усилитель, трансформатор и последовательный колебательный контур, состоящий из конденсатора и катушки индуктивности.
На фиг. 1. представлена электрическая схема устройства.
На фиг. 2. представлено схематическое изображение плазмы разряда.
Электрическая схема устройства представлена на фиг. 1., где 1 - водоохлаждаемая герметичная металлическая камера, 2, 2′, 3, 3′ - горизонтальные одинаковые графитовые электроды, 4 - вертикальный (центральный) графитовый электрод, 5 - генератор исходной частоты ТВЧ, 6 и 6′ - фазовращатель, 7, 7′ и 7″ - усилители мощности, Тр.1, Тр.1′ и Тр.2 - согласующие трансформаторы, 8, 8′ и 8″ - конденсаторы, 9, 9′ - катушки индуктивности, 10 - одновитковая катушка индуктивности.
Схематическое изображение плазмы разряда представлено на фиг. 2., где 2, 2′, 3, 3′ - горизонтальные одинаковые графитовые электроды, 4 - вертикальный (центральный) графитовый электрод, 11 - плазма разряда.
Работает устройство следующим образом:
В водоохлаждаемой герметичной металлической камере 1 между электродами 2, 2′, 3, 3′ и 4 инициируется дуговой разряд путем их смыкания. Сигнал с генератора 5 поступает на усилитель 7, и через фазовращатели 6 и 6′ на усилители 7′ и 7″. Далее усиленный сигнал поступает на согласующие трансформаторы Тр.1, Тр.1′ и Тр.2. Затем напряжение подается на последовательные колебательные контура, состоящие из конденсаторов 8, 8′, 8″ и катушек индуктивности 9, 9′ и 10. Электрод 4 является промежуточным и ни с чем не соединяется.
В установку введена одновитковая катушка индуктивности 10, при этом оси электродов 2, 2′ и 3, 3′ обеспечивающих разряд, перпендикулярны оси катушки и лежат в ее плоскости, а ось электрода 4 совпадает с осью одновитковой катушки и перпендикулярна ее плоскости. Частоты тока в одновитковой катушке и токов разрядов между электродами совпадают, так как они через свои согласующие цепи подключены к общему генератору 5. Фазы токов обеих дуг, с помощью фазовращателей в их цепях согласования, устанавливаются одинаковыми и сдвинутыми на π/2 по отношению к току одновитковой катушки. Таким образом, данная схема (рис. 1) обеспечивает синфазность токов обеих дуг и сдвиг их фазы от фазы тока одновитковой катушки на π/2. В соответствии с законом Ампера , между магнитным полем одновитковой катушки и токами обеих дуг (рис. 1) возникает сила Лоренца, под действием которой оба разряда принимают форму дуги, лежащей в плоскости одновитковой катушки. Для описанных выше фазовых соотношений между токами мы имеем: .
здесь, оси X и Y лежат в плоскости одновитковой катушки и совпадают с осями электродов 3, 2 и 3*, 2* соответственно, а ось Z перпендикулярна плоскости одновитковой катушки. Таким образом, сила Лоренца, действующая на дугу между электродами 3 и 2, , а между электродами 3*, 2*, .
Т.е. полпериода разряд между электродами 2 и 3 имеет форму дуги смещенной в сторону электрода 2′ а полпериода в сторону электрода 3′ а разряд между 2′ и 3′ также полпериода имеет форму дуги смещенной в сторону 2. а полпериода в сторону электрода 3. Так как в промежутке между одной парой электродов находится другая пара электродов, то ток дуги между электродами 3-2 протекает уже по контуру 3-2′-2, в течение одного полупериода и 3-3′-2, в течении другого полупериода. Ток дуги, между электродами 3′-2′ протекает по контуру 3′-3-2′ в течение одного полупериода и 3′-2-2′ в течение другого полупериода. Таким образом, за счет силового воздействия магнитного поля на токи в разрядах и за счет привязки обоих разрядов ко всем четырем электродам, возникает плазменное кольцо, фиг. 2. В отличие от плазменного цилиндра поверхность плазменного кольца существенно больше, за счет чего и достигается увеличение производительности получения фуллеренов в представленной полезной модели.