СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОТОКОВ ЧАСТИЦ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF PRODUCING HIGH-ENERGY PARTICLE STREAMS AND APPARATUS THEREFOR

Изобретение относится к области плазменных технологий и может быть использовано при разработке и создании источников высокоинтенсивных потоков частиц для научных и технологических применений.
Известен способ [1] получения высокоэнергетических потоков частиц, в котором в сопле Лаваля осуществляют ускорение гетерогенного потока с частицами микронного размера. Для увеличения скорости осуществляют подогрев газа в дозвуковой секции сопла до 800-1000°C.
3
Недостатком данного способа является низкий уровень нагрева, низкая скорость частиц (до 1 км/с) и большой расход газа - до 200 м /ч. При этом расход газа прямо связан со степенью нагрева газа ввиду применения спирального источника нагрева газа.
Наиболее близким к предлагаемому способу является представленный в [2] способ получения высокоэнергетических потоков частиц, при котором с помощью дугового источника создают поток плазмы, направляют его в сопло Лаваля. Недостатком данного способа является неполное преобразование внутренней энергии плазмы в кинетическую энергию потока.
Задачей заявляемого изобретения является разработка высокоэффективного способа получения высокоэнергетических потоков частиц. Для решения поставленной задачи предложен способ получения высокоэнергетических потоков частиц.
3
Новым, по мнению автора, является то, что в дозвуковую часть сопла Лаваля вводят поток плазмы с температурой 15-20·10 К, обеспечивают ее ускорение до скорости звука и рекомбинацию плазмы до критического сечения сопла и после критического сечения вводят в поток частицы и ускоряют гетерогенный поток газа в сверхзвуковой части сопла Лаваля Сущность заявляемого способа поясняется чертежом (фиг.1), где 1 - непрерывный источник плазмы, 2 - плазменный поток, 3 - сопло Лаваля, 4 - устройство ввода порошка, 5 - поток частиц.
3
1/2
3
к
к
к
к
С помощью внешнего непрерывного источника 1 плазменного потока 2 с температурой ~15-20·10К в дозвуковую секцию сопла Лаваля 3 вводят поток плазмы с высоким энергосодержанием. Поток ускоряется до скорости звука при одновременной рекомбинации плазмы. В критическом сечении имеем слабоионизованный газ с температурой Т и скоростью, связанными соотношением V=а=(к·R·Т). Для азота, например, температура Т может находиться в диапазоне 3-8·10К. Как известно, подогрев газа в сверзвуковой части сопла приводит к торможению газа и поэтому необходимо рекомбинацию завершить в дозвуковой части сопла. Известно устройство для получения высокоэнергетического потока частиц [3], которое содержит сопло Лаваля, спиральный нагреватель газа, систему подачи газа высокого давления, систему ввода частиц. Недостаток данного устройства состоит в низкой скорости частиц, низкой температуре газа, больших расходах энергии на подогрев газа и больших расходах газа. Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство [4], которое содержит дуговой источник плазмы атмосферного давления, сопло Лаваля, систему ввода порошка. Недостаток данного устройства состоит в низкой скорости частиц ввиду низкого КПД преобразования энергии плазмы в кинетическую энергию потока газа.
Для получения потоков микрочастиц с высокими скоростями вплоть до 2-3 км/с предлагается устройство, содержащее дуговой источник плазмы, сопло Лаваля, систему ввода порошка.
Новым, по мнению автора, является то, что устройство дополнительно содержит камеру высокого давления, матрицу из N непрерывных микроплазмотронов и систему подачи газа высокого давления, длина дозвуковой части сопла Лаваля выбирается из условия полной рекомбинации плазмы до критического сечения, а система ввода частиц обеспечивает ввод частиц после критического сечения по всему периметру сопла в сечении сопла с заданными параметрами - температурой и скоростью газа.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1.
Устройство содержит камеру высокого давления 6, соединенную с соплом Лаваля 3, в которой размещается неперывный источник плазмы 1 - матрица из N непрерывных микроплазмотронов, размещенных на поверхности сферического сегмента 7 - общей анодной плиты системы микроплазмотронов, систему подачи газа высокого давления 8 и систему ввода в газовый поток частиц 4.
3
Устройство работает следующим образом. В условиях атмосферного давления производится запуск микроплазмотронов путем подачи поджигающего импульса на катоды 9 микроплазматронов. С помощью системы подачи газа 8 осуществляется ввод газа в камеру высокого давления 6 и повышение давления до 30-40 атм. На вход в дозвуковую часть сопла Лаваля подается поток плазмы 2 большого сечения с температурой 15-20·10К и давлением 30-40 атм. Этот поток ускоряется в дозвуковой части сопла до скорости звука за счет внутренней энергии плазмы, в том числе теплоты реакции рекомбинации. Длина дозвуковой части определяется из условия практически полной рекомбинации плазмы и ее перехода в слабоионизованный газ. В сверхзвуковой части сопла с помощью системы ввода частиц 4 по всему периметру сопла вводят микрочастицы в сечении сопла с определенными параметрами для обеспечения заданного уровня нагрева и скорости частиц на выходе сопла Лаваля.
Ввод частиц порошка осуществляют в определенном сечении сверхзвуковой части сопла с целью не допустить перегрева частиц и равномерно по всему периметру сечения для получения равномерного распределения плотности потока частиц по сечению.
Как показывают расчеты, с помощью заявляемого устройства возможно ускорение частиц диаметром 10-20 мкм из тугоплавких металлов и металлокерамики до 2-3 км/с при одновременном их разогреве до температуры плавления и в то же время, при необходимости, путем выбора сечения ввода работать в режиме, близком к Cold Spraying [1] без сильного нагрева частиц и поверхности напыления.
Список литературы
1. A. Papyrin, V. Kosarev, S. Klinkov, A. Alkhimov and V. Fomin.// Cold Spray Technology. Elsevier, 2006, p.320.
2. A. Schwenk, H. Gruner, S. Zimmermann, K. Landes, G. Nutsch. Improved Nozzle Design of de-Laval-type Nozzles for the Atmospheric Plasma Spraying. // Proceedings of the International Thermal Spray Conference, Basil R. Marple and C. Moreau, Orlando,2003, S. 573-579.
3. Rand C.P.. WO/2007/091102. 16.08.2007.
4. Beason, Jr.; George P., McKechme; Timothy N.; Christopher A..US 5,573,682. November 12, 1996.