ПРИСПОСОБЛЕНИЕ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СОЕДИНЕНИЙ НЕРАСТВОРИМЫХ ДРУГ В ДРУГЕ МЕТАЛЛОВ

Область техники, к которой относится полезная модель
Данная полезная модель относится к технике соединения металлов с помощью плазмы.
Уровень техники
Известно использование плазмы для резки и сварки металлов.
6
В частности, в патенте РФ 2343651 (опубл. 10.01.2009) представлен импульсно-периодический плазмотрон, формирующий так называемый Z-пинч, создающий высокоинтенсивные плазменные потоки для модификации свойств поверхности материалов и покрытий. Однако этот плазмотрон имеет скорость истечения потока 10 см/с, что во многих применениях недостаточно.
Известно устройство для осуществления Z-пинча на основе скользящего разряда (патент РФ 2168290, опубл. 27.05.2001). В этом устройстве рабочие электроды разделены секционированным изолятором, на обратной стороне каждой из секций которого проходит обратный токопровод, что значительно усложняет конструкцию.
Наиболее близкий аналог данной полезной модели описан в патенте РФ 2313430 (опубл. 27.12.2007) и представляет собой приспособление для получения соединений нерастворимых друг в друге металлов, содержащее предназначенные для формирования кумулятивного потока плазмы при подаче высоковольтных импульсов анод и изолированный от него и коаксиально окружающий его катод, размещенные внутри разделительного экрана, находящегося в разрядной камере. Данное приспособление позволяет сваривать нерастворимые один в другом металлы, например медь и вольфрам, однако оно имеет усложненную конструкцию: на медную пластинку, плотно прижатую к пластинке вольфрама, нанесена сетка из небольших углублений для лучшего сцепления в результате воздействия высокотемпературной импульсной плазмы. При этом обе пластинки расположены на специальном удлинителе катода, который скругляется от вершины катода к центральной оси выше анода, имеющего на своей вершине тугоплавкую вставку из вольфрама.
Раскрытие полезной модели
Задачей, которую решает настоящая полезная модель, является упрощение конструкции.
Для решения указанной задачи и достижения упомянутого технического результата в настоящей полезной модели предложено приспособление для получения соединений нерастворимых друг в друге металлов, содержащее предназначенные для формирования кумулятивного потока плазмы при подаче высоковольтных импульсов анод и изолированный от него и коаксиально окружающий его катод, размещенные внутри разделительного экрана, находящегося в разрядной камере, причем на стороне упомянутого разделительного экрана, ближайшей к рабочему торцу упомянутого анода, выполнено отверстие, соосное с рабочим торцом анода и предназначенное для покрытия с внешней стороны пластиной из одного металла и для покрытия с внутренней стороны пластиной из другого металла, имеющей отверстие, соосное с отверстием в разделительном экране и имеющее меньший размер.
Особенность приспособления по настоящей полезной модели состоит в том, что расстояние от торца анода до пластины с отверстием может составлять от 30 до 100 мм.
Другая особенность приспособления по настоящей полезной модели состоит в том, что анод может быть скруглен на рабочем торце.
Еще одна особенность приспособления по настоящей полезной модели состоит в том, что разрядная камера может быть заполнена рабочим газом до давления в несколько мм рт.ст.
Наконец, еще одна особенность приспособления по настоящей полезной модели состоит в том, что анод и катод могут быть включены в цепь из последовательно соединенных конденсаторной батареи и управляемого разрядника.
Подробное описание полезной модели
Схема предложенной полезной модели условно показана на чертеже.
Приспособление по настоящей полезной модели содержит анод 1 и коаксиально окружающий его катод 2, выполненные из металла с хорошей электропроводимостью, к примеру из меди. Анод 1 может иметь скругленный рабочий торец, а катод 2 имеет примерно такую же высоту (на чертеже), что и анод 1. Анод 1 и катод 2 изолированы друг от друга посредством изолятора 3, выполненного, например, из керамики и имеющего достаточную электрическую прочность и соответствующую толщину, чтобы выдерживать подачу высоковольтных импульсов на анод 1 и катод 2, предназначенные для формирования кумулятивного потока плазмы.
Анод 1 и катод 2 размещены внутри разделительного экрана 4, который может быть выполнен из дюралюминия или иного материала, подходящего для работы в присутствии плазмы.
Разделительный экран 4 находится в разрядной камере 5. На той стороне разделительного экрана 4, которая ближе всего к рабочему торцу анода 1 (на верхней стороне по чертежу), выполнено отверстие 6, соосное с обращенным к этой стороне рабочим торцом анода 1. Отверстие 6 предназначено для покрытия его с внешней стороны разделительного экрана 4 пластиной 7 из одного из соединяемых металлов, например из вольфрама. Отверстие 6 предназначено также для покрытия его с внутренней стороны разделительного экрана 4 пластиной 8 из другого из соединяемых металлов, например из серебра или меди. Нижняя (по чертежу) пластина 8 имеет отверстие 9, соосное с отверстием 6 в разделительном экране и имеющее меньший размер.
Нижняя пластина 8 находится от рабочего торца анода 1 на расстоянии примерно от 30 до 100 мм.
Для повышения эффекта распыления плазмой стенок отверстия 9 (т.е. силы взаимодействия формируемой плазмы со стенками отверстия 9), что и обеспечивает соединение нерастворимых один в другом металлов, внутренность разрядной камеры 5 заполнена рабочим газом, например аргоном, неоном, азотом, до давления в несколько мм рт.ст.
Анод 1 и катод 2 включены в цепь из последовательно соединенных конденсаторной батареи 10 и управляемого разрядника 11, на который может подаваться пусковой импульс. Разумеется, схема подачи импульсов на анод 1 и катод 2 может быть и иной, известной специалистам.
Отметим, что отверстие 9 в нижней пластине 8 выполнено меньшего размера, чем отверстие 6 в разделительном экране 4, для того, чтобы частицы материала этого разделительного экрана 4 не попадали в поток плазмы, проходящий к верхней пластине 7, и не загрязняли его. Края отверстия 9 в пластине 8 могут быть выполнены с конусным расширением в сторону анода 1.
Работа приспособления по настоящей полезной модели происходит следующим образом.
сж
стр
сж
7
Формирование кумулятивного потока плазмы при подаче высоковольтных импульсов на анод 1 и катод 2 подробно описано в упомянутом выше ближайшем аналоге (патент РФ 2313430). После подачи напряжения на анод 1 происходит электрический пробой между анодом 1 и катодом 2 вдоль поверхности цилиндрического изолятора 3, что приводит к образованию токово-плазменной оболочки (ТПО). Под действием пондеромоторных сил эта ТПО сначала отрывается от поверхности изолятора 3 и движется в пространстве между анодом 1 и катодом 2 в направлении рабочего торца анода 1. После выхода на рабочий торец анода 1 ТПО начинает двигаться в радиальном направлении к оси Z (вертикальной по чертежу), при этом ТПО приобретает форму конуса (воронки) с вершиной, направленной от катода 2 к аноду 1. Благодаря конической форме ТПО в процессе ее сжатия на оси Z формируется кумулятивный поток плотной высокотемпературной плазмы. Так как скорость сжатия ТПО на оси имеет величину порядка V ~ 10 см/с, то за счет конусности ТПО скорость струи (потока) может быть найдена в соответствии с формулой V ~ k×V, где: k=1/tgα, 2α - угол при вершине конуса ТПО. Как показывает эксперимент, k может быть равно 2-3.
Сформированный поток плазмы, проходя через отверстие 9 в пластине 8, распыляет ее материал, так что захваченное в поток серебро или медь (в зависимости от материала, из которого изготовлена пластина 8) внедряется в вольфрамовую пластину 7.
В данной полезной модели обеспечены следующие параметры:
энергия конденсаторной батареи: 3,6-4 кДж,
максимальный ток: ≈400 кА,
8
скорость плазменного потока: до 10 см/с,
18
-3
плотность плазмы: до ~10 см,
длительность плазменного импульса: 50-100 нс,
8
9
2
плотность потока энергии на поверхности мишени: ~ 10-10 Вт/см.
Таким образом, в настоящей полезной модели обеспечивается упрощение конструкции: в отличие от ближайшего аналога, катод 2 не доходит до разделительного экрана 4 и не имеет сложной формы, приведенной в ближайшем аналоге.