СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ОБЪЕМНОЙ ПЛАЗМЫ
METHOD OF GENERATING THREE-DIMENSIONAL PLASMA

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано в плазмохимии, в порошковой металлургии, в энергетике, а также найти применение в других областях техники.
е
14
-3
Известен способ генерации плазмы высокой плотности, с концентрацией электронов более n>10 см, с помощью дугового разряда (Райзер Ю.П. Физика газового разряда. - М.: Наука, 1987, стр.439).
Недостатком этого способа является невозможность генерации плотного плазменного образования даже сантиметрового размера, поскольку плазма формируется в виде характерного узкого токопроводящего канала с диаметром не превышающим нескольких миллиметров. Увеличение тока дуги не позволяет заметно увеличить диаметр канала вследствие его сжатия, обусловленного пинч-эффектом.
е
е
14
-3
-7
3
-1
6
Использование поперечного магнитного поля с целью увеличения плазменного объема путем перемещения токопроводящего канала также не может устранить этот недостаток. Во-первых, канал движется как единое целое и проходит сквозь окружающий газ, не ионизируя его, так как ток вне канала отсутствует, а газ, обтекающий движущийся канал, не успевает нагреться до температур, достаточных для термоионизации, вследствие низкой теплопроводности газа. Во-вторых, плотная плазма исчезает вследствие рекомбинации быстрее, чем канал перемещается. Время рекомбинации t≈1/βn и для плотной плазмы с n≥10 см и β=10 см·с (β - коэффициент рекомбинации) не превосходит 1 мкс (Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука. 1987, стр.131). Это означает, что для формирования плазменного образования хотя бы сантиметрового размера скорость перемещения канала должна превышать 10 см/с, что нереально.
е
11
-3
Известен способ генерации плазменного образования больших размеров ≈10 см с концентрацией электронов n<10 см с помощью СВЧ поля, содержащийся в описании конструкции реактора по патенту US №5501740. Согласно этому способу формируют сходящуюся СВЧ волну, под действием которой в центре реактора возбуждается СВЧ разряд. При давлении газа, меньшем 100 тор, диаметр разряда составляет 60-80 мм, но при повышении давления газа диаметр разряда уменьшается и при атмосферном давлении составляет величину порядка скин-слоя, т.е. несколько миллиметров. Чем выше степень ионизации (и плотнее плазма), тем меньше скин-слой и меньше диаметр плазмы.
Недостатком такого способа является невозможность генерации плотной плазмы больших размеров вследствие экранировки плазмой СВЧ поля.
Вследствие указанных недостатков область применения приведенных аналогов ограничена. Технологический процесс, протекающий в плотной плазме большего объема, при прочих равных условиях будет иметь более высокую производительность (кг/час), поскольку скорость процесса пропорциональна числу электронов (равному произведению концентрации заряженных частиц на занимаемый ими объем), которые постоянно активируют плазму.
15
Ближайшим прототипом предлагаемого способа является способ генерации объемной плазмы, включающий приложение напряжения к электродам в газе и возбуждение разряда (Велихов Е.П., Ковалев А.С., Рахимов А.Т. Физические явления в газоразрядной плазме. - М.: Наука, 1987, стр.53). Плазменное образование формируют посредством искрового импульсного разряда в газе путем прикладывания высокого импульсного напряжения выше пробойного к аноду и катоду, имеющему множество микроострий. Генерируемая при этом плазма имеет высокую концентрацию (до 10
-3
см и занимает объем, зависящий от числа микроострий на катоде.
Недостатком этого способа является кратковременность режима существования плазменного образования (менее 1 мс). При этом следующий импульс высокого напряжения может быть подан только после деионизации междуэлектродного пространства. Это делает способ неэффективным для практического применения.
Между тем из практических и экономических соображений желательно, чтобы технологический процесс протекал непрерывно и при атмосферном давлении, так как это проще и требует меньших затрат.
Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в повышении производительности устройств, использующих плотную объемную плазму.
Техническим результатом предложенного способа является получение стационарной плотной объемной плазмы при высоком давлении (≥100 тор).
Используемые термины.
е
12
-3
Плотная плазма - плазма с концентрацией электронов n≥10 см.
Объемная плазма - плазма с поперечным размером около 10 см.
«След» канала дуги - нагретый газ, остающийся за каналом при его перемещении в магнитном поле.
Сущность изобретения заключается в том, что в способе генерации объемной плазмы, включающем приложение напряжения к электродам в газе и возбуждение разряда, зажигают дуговой разряд, формируют плазменный дуговой канал, перемещают канал в пространстве с помощью магнитного поля и возбуждают в его «следе» объемную СВЧ плазму путем подведения электромагнитной волны к каналу, при этом соотношения мощностей СВЧ и дугового разряда, параметры магнитного поля выбирают в зависимости от требуемых плотности и размеров плазменного образования.
Изобретение иллюстрируется схемами двух вариантов. На фиг.1 в продольном сечении схематично показана реализация способа на примере известного случая получения вращающейся под действием магнитного поля дуги в коаксиальной системе анода и катода. На фиг.2 - то же в поперечном сечении. На фиг.3 приведена схема движения плазменного образования в магнитном поле. На фиг.4 схематически показан вариант осуществления способа при движении дугового канала между двумя параллельными электродами.
Способ осуществляется следующим образом. К электродам - катоду 1, например, выполненному из графита, и аноду 2, например, выполненному из меди и охлаждаемому водой, прикладывают напряжение от источника питания и зажигают в потоке газа между электродами дуговой разряд. Регулируя параметры источника питания, формируют плазменный токопроводящий дуговой канал 3 и создают магнитное поле в области его существования. Стрелка 4 показывает направление магнитного поля.
От СВЧ источника (не показан) к каналу 3 по СВЧ тракту 5 (например, по волноводу) подводят электромагнитную волну 6. Стрелкой 7 показано направление движения канала 3. Магнитное поле, взаимодействуя с током канала, перемещает его, оставляя за каналом нагретый газ в «следе» 8, (фиг.2, 3). Коэффициент теплопроводности газа в «следе» за каналом на два-три порядка больше, чем перед ним, поэтому при определенной скорости перемещения канала дополнительный нагрев «следа» продолжается и после прохождения дугового канала 3. СВЧ волна «привязывается» к каналу 3 дуги вследствие его повышенной электропроводности как к проводнику и распространяется по всей его длине от анода 2 до катода 1. По существу в данном случае дуговой канал 3 представляет собой антенну, излучающую СВЧ волну в пространство между анодом 2 и катодом 1 вокруг канала 3.
В варианте реализации способа, представленном на фиг.4, и катод 1 и анод 2 являются центральными проводниками коаксиальных волноводов (произвольного поперечного сечения) со щелями 9 во внешних проводниках 10 этих волноводов. Как и в предыдущем варианте дуговой канал 3 образуют между катодом 1 и анодом 2 и перемещают канал 3 в пространстве.
Возбуждают в «следе» 8 канала 3 СВЧ разряд путем подведения электромагнитной волны по волноводам 5.
Завихрения газа, возникающие на тыльной стороне плазменного канала 3, выносят в «след» 8 нагретый газ, электропроводность которого достаточна для поглощения СВЧ энергии электромагнитной волны, привязанной к каналу 3 дуги. Поскольку требуемая для СВЧ разряда температура газа существенно ниже, чем для термоионизации, температура газа в следе 8 оказывается достаточной для возбуждения СВЧ разряда. При этом в нагретом дугой газе «следа» степень ионизации достигается существенно более высокая, чем в самостоятельном СВЧ разряде в отсутствие дугового разряда.
2
1
2
1
Соотношение мощностей дугового и СВЧ разрядов, а также параметры магнитного поля, определяющего скорость и направления движения канала 3, выбирают в зависимости от требуемых плотности и размеров плазменного образования. Для эффективной ионизации при давлениях выше атмосферного требуется нагреть газ до относительно более высоких температур, в частности, при работе с газами, обладающими высокой теплопроводностью, например, водородом, мощность дугового разряда должна превышать мощность СВЧ разряда, чтобы компенсировать отток тепла от плазменного образования и обеспечить высокую температуру газа. Для возбуждения СВЧ разряда в «следе» дугового необходимо, чтобы степень ионизации газа (эквивалентные параметры - электропроводность и температура) была достаточной для захвата СВЧ волны. Известно (см., например, Райзер Ю.П. Физика газового разряда. Наука, 1987. стр.466,), что соответствующее значение температуры для воздуха составляет величину не менее 4000°С, для водорода - не менее 6000°С. Возбуждение СВЧ разряда позволяет повысить температуру и степень ионизации газа, при этом для увеличения, например, температуры воздуха на 1000°С (на четверть от температуры в следе дуги), что вполне достаточно для достижения высокой плотности плазмы, необходимо в соответствии с известным соотношением для прироста температуры Т-T и подводимой энергии Q=C(T-T) (С - теплоемкость) (Б.М.Яворский, А.А.Детлаф, Справочник по физике, Физматгиз, М., 1963, с.145) подвести СВЧ мощность, также составляющую четверть мощности дуги. Для других газов это соотношение может оказаться несколько больше или меньше, но в любом случае для получения плотной и объемной плазмы мощность дуги и СВЧ мощность должны быть соизмеримы, т.е. отличаться не более чем на порядок.
Практически минимально необходимый уровень СВЧ мощности определяется по началу ее поглощения, на что указывает, как это обычно принято в СВЧ технике, уменьшение отраженной от устройства СВЧ мощности, а уровень максимальной подводимой СВЧ мощности - по увеличению отраженной СВЧ мощности (что связано с достижением плотностью электронов максимально возможного значения)
Для повышения эффективности ионизации СВЧ мощность подводят в импульсном режиме. Несмотря на то, что средняя СВЧ мощность остается постоянной, средняя энергия электрона увеличивается и ионизация возрастает вследствие экспоненциальной зависимости частоты ионизации от мгновенного значения энергии электрона.
Таким образом, изобретение существенно расширяет возможности способов генерации плазмы, позволяя получать плотную (по крайней мере, на порядок больше, чем при СВЧ ионизации), объемную (по крайней мере, на порядок толще канала дуги) плазму, существующую длительное время и при высоком давлении, включая атмосферное. Это позволит повысить производительность устройств, реализующих предложенный способ.