СВЧ-плазмотрон

Полезная модель относится к плазменной технике, в частности к устройствам для генерирования плазмы с использованием внешних электромагнитных полей сверхвысокой частоты и может быть использована в качестве простого и надежного источника чистого безэлектродного СВЧ-разряда атмосферного давления для проведения плазмохимических и тепловых технологических процессов большой продолжительности.
Известен «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.
Патент РФ на изобретение №2274963, МПК: Н05Н 7/00, д. публ. 20.04.2006
Известно «Устройство СВЧ плазменной обработки», содержащее волноводный тракт, огибающий боковую стенку реакционной камеры, через центр широкой стенки волноводного тракта, перпендикулярно к камере проходят несколько разрядных трубок, а в местах их входа и выхода в волноводный тракт накладывается магнитное поле для создания условий электронного циклотронного резонанса, отличающееся тем, что волноводные тракты, выполненные кольцевыми, расположены на стенке реакционной камеры ярусами со смещением разрядных трубок в ярусах друг относительно друга, а также дополнительно введен электрод, через который вводятся газы.
Патент РФ на изобретение №2539872; МКИ: Н05L 21/30; публ. 27.01.2015 г.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому в качестве изобретения устройству является СВЧ-плазмотрон, содержащий источник СВЧ-излучения, прямоугольный питающий волновод, работающий на основной волне и два отрезка связанных с ним круглых запредельных волноводов, размещенных соосно снаружи питающего волновода посередине его широких стенок и перпендикулярно к ним. Запредельные волноводы необходимы для предотвращения СВЧ излучения из питающего волновода в отсутствие плазменного разряда. В качестве разрядной камеры используют кварцевую трубку, расположенную аксиально запредельным волноводам и пересекающую прямоугольный волновод так, что в разрядную камеру от СВЧ-генератора осуществляется поперечный по отношению к оси разряда подвод энергии СВЧ, разряд стабилизируется аксиальными или вихревыми струями плазмообразующего газа с помощью газоформирователя, расположенного на одном из концов разрядной камеры. ВЧ- и СВЧ-плазмотроны / С.В. Дресвин, А.А. Бобров, В.М. Лелевкин и др. Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ие, 1992 г. - 319 с. (Низкотемпературная плазма; т. 6, стр.: 182-184, 203, 247, 290, 293)
Критически важным параметром, ограничивающим допустимый уровень подводимой СВЧ мощности и определяющим надежность и долговечность устройства, является внешний диаметр диэлектрической разрядной камеры, который не может превышать величины внутреннего диаметра запредельных волноводов.
К техническому результату относится повышение надежности и долговечности устройства СВЧ-плазмотрона за счет снижения тепловой нагрузки на стенки диэлектрической разрядной камеры путем расположения диэлектрической разрядной камеры в прямоугольном волноводе и выполнения ее в виде двух полуцилидрических частей, что способствует увеличению ее размера и удалению ее от области формирования плазменного разряда, а также снабжение узких стенок прямоугольного волновода, двумя соплами для дополнительного ввода струй газа, обеспечивающих охлаждение диэлектрических стенок разрядной камеры.
10
1
Вышеуказанный технический результат достигается за счет того, что «СВЧ-плазмотрон» содержит источник СВЧ-излучения, полый прямоугольный металлический волновод, в котором распространяется электромагнитная энергия с длиной волны основного типа колебаний Н. С волноводом связаны два отрезка цилиндрического запредельного волновода, расположенные перпендикулярно с двух сторон в центре широких стенок прямоугольного волновода. Устройство содержит также диэлектрическую разрядную камеру, газоформирователь, с двумя соплами, выполненный в торце одной из частей запредельного волновода и обеспечивающий вихревой ввод потока плазмообразующего газа в разрядную камеру. Диэлектрическая разрядная камера размещена в прямоугольном волноводе и выполнена в виде двух частей, расположенных по горизонтальной оси прямоугольного волновода. Наружная поверхность каждой части диэлектрической разрядной камеры ограничена двумя симметрично расположенными от центральной оси разрядной камеры полуцилидрическими поверхностями и прямоугольными поверхностями, также расположенными друг против друга и образованными двумя частями узких стенок волновода, которые срезают цилиндрическую поверхность разрядной камеры по двум хордам. При этом наружный диаметр каждой полу цилиндрической части d разрядной камеры равен внутреннему размеру широкой стенки волновода в, а расстояние L между хордами каждой из двух полуцилидрических частей разрядной камеры, равно внутреннему размеру а узкой стенки прямоугольного волновода. Кроме того на наружной поверхности узких стенок прямоугольного волновода, на границе среза цилиндрической поверхности разрядной камеры по двум хордам, а именно в местах контакта узких стенок с расположенной внутри волновода разрядной камерой, выполнены симметрично расположенные друг против друга два сопла для дополнительного ввода струй газа, обеспечивающих охлаждение диэлектрических стенок разрядной камеры.
СВЧ-плазмотрон поясняется чертежом-схемой на фиг. 1 и 2
Фиг. 1 - СВЧ-плазмотрон (схема общего вида - продольный разрез в вертикальной плоскости);
Фиг. 2 - СВЧ-плазмотрон (схема поперечного разреза в вертикальной плоскости прямоугольного волновода с расположенной в нем разрядной камерой).
10
1
СВЧ-плазмотрон согласно фиг. 1 и 2 содержит полый прямоугольный металлический волновод 1, по которому от источника СВЧ-излучения распространяется электромагнитная волна основного типа колебаний Н; два отрезка запредельного цилиндрического волновода 2, расположенные перпендикулярно с двух сторон в центре широких стенок прямоугольного волновода 1. Устройство содержит также диэлектрическую разрядную камеру 3 и газоформирователь 4, с двумя соплами, выполненный в торце одной из частей запредельного волновода и обеспечивающий вихревой ввод потока плазмообразующего газа в разрядную камеру 3. Диэлектрическая разрядная камера 3 размещена полностью в полом прямоугольном волноводе 1 и выполнена в виде двух частей, расположенных по горизонтальной оси прямоугольного волновода 1. Наружная поверхность каждой части диэлектрической разрядной камеры 3 ограничена двумя симметрично расположенными от центральной оси разрядной камеры полуцилидрическими поверхностями и прямоугольными поверхностями, также расположенными друг против друга и образованными двумя частями узких стенок волновода, которые срезают цилиндрическую поверхность разрядной камеры по двум хордам. При этом наружный диаметр каждой полу цилиндрической части d разрядной камеры 3 равен внутреннему размеру широкой стенки волновода 1в, а расстояние L между хордами каждой из двух полуцилидрических частей разрядной камеры 3, равно внутреннему размеру а узкой стенки прямоугольного волновода 1.
Устройство работает следующим образом: при включении СВЧ-плазматрона микроволновый разряд 5 возникает внутри разрядной камеры 3 и стабилизируется вдоль оси запредельных волноводов 2 вихревыми или аксиальными струями плазмообразующего газа от газоформирователя 4. Кроме того, на наружной поверхности узких стенок прямоугольного волновода 1, на границе среза цилиндрической поверхности разрядной камеры 3 по двум хордам, а именно в местах контакта узких стенок с расположенной внутри волновода 1 разрядной камерой 3, выполнены еще два симметрично расположенных друг против друга сопла 6, служащие для дополнительного ввода струй газа, обеспечивающих охлаждение диэлектрических стенок разрядной камеры 1.
Предлагаемый в качестве полезной модели СВЧ-плазмотрон позволяет добиться повышения надежности и долговечности устройства СВЧ-плазмотрона за счет расположения ее в прямоугольном волноводе, что способствует возможности увеличить внешний диаметр диэлектрической разрядной камеры, ограничивающий допустимый уровень подводимой СВЧ мощности и удалить ее от области плазменного разряда. Кроме того появляется возможность конструктивно простого введения дополнительных газовых струй в непосредственной близости к области плазменного разряда, в том числе с целью дополнительного охлаждения диэлектрических стенок разрядной камеры.
Предложенный в качестве полезной модели СВЧ-плазмотрон позволяет обеспечить получение и поддержание чистого безэлектродного СВЧ-разряда атмосферного давления для проведения плазмохимических и тепловых технологических процессов большой продолжительности.