СВЧ-плазмотрон с двусторонним вводом энергии электромагнитного поля в поток газа

Полезная модель относится к СВЧ-электротехнологическим установкам для формирования «холодной плазмы» в потоке инертного газа при атмосферном давлении.
Известен СВЧ-плазмотрон (Патент РФ №2328095 от 23.06.2006, МПК: Н05Н 1/24, опубликовано 27.06.2008),содержащий магнетрон и цилиндрический резонатор с отверстиями в его торцевых стенках, в одно из которых вставлена антенна магнетрона, а второе снабжено соплом и является выводным для плазменного факела. В средней части полости резонатора установлены две перегородки, изготовленные из диэлектрического материала, причем одна из них - газонепроницаемая, а в центре другой выполнено отверстие. В полость между торцевой стенкой резонатора и газонепроницаемой перегородкой введена антенна магнетрона, а сама полость заполнена электроизолирующим газом высокого давления. Две другие полости подсоединены к системе подачи плазмообразующего газа, причем в полость между второй торцевой стенкой резонатора и перегородкой с отверстием плазмообразующий газ подается тангенциально к образующей окружности резонатора. За счет установки в разрядной камере резонатора дополнительной перегородки с центральным отверстием, обеспечивающей возможность подачи плазмообразующего газа двумя независимыми потоками, повышаются стабильность и устойчивость плазменного факела, надежность и к.п.д. плазмотрона.
Недостатками данной конструкции являются:
- целостность конструкции, отсутствует возможность сопряжения с измерительным и вспомогательным оборудованием;
- применение разнородных газов, что приводит к увеличению габаритных размеров и удорожанию установки.
Наиболее близким аналогом источника электропитания магнетрона к предлагаемой в качестве полезной модели является «Микроволновый генератор» (Патент РФ №2480890 от 09.12.2011, МПК: Н03В 1/02, опубликовано 27.04.2013), содержащий магнетрон, три повышающих трансформатора, три высоковольтных конденсатора и шесть высоковольтных диодов. Последние объединены в две группы по три диода, причем первичные обмотки всех трех трансформаторов подключены к трехфазной сети переменного тока. При этом односторонне расположенные выводы вторичных обмоток всех трех трансформаторов соединены «звездой», общая точка которой подключена на «землю». В свою очередь, противоположно расположенные выводы вторичных обмоток всех трех трансформаторов через высоковольтные конденсаторы последовательно подключены к анодам высоковольтных диодов первой группы и к катодам высоковольтных диодов второй группы. Катоды первой группы высоковольтных диодов соединены с «общей точкой», подключенной на «землю», а аноды второй группы высоковольтных диодов соединены с катодом магнетрона.
Недостатками данной конструкции являются:
- тепловые проблемы связанные с перегревом СВЧ-генератора из-за непрерывного режима работы;
- массогабаритные параметры устройства.
Задачей полезной модели является повышение устойчивости СВЧ-плазменного разряда в потоке инертного газа путем применения типовых конструктивных решений на основе серийно выпускаемых генераторов и их источников электропитания.
Техническим результатом является возможность применения плазмы атмосферного давления для решения прикладных задач, без использования громоздких вакуумных устройств, применение дискретной регулировки СВЧ-мощности подводимой к плазменному разряду, применение в конструкции СВЧ-плазмотрона вспомогательных волноводных трактов для измерения, отведения и поглощения СВЧ-энергии электромагнитного поля.
Это достигается тем, что, в отличии от известного технического решения, электромагнитная энергия подводится к газу с помощью прямоугольного волновода с поперечным сечением 90×45 мм от двух магнетронов, включенных в сеть противофазно. Конструкция плазмотрона представляет собой участок трубы прямоугольного сечения, торцы которой замкнуты пластинами выполненных из того же металла, что и сам волновод, для удобства монтажа и исключения различных электродинамических эффектов на границах сопряжения разнородных металлов. Антенны магнетронов располагаются вблизи торцевых стенок волновода на расстоянии от них, равному λ/4, где λ - длина волны, для избежания наложений падающих и отраженных электромагнитных волн внутри волновода. Прямоугольный волновод пересекается разрядной трубкой, к которой подводится плазмообразующий газ и происходят плазмохимические процессы. Разрядная трубка выполнена из СВЧ-прозразных материалов (керамика или кварцевое стекло) с внутренним диаметром 25 мм. Для формирования и поддержания плазменного разряда в конструкции плазмотрона используется серийно выпускаемые генераторы типа магнетрон марки LG модель 2М213 с выходной мощностью сигнала 600 Вт на частоте 2450 МГц. Питание каждого магнетрона осуществляется от вторичного источника электропитания, выполненного по типовой схеме со следующими изменениями. Конструкция источника электропитания состоит из двух параллельно включенных однотактных удвоителей напряжения, при этом первичные обмотки высоковольтных трансформаторов включены встречно параллельно и запитаны от однофазной сети 220 В с частотой тока 50 Гц. Для исключения работы однотактных удвоителей напряжения друг на друга схема дополнилась развязкой, выполненной на диодных столбах. Стабильный подогрев катода магнетрона в дежурном режиме достигается введением в конструкцию источника электропитания генератора накального трансформатора с напряжением на концах вторичной обмотки 3,5 В, в соответствии с требуемыми параметрами, необходимыми для нормального функционирования устройства. Вторичная обмотка накального трансформатора должна иметь изоляцию, выдерживающую высокое напряжение. Поскольку на сегодняшний день большинство СВЧ-электротехнологических установок являются действующими лабораторными макетами, предназначенные для проведения поисковых исследований, разработанный СВЧ-плазмотрон выполнен в виде отдельных составных элементов: источников электропитания магнетронов; элементов ввода СВЧ-энергии электромагнитного поля, состоящих из магнетронов и участков волноводной трубы с одной из накоротко замкнутой торцевой частью; рабочей камерны, которая представляет собой участок волновода с пересекающей его разрядной трубкой. Все волноводные тракты сопрягаются между собой при помощи фланцевых соединений. Модульность конструкции СВЧ-плазмотрона и унификация передающих линий позволяют исследователю оперативно производить работы, связанные с заменой, установкой и добавлением как основного, так и вспомогательного оборудования.
Полезная модель поясняется чертежами: на фиг. 1 приведена структурная схема СВЧ-плазмотрона атмосферного давления; на фиг. 2 изображен общий вид конструкции СВЧ-плазмотрона; на фиг. 3 приведена принципиальная электрическая схема вторичного источника электрпопитания магнетрона.
На чертежах представлен пример СВЧ-плазмотрона атмосферного давления, где:
1 - источник вторичного электропитания магнетрона;
2 - токоведущие провода;
3 - магнетрон;
4 - элемент ввода СВЧ-энергии электромагнитного поля;
5 - фланцевое соединение;
6 - разрядная трубка;
7 - трубка для транспортировки плазмообразующего газа;
8 - элемент ввода СВЧ-энергии электромагнитного поля;
9 - магнетрон;
10 - баллон с инертным газом;
11 - источник вторичного электропитания магнетрона;
12 - рабочая камера;
Т1 и Т2 - высоковольтные трансформаторы;
Т3 - накальный трансформатор;
С1 и С2 - конденсаторы;
VD1-VD4 - диодные столбы.
СВЧ-плазмотрон атмосферного давления состоит из двух встречно направленных элементов ввода СВЧ-энергии электромагнитного поля (4) и (8), образованных в результате соединения магнетронов (3) и (9) с участками волноводов с накоротко замкнутыми стенками. Стенки выполнены из того же металла, что и сам волновод, для удобства монтажа и исключения различных электродинамических эффектов на границах сопряжения разнородных металлов. Магнетроны (3) и (9) устанавливаются на торцах волноводной трубы прямоугольного сечения. Антенны магнетронов (3) и (9) расположены вблизи торцевых стенок волновода на расстоянии от них, равному λ/4, где λ - длина волны, для избежания наложений падающих и отраженных электромагнитных волн внутри волновода (4), (8) и (12). Прямоугольный волновод (12) пересекается разрядной трубкой (6), к которой подведен инертный газ из баллона (10) при помощи патрубка (7) для осуществления плазмохимических процессов. Разрядная трубка (6) выполнена из СВЧ-прозрачных материалов (керамика или кварцевое стекло) с внутренним диаметром 25 мм. Для формирования и поддержания плазменного разряда в конструкции плазмотрона использованы серийно выпускаемые генераторы (3) и (9) типа магнетрон с выходной мощностью сигнала 600 Вт на частоте 2450 МГц. Питание каждого магнетрона (3) и (9) осуществляется от вторичного источника электропитания (1) и (11), выполненного по типовой схеме. Конструкция источника электропитания (1) состоит из двух параллельно включенных однотактных удвоителей напряжения C1, VD1 и С2, VD2, при этом первичные обмотки высоковольтных трансформаторов Т1 и Т2 включены встречно-параллельно и запитаны от однофазной сети 220 В с частотой тока 50 Гц. Для исключения работы однотактных удвоителей напряжения C1, VD1 и С2, VD2 друг на друга схема дополнилась развязкой, выполненной на диодных столбах VD3, VD4. Стабильный подогрев катода магнетрона в дежурном режиме достигается введением в конструкцию источника электропитания генератора накального трансформатора ТЗ. Питающее напряжение магнетронов (3) и (9) подведено от источников вторичного электропитания (1), (11) с помощью токоведущих проводов (2). СВЧ-плазмотрон выполнен в виде отдельных составных элементов: источников электропитания магнетронов (1), (11); элементов ввода СВЧ-энергии электромагнитного поля (4), (8), состоящих из магнетронов и участков волноводной трубы с одной из накоротко замкнутой торцевой частью; рабочей камерны (12), которая представляет собой участок волновода с пересекающей его разрядной трубкой (6). Все волноводные тракты сопряжены между собой при помощи фланцевых соединений (5).
Устройство работает следующим образом. Источники вторичного электропитания (1) и (11) включают противофазно, каждый из которых питают переменным напряжением 220 В с частотой тока 50 Гц. При этом каждую группу первичных обмоток трансформаторов T1, Т2 и Т3 соединяют встречно-параллельно. Участки цепи вторичных обмоток трансформаторов Т1 и Т2, состоящие из групп конденсаторов и диодных столбов C1, VD1 и С2, VD2, образуют двухтактный преобразователь импульсов, с частотой пульсаций 100 Гц. Диодные столбы VD3 и VD4 образуют развязку анодного напряжения, тем самым исключая работу однотактных удвоителей C1, VD1 и С2, VD2 друг на друга. Избежание перенапряжений на вторичных обмотках трансформаторов Т1 и Т2 в момент включения происходит за счет применения накального трансформатора Т3, работающего в дежурном режиме. Питающее напряжение вторичных источников электропитания (1) и (11) имеют сдвиг фаз 120. Тем самым ввод энергии электромагнитного поля, подводимой к рабочей камере (12) от магнетронов (3) и (9), является почти непрерывным, поскольку магнетроны (3) и (9) расположены встречно. Ввод СВЧ-энергии в рабочую камеру (12) от магнетронов (3) и (9) осуществляют с помощью элементов ввода (4) и (8). При подобном расположении элементов ввода (4) и (8) энергия, излучаемая каждым отдельным магнетроном (3) и (9), частично поглощается локализованным СВЧ-разрядом, сформированным в разрядной трубке (6). Электромагнитная волна отражается от выключенного в это время второго магнетрона, снова затухает в газовом разряде и возвращается в работающий магнетрон. В ходе поочередного включения магнетронов (3) и (9) в рабочей камере (12) наблюдают режим стоячей волны. За счет электрической составляющей электромагнитного поля происходит пробой рабочего газа в разрядной трубке (6), к которой подводится инертный газ из баллона (10) по патрубку (7). Сопряжение рабочей камеры (12) и устройств ввода СВЧ-энергии (4) и (8) осуществляют с помощью фланцевых соединений (5). Дальнейший процесс поддержания СВЧ-разряда внутри разрядной трубки (6) возможен и при меньших мощностях магнетронов (3) и (9). Устойчивость СВЧ-разряда сохраняется при отключении одного из двух высоковольтных трансформаторов в каждом источнике электропитания (1)и(11).