МИКРОВОЛНОВЫЙ ПЛАЗМОТРОН

Полезная модель относится к устройствам для генерации микроволновых плазменных факелов и может быть использована для различных плазмохимических процессов, процессов плазмохимического нанесения пленок различного состава, в качестве горелки для проведения стеклодувных, кварцедувных и сварочных работ.
Известен микроволновый плазмотрон, содержащий источник микроволнового излучения, систему передачи излучения, коаксиальный тракт транспортировки излучения с внешним и внутренним электродами и узел подачи газа (см. US 4611108 А, 09.09.1986).
Недостатком является то, что в коаксиальной части он имеет внутренний и внешний электроды практически одной длины. Это приводит к тому, что вне факела, образующемся на острие сопла в максимуме электрического поля, поле быстро спадает, и размер факела не превышает 1-2 см в длину и 2-3 мм в диаметре. Микроволновая энергия, не поглотившаяся в факеле, излучается в окружающее пространство. В случае отсутствия факела микроволновое излучение практически полностью излучается в окружающее пространство, что делает его радиационно опасным. Кроме того, микроволновый тракт доставки энергии к выходной коаксиальной части и сам коаксиал имеют много настраивающихся элементов, что усложняет конструкцию.
Известен микроволновый плазмотрон, содержащий источник микроволнового излучения, систему передачи излучения, коаксиальный тракт транспортировки излучения с внешним и внутренним электродами и узел подачи газа (см. US 6734385, 05.11.2004).
Недостатком известного плазмотрона является то, что в качестве одного из элементов передающего микроволновую энергию тракта плазмотрон имеет прямоугольный резонатор. Это увеличивает стоимость, сложность конструкции и усложняет настройку системы.
В основу полезной модели поставлена задача расширение арсенала технических средств.
Техническим результатом предложенного технического решения является существенное понижение уровня микроволнового излучения во внешнюю среду; возможность за счет накопления микроволновой энергии в резонаторах получения большой напряженности электрического поля на сопле, что позволяет работать с широким спектром газов с высоким пробойным напряжением; высокий уровень достижимой температуры факела; большой объем неравновесной плазмы (на два порядка больше, чем в обычных устройствах), в которой могут эффективно протекать плазмохимические реакции; возможность формирования приосевой плазменной струи, оторванной от всех металлических и диэлектрических деталей; простота и дешевизна конструкции, отсутствие настраиваемых элементов, использование широко распространенных дешевых элементов, компактность.
Технический результат достигается тем, что микроволновый плазмотрон содержит источник микроволнового излучения, систему передачи излучения, коаксиальный тракт транспортировки излучения с внешним и внутренним электродами и узел подачи газа, при этом, система передачи излучения выполнена в виде коаксиального тройника, одно из плеч которого является коаксиальным резонатором, причем внутренний электрод выведен в коаксиальный тракт, выполняя функции газоподводящей трубки, а длина внешнего электрода превышает длину внутреннего электрода.
Часть внешнего электрода, выступающая за пределы внутреннего электрода, выполнена в виде цилиндрической трубы, являющейся продолжением внешнего электрода.
Часть внешнего электрода, выступающая за пределы внутреннего электрода, выполнена в виде насадки, снабженной стержнями, размещенными по ее периферии.
Размеры плеч тройника подобраны из расчета наилучшего согласования магнетрона с коаксиальным резонатором.
На фиг.1 представлен микроволновый плазмотрон. На фиг.2 - микроволновый плазмотрон со специальной токопроводящей насадкой.
Плазмотрон содержит магнетрон 1 - источник микроволнового излучения, коаксиальный тройник 2, длинное плечо которого, выполняя роль коаксиального тракта транспортировки микроволнового излучения, частично является коаксиальным резонатором, а частично круглым запредельным волноводом, узел 3 подачи рабочего газа. Коаксиальный тракт содержит внешний 4 и центральный внутренний 5 электроды. Конечная часть внутреннего электрода 5 выполнена в виде заостренного сопла 6 (сопло Лаваля или канал). Внешний электрод 4 снабжен стыкующейся с ним токопроводящей насадкой, выполненной в виде равномерно отстоящих друг от друга стержней 7. Узел 3 подачи рабочего газа снабжен компрессором или баллонами с рабочими газами (на чертеже не показаны).
Сущность изобретения заключается в новом конструктивном выполнении коаксиального тракта передачи и концентрации микроволновой энергии от магнетрона и наличии дополнительных элементов, обеспечивающих использование микроволновой энергии только на образование факела и практически полное исключение ее рассеивания и излучения от факела в окружающее пространство.
В плазмотроне применен стандартный магнетрон 1 и система его питания, широко используемые в бытовой технике, например, в микроволновых печах. На фиг.1. приведен вариант устройства, в котором используется магнетрон 1 с частотой микроволнового излучения 2.45 ГГц, средней мощностью Р=600-1500 Вт. Однополупериодный выпрямитель переменного напряжения (50 Гц) обеспечивает подачу высоковольтного напряжения на анод магнетрона и генерацию микроволнового излучения в виде последовательных импульсов длительностью 5-10 мс при пиковой мощности до 2 кВт.
Коаксиальный тройник обеспечивает оптимальную связь между магнетроном и коаксиальным микроволновым трактом, а также в некоторой степени защиту магнетрона 1 от мощности, отражаемой от конца волноводного тракта, в случае отсутствия факела.
Размеры плеч тройника, через который осуществляется вывод микроволнового излучения, подбираются из условия наилучшей связи между магнетроном 1 и факелом, а также из условия минимальности напряженности электрического поля стоячей волны в узле тройника.
Центральный (внутренний) электрод 5 коаксиальной системы транспортировки микроволнового излучения выполняет также функцию газопровода, подающего рабочий газ к соплу горелки.
Коаксиальный тракт транспортировки микроволнового излучения состоит из проводящего внешнего электрода 4, представляющего собой цилиндр, а также внутреннего (центрального) электрода 5 из металлической трубки.
Конечная часть центрального электрода в виде сопла 6, выполненного из тугоплавкого металла (например, молибдена, вольфрама и т.п.) представляет собой классическое расчетное сопло Лаваля, создающее сверхзвуковой направленный поток газа на выходе из центрального электрода 5, либо просто достаточно протяженный (5-10 диаметров) канал.
Существенным в конструкции является то, что длина внешнего электрода больше длины внутреннего электрода. Расстояние между соплом и замкнутым торцом длинного плеча подбирается из условия наличия максимума электрического поля стоячей волны (при
отсутствии факела) на торце сопла коаксиального резонатора.
Для некоторых приложений внешний электрод может быть выполнен в виде специальной токопроводящей насадки. Насадка представляет собой стыкующийся с внешним электродом цилиндр, боковая поверхность которого состоит, например, из 12-ти равномерно отстоящих друг от друга медных стержней 7. Такая насадка может использоваться для обеспечения доступа измерительной аппаратуры в область факела с наибольшей его температурой, возможности ввода в область наибольших температур термически и плазменно обрабатываемых объектов.
Узел подачи рабочего газа состоит из баллона с рабочим газом с регулирующим поток газа клапаном, соединенными с центральным электродом.
Плазмотрон работает следующим образом.
Через узел 3 подачи газа подается рабочий газ через электрод 5. При включении системы питания магнетрона 1 на выходе сопла 6 получают плазменный факел.
После запуска магнетрона 1 микроволновое излучение поступает через тройник в его длинное плечо и по коаксиальному тракту достигает сопла 6. Поскольку длина внешнего электрода коаксиала превышает длину внутреннего, за соплом 6 для микроволнового излучения следует круглый волновод с диаметром, запредельным для микроволнового излучения. По такому запредельному волноводу волна распространяться не может и, следовательно, отражается назад в коаксиальную часть тракта. Таким образом, при отсутствии факела и наличия источника излучения (работающий магнетрон), микроволновая энергия накапливается в коаксиальном резонаторе, являющимся частью длинного плеча тройника. При этом в узле тройника в силу размеров плечей обеспечивается минимальная напряженность электрического поля стоячей волны, что предотвращает проникновение излучения обратно в магнетрон, а на конце сопла, месте отражения стоячей волны от запредельного круглого волновода, напротив, обеспечивается максимум электрического поля. По мере работы магнетрона и накопления микроволновой энергии в коаксиальном резонаторе напряженность поля на конце сопла возрастает и, в некоторый момент времени, достигает пробойной величины. При этом на конце сопла в струе рабочего газа образуется пробой и формируется область газоразрядной плазмы. Эта плазма, в силу своей высокой проводимости, фактически становится продолжением внутреннего электрода коаксиальной линии, и электромагнитная волна теперь может распространяться дальше по коаксиалу, до конца области, занятой плазмой, где вновь обеспечиваются пробойные условия для прилегающей области. Таким образом, в струе рабочего газа формируется плазменный факел, длина которого может достигать десятков сантиметров. Поскольку даже при не очень мощных магнетронах напряженность электрического поля на конце сопла за счет накопления микроволновой энергии в коаксиальном резонаторе может достигать значительной величины, возможна работа устройства в широком спектре газов и их смесей.
Насадка обеспечивает свободный доступ к плазме факела. Поскольку токи на внешнем электроде коаксиального тракта продольные, некоторое количество металлических стержней насадки, расположенных в направлении распространения токов, обеспечивает достаточное удержание микроволнового излучения внутри объема насадки, что делает факел радиационно безопасным.
Промышленная применимость
Изобретение может быть применено для генерации микроволновых плазменных факелов и может быть использовано для процессов плазмохимического нанесения пленок различного состава, например, кремниевых, алмазных, алмазоподобных и т.д.; в качестве горелки для проведения стеклодувных, кварцедувных и сварочных работ; в качестве системы очистки
загрязненной воздушной среды, например, в производствах для очистки отходящих газов; в качестве системы для плазмохимической трансформации газов или деструкции вредных газов, например, озоноразрушающих, отравляющих, с вредными запахами и т.д., а также при решении экологических задач, например, для определения и контроля состава воздушной среды методом спектрального анализа.