УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ПЛАЗМЫ В ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОМ СОСУДЕ

Заявляемое техническое решение относится к области плазменной техники, может быть использовано в электроннолучевой технологии, плазмохимии, а также для стерилизации сосудов. Известно устройство (патент США RE 39657), предназначенное для стерилизации объектов путем их размещения в рабочем объеме, в котором плазма генерируется в газе атмосферного давления путем ионизации электронным пучком. Электронный пучок, создаваемый пушкой с термокатодом, проникает в рабочий объем сквозь тонкую фольгу, закрывающую выводное окно. Недостатком устройства является ограничение средней мощности, затрачиваемой на создание плазмы, обусловленное невозможностью работы в непрерывном режиме из-за перегрева фольги. Кроме того, указанное устройство не позволяет создавать плазму непосредственно внутри диэлектрического сосуда. Проникновение плазмы в сосуд возможно лишь за счет диффузии, в процессе которой плазма распадается. Вывод электронного пучка через фольгу возможен лишь для электронов с энергией более 100 кэВ, что усложняет аппаратуру электропитания и предъявляет повышенные требования к защите персонала от ионизирующего излучения.
Известна система для стерилизации емкостей и бутылок из полиэтилена (патент России 2465918), в которой также используются стерилизующие свойства плазмы, создаваемой электронным пучком, попадающим в рабочий объем через выводное окно, закрытое титановой фольгой. Для предотвращения перегрева фольги используют сканирующий электронный луч. Таким образом, плазма последовательно создается в разных участках рабочего объема, и средний вклад энергии в единицу объема также оказывается ограниченным. Кроме того, плазма при диффузии распадается за счет рекомбинации частиц. Это обстоятельство не позволяет плазме эффективно проникать в стерилизуемую емкость через узкое горлышко.
Известен ускоритель электронов для стерилизации упаковочного материала (патент России 2095296), в котором стерилизация осуществляется самим электронным пучком, выводимым из области ускорения в рабочий объем через окно, перекрытое металлической фольгой, с нанесенным на нее слоем диэлектрика, предотвращающим окисление и разрушение фольги. Этому ускорителю присущи те же недостатки, что и двум описанным выше устройствам.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является генератор плазмы, возбуждаемой электронным пучком (Европейский патент EP 0884760 A2). В этом генераторе плазма создается радиально расходящимися электронными пучками, формируемыми электронным источником, содержащим накаливаемый катод. Рабочий объем поддерживается при давлении ниже атмосферного, что позволяет выводить пучки через эмиссионные окна, не перекрытые фольгой, причем энергия электронов может не превышать 10 кэВ. Плазма, создаваемая электронными пучками, равномерно заполняет рабочий объем, может быть использована для воздействия на открытые поверхности и не пригодна для обработки внутреннего объема диэлектрических сосудов по причине распада плазмы при ее диффузии внутрь сосуда.
Цель заявляемого технического решения состоит в увеличении эффективности использования энергии электронного пучка, затрачиваемой на генерацию плазмы непосредственно внутри диэлектрического сосуда. Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве для генерации плазмы, включающем содержащую диэлектрический сосуд рабочую камеру с размещенным на ее фланце электронным источником, электронный источник не содержит накаливаемых элементов, снабжен фокусирующей системой и расположен соосно с горлышком диэлектрического сосуда. Перед горлышком сосуда соосно расположен заземленный металлический диск с центральным отверстием, диаметр которого меньше диаметра горлышка, и в рабочей камере создано давление 5-20 Па. Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является увеличение эффективности использования энергии электронного пучка, затрачиваемой на генерацию плазмы непосредственно внутри диэлектрического сосуда.
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежом, представленным на Фиг.1. На верхнем фланце рабочей камеры 1, откачиваемой механическим форвакуумным насосом до давления 5-20 Па, установлен плазменный электронный источник 2 на основе разряда с полым катодом. Источник не содержит накаливаемых элементов, и это позволяет использовать его в окислительной атмосфере. В рабочей камере размещен диэлектрический сосуд 3 (стеклянная банка), перед горлышком которого расположен металлический диск 4 с центральным отверстием, диаметр которого меньше диаметра горлышка банки. Отличие от прототипа состоит в наличии дополнительного элемента - заземленного металлического диска 4, расположенного перед горлышком диэлектрического сосуда 3, а также в размещении диэлектрического сосуда таким образом, что его горлышко соосно с электронным источником. Кроме этого, электронный источник не содержит накаливаемых элементов и снабжен фокусирующей системой.
Устройство работает следующим образом. По достижении в рабочей камере давления 5-20 Па включается плазменный электронный источник 2. Сфокусированный электронный пучок 5, формируемый источником 2, проникает в сосуд 3, благодаря соосности источника 2 и горлышка сосуда 3. В результате взаимодействия электронного пучка с газом в диапазоне давлений 5-20 Па внутри сосуда 3 генерируется плазма 6. Поскольку электронный пучок направлен внутрь сосуда, то это означает, что энергия пучка эффективно используется для создания плазмы в сосуде. Проблема накопления заряда внутри сосуда снимается благодаря используемому диапазону давлений, а также благодаря заземленному металлическому диску, расположенному перед горлышком сосуда. Отрицательный заряд, приносимый электронным пучком внутрь сосуда, стекает через плазму на заземленный диск. Диск выполняет также функцию предохранения горлышка сосуда от нагревания рассеянными электронами пучка.
Результаты, представленные в таблице, иллюстрируют положительный эффект, присущий заявляемому техническому решению, а именно, возрастание концентрации плазмы в стеклянном сосуде при использовании заявляемого технического решения в сравнении с прототипом. Причем прототип моделируется электронным источником, расположенным так, что его ось перпендикулярна оси горлышка сосуда. Параметры электронных пучков в обоих случаях одинаковые. Давление 5 Па (воздух).
Таблица.
Концентрация плазмы в стеклянном сосуде.
Ускоряющее Напряжение, кВ
Ток электронного пучка, мА
Концентрация плазмы, см<sup>-3</sup>
Прототип
3
40
2·10<sup>10</sup>
Заявляемое решение
3
40
5·10<sup>8</sup>
Предлагаемая система позволяет создавать плазму в сосуде с минимальным диаметром горлышка, равным 10 мм, а следовательно, может быть использована для стерилизации или инициирования плазмохимических реакций в бутылках.