РАЗРЯДНАЯ КАМЕРА ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ПОЛИДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ В МИКРОННОМ И НАНОРАЗМЕРНОМ ДИАПАЗОНЕ

Полезная модель относится к устройствам для разделения полидисперсных частиц в микронном и наноразмерном диапазоне, применяемых в микро и нанотехнологиях, а более конкретно, к способам управляемой сортировки нанопорошков для создания композитных материалов. Может быть использована для управления качеством наноматериалов.
Известны устройства для разделения порошкообразных частиц, изготовляемых химическими способами «снизу», или механическим способом-дроблением «сверху», разделяющие частицы по размеру, по массе, плотности, типу поверхности. В механических устройствах, например центрифугах, идет разделение за счет различного действия силы инерции, т.е., по массе, и лишь приближенно по размеру, а форма частиц не учитывается явно. В устройствах, где используются ионизационные камеры, происходит зарядка поверхности частиц, которые далее движутся в электромагнитных полях определенных конфигураций. Подобное разделение «по-траекториям» предъявляет высокие требования к устройствам, их вакуумированию, к созданию полей, но не чувствительно к форме частиц.
Для устранения неконтролируемого влияния формы частиц на разделение может быть применено «статическое» разделение частиц, реализуемое в специальной разрядной камере, в которой генерируется пылевая (комплексная) плазма [1-2].
Известно устройство [3] для осуществления способа разделения частиц по плотности, в котором для разделения частиц по плотности, их помещают в электропроводящую суспензию, накладывают магнитное и ортогонально ему электрическое поле, которое направлено параллельно силе земного тяготения. Недостатками указанного устройства является сложность в исполнении сепарационной камеры и загрязнение поверхности частиц используемой суспензией.
Известно устройство [4] анализатора заряженных частиц в методе сепарации заряженных частиц, в котором формируется пучок из заряженных частиц, пролетающих через анализатор, в котором частицы подвергается воздействию осциллирующих электрических полей. Формы полей и их интенсивности должны быть известны до начала сепарации и зависят от типа частиц. Техническим результатом известного способа является разделение частиц по массам. Устройство является наиболее близким по решаемой задаче и принято в качестве прототипа. Общим у известного устройства и заявляемой полезной модели является то, что в них производится зарядка разделяемых частиц, формируется поток заряженных частиц, они содержат электроды для генерации полей различной природы, с помощью которых происходит процесс разделения и селекции.
Недостатком известного прототипа является его техническая сложность, высокая стоимость и трудоемкость; кроме того, конструкция прототипа [4] требует поддержания высокого вакуума, что связано со сложностью в создании пучка заряженных частиц.
Отбор частиц, определяющий их разделение, происходит фактически по времени пролета частиц в камере, где они должны совершить как минимум, одну полную осцилляцию. Для полидисперсных частиц широкого размерного диапазона промежутки времени движения частиц существенно разнятся, в частности, для микронных и наноноразмерных частиц они должны кратно отличаться, что ограничивает время разделения. Касательно произвольной формы частиц, частицы с существенно различной формой, т.е. различной площадью поверхности, а значит электроемкостью, будут испытывать действие электростатической силы, такое же, как и для частиц отличного размера. Все это накладывает ограничение на избирательность селекции.
Техническим результатом заявленной полезной модели является увеличение селективности разделения микрочастиц по размерам, а также повышение точности разделения с учетом формы микрочастиц, которое достигается использованием плазменно-пылевой структуры [1, 2], созданной в плазме тлеющего разряда постоянного тока в инертных газах, в котором известными методами формируются стоячие страты.
Реализация технического результата осуществляется управлением параметрами пылевой плазмы, в зависимости от которых возникают условия концентрации частиц имеющих одинаковые размеры в определенной области пространства разрядной камеры для последующего их сбора.
Указанный технический результат достигается тем, что разрядная камера для разделения полидисперсных частиц в микронном и наноразмерном диапазоне, которая содержит корпус с размещенными в нем вертикально ориентированной вакуумной трубкой цилиндрической формы с оптическими окнами на ее концах и четырьмя боковыми горизонтально расположенными по отношению к вакуумной трубке отростками, размещенными по два в верхней и в нижней частях вакуумной трубки, снабженными электродами, один из которых является катодом и расположен в нижнем отростке, перед катодом установлена разрядная диафрагма, второй электрод, являющийся анодом, расположен в верхнем отростке вакуумной трубки, два других отростка, расположенные в верхней и нижней частях вакуумной трубки, снабжены портами, в верхнем порту расположен бункер с разделяемыми по форме и размерам полидисперсными частицами, а внутри нижнего порта расположен сборник для извлечения разделенных по размерам и форме частиц.
Сущность заявляемой полезной модели иллюстрируется Фиг. 1 и Фиг. 2.
На Фиг. 1 представлена схема разрядной камеры для разделения полидисперсных частиц в микронном и наноразмерном диапазоне.
На Фиг. 2 показаны гистограммы статистических распределений: на Фиг. 2а - исходных частиц и на Фиг. 2b - извлеченных при выбранных условиях.
Заявленная полезная модель содержит корпус разрядной камеры 1, внутри которого размещена вертикально ориентированная вакуумная трубка цилиндрической формы 2 с оптическими окнами на ее концах 3 и 4 и четырьмя боковыми горизонтально расположенными по отношению к вакуумной трубке отростками, размещенными по два в верхней 5-6 и в нижней 7-8 частях вакуумной трубки, снабженными электродами, один из которых является катодом 9 и расположен в нижнем отростке, перед катодом установлена разрядная диафрагма 10, второй электрод, являющийся анодом 11, расположен в верхнем отростке вакуумной трубки 2, два других отростка, расположенные в верхней и нижней частях вакуумной трубки 3, снабжены портами 12-13, в верхнем порту 12 расположен бункер 14 с разделяемыми по форме и размерам полидисперсными частицами, внутри нижнего порта 13 расположен сборник 15 для извлечения разделенных по размерам и форме частиц.
Работа заявляемой полезной модели осуществляется следующим образом (Фиг. 1). В разрядной камере зажигается тлеющий разряд, разделяемые частицы вводятся в вертикальную трубку 2 из контейнера 14, в плазме приобретают отрицательный заряд и удерживаются в поле силы тяжести в областях - пылевых ловушках - где создается электрическое поле достаточной напряженности. Для формирования областей - стоячих страт используется диафрагма 10. Радиальное удержание частиц происходит при балансе силы термофореза и радиальной электрической. При заданных в плазме условиях в пылевых ловушках формируются плазменно-пылевые структуры и частиц с определенными свойствами, частицы в ловушках остаются и левитируют неограниченно долго. Сбор отобранных частиц осуществляется подвижным устройством 15, подводимым под вертикальную трубку с пылевыми ловушками частиц, на поверхность которого частицы принудительно обрушиваются, далее вместе с устройством-сборником, извлекаются из камеры.
Заявленная полезная модель была апробирована в лабораторных условиях Санкт-Петербургского государственного университета в режиме реального времени.
В результате экспериментов было подтверждено достижение указанного технического результата: обеспечение более избирательного разделения полидисперсных частиц, селекции частиц с учетом их размеров и формы.
Как показали результаты апробации, которые представлены примером, заявленная полезная модель позволяет эффективно в разных условиях (в разных газах, при различных электронных температурах) производить избирательную селекцию и осуществлять отбор частиц по размерам и форме.
Пример, показывающий селектирование частиц по размеру, произведенное в условиях: газ неон, давление 0,3 Торр, ток разряда 1,6 мА. Как видно из Фиг. 2, на которой на Фиг. 2a представлена гистограмма распределения исходных частиц по размеру, на Фиг. 2b представлена гистограмма распределения селектированных частиц, характерный размер частиц существенно отличается, в исходном распределении максимум приходится на размер 1 мкм, в то время как в отобранных частицах на 6,5 мкм.
Техническо-экономическая эффективность изобретения состоит в повышении селективности отбора частиц за счет осуществления разделения частиц по размеру и форме, снижении стоимости разделительной установки за счет использования газоразрядного устройства, потребляющего мощность порядка 1 Вт, не содержащего массивных габаритных механических элементов, что позволяет производить тонкую селекцию частиц произвольной формы как в микронном, так и в наноразмерном диапазоне.
Список использованной литературы:
1. Dusty Plasmas: Physics, Chemistry, and Technological Impact in Plasma Processing / Edited by A. Bouchoule. New York: John Wiley & Sons, 1999. 408 p.
2. Vladimirov S.V., Ostrikov K., and Samarian A.A. Physics and Applications of Complex Plasmas. London: Imperial College Press, 2005. 439 p.
3. Солоденко A.A.; Паньшин Α.M.; Евдокимов С.И.; Казимиров М.П.; Солоденко А.Б. // Способ разделения частиц по плотности и устройство для его осуществления // Заявка РФ 2007107772/03, 10.09.2008
4. Makarov А.А.; Giannakopulos Α. // Charged Particle analysers and methods of separating charged particles // Патент Великобритании GB 2470600 A, 01.12.2010.// (Прототип).