Генератор низкотемпературной плазмы

Полезная модель относится к электронной промышленности и может быть использована для создания устройств для генерации низкотемпературной неравновесной плазмы при атмосферном давлении, в частности для применения в плазмохимических источниках, активирующих газовую среду с возможностью обработки поверхности различных, в том числе, термонеустойчивых материалов.
Известно устройство для генерации плазмы [RU 2285348, С2, Н05Н 1/00, Н05Н 1/24, 10.10.2006], содержащее сопло со вставленным заостренным на конце стержневым электродом, соединенное с источником плазмообразующего вещества, и выходной электрод со сквозным каналом для создания электрического поля со стороны выходного канала сопла, при этом, конец стержневого электрода выступает за пределы сопла на расстояние, превышающее два диаметра отверстия выходного канала сопла, а расстояние между выходным отверстием сопла и выходным электродом составляет от трех до пяти диаметров отверстия канала сопла.
Недостатком устройства является его относительно высокая сложность, поскольку оно может быть использовано только в комбинации с устройством, обеспечивающим проток рабочего газа.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство [RU 167545, U1, Н05Н 1/24, 10.01.2017], содержащее высоковольтный трансформатор с разрядным электродом во вторичной цепи, размещенным в ионизационной камере, ко входу которой подключены генератор питания первичной цепи высоковольтного трансформатора и устройство формирования газовой смеси, сопло на выходе ионизационной камеры, блок управления напряжением, подключенный к первичной низковольтной цепи высоковольтного трансформатора, компрессор, подключенный ко входу устройства формирования газовой смеси, содержащее элементы регулировки состава газовой смеси, при этом, в зоне выхода сопла установлены устройства магнитного и электрического воздействия, а разрядный электрод выполнен остроконечным.
Особенностью наиболее близкого технического решения является то, что, высоковольтный трансформатор выполнен в виде пьезотрансформатора, устройство формирования газовой смеси содержит источник газовой смеси, выходом подсоединенный к газовому смесителю, второй вход которого через дроссель подключен к выходу компрессора, а выход газового смесителя подсоединен к ионизационной камере, оконечность разрядного электрода снабжена иглами в виде щетки, а оконечность разрядного электрода выполнена в виде воронки.
Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно высокая сложность настройки рабочего режима и относительно высокая сложность конструкции, поскольку оно может быть использовано только в комбинации с устройством, обеспечивающим проток рабочего газа, а также относительно большие габаритные размеры.
Задачей, которая решается в полезной модели, является создание генератора, характеризующегося более простой настройкой рабочего режима, более простой конструкцией и имеющего меньшие габаритные размеры. С возможностью работы как в протоке рабочего газа, так и в режиме без протока газа.
Требуемый технический результат заключается в упрощении настройки рабочего режима, упрощении конструкции и в уменьшении его габаритных размеров, а также в возможности работы без протока рабочего газа.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в генератор низкотемпературной плазмы, выполненный в виде закрепленной в жестком корпусе диэлектрической трубки, образующей ионизационную камеру, внутри которой установлен пьезотрансформатор, выполненный с возможностью подачи на его входной конец низковольтного переменного напряжения, преобразуемого в высоковольтное напряжения на выходном конце пьезотрансформатора, согласно полезной модели, введен колпачок из диэлектрика, плотно облегающий выходной конец пьезотрансформатора.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, входной конец диэлектрической трубки оснащен средствами прокачки рабочего газа от входного конца до выходного конца диэлектрической трубки, причем, выходной конец диэлектрической трубки выполнен пластичным и оснащен средствами изменения его формы.
На чертеже представлена функциональная схема генератора низкотемпературной плазмы с генератором низковольтного переменного напряжения и средствами изменения формы выходного конца диэлектрической трубки.
На чертеже обозначены:
1 - пьезотрансформатор;
2 - разрядный электрод;
3 - ионизационная камера;
4 - диэлектрическая трубка;
5 - жесткий корпус;
6 - генератор низковольтного переменного напряжения
7 - выходной конец диэлектрической трубки;
8 - средства изменения формы выходного конца диэлектрической трубки;
9 - колпачок из диэлектрика;
10 - диэлектрик.
Генератор низкотемпературной плазмы выполнен в виде закрепленной в жестком корпусе 5 диэлектрической трубки 4, образующей ионизационную камеру 3, внутри которой установлен пьезотрансформатор 1, выполненный с возможностью подачи на его входной конец низковольтного переменного напряжения, например, от генератора 6 низковольтного переменного напряжения, преобразуемого в высоковольтное напряжения на разрядном электроде 2, выполненном на выходном конце пьезотрансформатора 1.
Кроме того, генератор низкотемпературной плазмы содержит колпачок 9 из диэлектрика, плотно облегающий выходной конец пьезотрансформатора 1, что позволяет изменять толщину слоя диэлектрика 10, который позволяет работать в режиме барьерного разряда с созданием неравновесной воздушной плазмы на близком расстоянии от внешнего слоя диэлектрика, например, 1-3 мм.
В генераторе низкотемпературной плазмы входной конец диэлектрической трубки 4 может быть оснащен средствами прокачки рабочего газа (на чертеже не показаны) от входного конца до выходного конца диэлектрической трубки 4, а выходной конец диэлектрической трубки 4 может быть выполнен пластичным и оснащен средствами 8 изменения его формы.
Работает генератор низкотемпературной плазмы следующим образом.
Генератор предназначен для создания устройства для генерации низкотемпературной неравновесной плазмы при атмосферном давлении и может быть использован для создания плазмохимических источников, активирующих газовую среду с возможностью обработки поверхности различных материалов.
Неравновесная плазма образуется в разряде (тлеющем, дуговом, радиочастотном, барьерном и т.д.) и выбрасывается через узкое сопло (круглое или щелевое по сечению) за счет создания в зоне разряда избыточного давления, превышающего атмосферное.
Возбуждение тлеющим, коронным или барьерным разрядом создает плазму со средней температурой газа от 20 до 60°С и плотностью заряженных частиц, типичной для слабоионизованных газов и концентрацией активных частиц до 100 ppm. Для получения плазмы применяют импульсы напряжения положительной и отрицательной полярности, длительностью порядка 0.1-1μs, амплитудой до 5 kV, частотой следования десятки kHz. Неравновесная плазма со средней температурой, близкой к комнатной, образуется при атмосферном давлении без прокачки рабочего газа с помощью барьерного поверхностного разряда при работе с колпачком 9 из диэлектрика. Плазма возникает за счет барьерного разряда у поверхности диэлектрика 10. Обработка происходит при приближении колпачка на расстояние 1-2 мм к обрабатываемой поверхности.
Возможно использование генератора с использованием пьезоразряда в случае прокачки рабочего газа при использовании средств прокачки рабочего газа от входного до выходного конца диэлектрической трубки со скоростями прокачки газов от единиц до десятков 1/min.
Средства 8 могут быть использованы для изменения формы выходного конца диэлектрической трубки 4 (формы выходного сопла генератора). Входной конец диэлектрической трубки 4 может быть оснащен средствами прокачки рабочего газа от входного до выходного конца диэлектрической трубки. При этом возможна обработка поверхности изделия как тонкой струей низкотемпературной плазмы в атмосфере аргона или гелия, так и использование барьерно-поверхностного разряда в воздухе без прокачки рабочего газа.
Таким образом, благодаря введенным усовершенствованиям достигается требуемый технический результат, заключающийся в упрощении настройки рабочего режима (путем использования колпачка) и упрощении конструкции и в уменьшении габаритных размеров (за счет отсутствия средств прокачки рабочего газа). Причем, предложенная конструкция позволяет, в случае необходимости, использовать генератор и в режиме прокачки рабочего газа.