СВЧ-ПЛАЗМОТРОН

Предполагаемая полезная модель относится к области электротехники, а именно к плазмотронам, в которых плазму получают путем воздействия СВЧ-поля на газовый поток. Может найти применение в плазменной технологии машиностроения, в химико-технологических процессах. Также можно использовать при получении чистых веществ в электронной, химической и металлургической промышленности, при нанесении покрытий, для нагрева газа, сферодизации частиц, в спектральном анализе в качестве амортизатора, в процессах, где требуется переработка большого количества материала за короткое время.
Известен СВЧ-плазмотрон [АС СССР №810055, кл. Н05В 7/18, 1979.], содержащий коаксиально-волноводный переход и соосную ему разрядную камеру. Плазмотрон снабжен закрепленными на центральном проводнике диском и охватывающим его с равномерным зазором кожухом с центральными отверстиями на противоположных стенках.
Известен СВЧ-плазмотрон [АС СССР №1061690, кл. Н05Н 1/18, 1982.], содержащий волновод с вводом энергии, расположенным по его оси, и цилиндрическую разрядную камеру, проходящую через волновод перпендикулярно его широкой стене, волновод в плоскости его широкой стенки выполнен кольцевым, а разрядная камера расположена на оси со стороны волновода, противолежащей вводу энергии.
Известен плазмотрон с газовихревой стабилизацией дуги [Пархоменко В.Д. и др. Процессы и аппараты плазмохимической технологии. - Киев: Вища школа, 1979.]. Содержит катодный и анодный узлы, причем катодный узел содержит корпус с завихрителем, катодную вставку, патрубок подачи газа в завихритель.
Ближайшим аналогом является СВЧ-плазмотрон циклонного типа [Патент РФ RU 2082284, кл. Н05В 7/18, Н05Н 1/46, H01J 37/32, 1997.], содержащий волновод, по которому подастся СВЧ-мощность, цилиндрическую разрядную камеру, выполненную из кварца, которая проходит через волновод в широкой стенке, завихритель, расположенный в нижней части разрядной камеры. Завихритель имеет ввод тангенциальной подачи воздуха. В завихритель встроено выхлопное сопло выходное, которое расположено в нижней части разрядной камеры, как и завихритель. В верхней части разрядной камеры находится узел подачи аэрозоля - мелкодисперсного порошка или распыленной жидкости.
Недостатком прототипа и указанных выше плазмотронов является то, что при аксиальном способе стабилизации СВЧ-разряда необходимо использование металлического плохо обтекаемого тела (зонда), которое способствует стабильному горению плазмы, но при этом загрязняет плазму материалом зонда и снижает ресурс работы плазмотрона. Тангенциальный способ стабилизации разряда не требует наличия зонда, но введение дисперсного материала в плазму вследствие действия центростремительных сил приводит к выбросу частиц на стенки разрядной. Процент проработки (вхождение) материала в плазмотронах подобных типов не превышает 40%. В СВЧ-плазмотроне циклонного типа указанные недостатки отсутствуют, но имеются случаи погасания плазменного разряда при кратковременной подаче в плазму большого количества аэрозоля горючей жидкости, например, при спектральном анализе масел. Это связано с образованием большого количества газа вследствие сгорания жидкости, который «захолаживает» плазму, что приводит к срыву разряда.
Задачей предполагаемой полезной модели создание СВЧ-плазмотрона, позволяющего увеличить стабильность разряда при проработке большого количества материала и устранить загрязнения плазмы посторонними материалами за счет создания газодинамических условий для эффективного вхождения частиц в разряд (около 95%) и получить незагрязненной материалами электроды плазмы.
Поставленная цель достигается тем, что в плазмотроне, содержащем волновод с вводом энергии, цилиндрическую разрядную камеру, проходящую через волновод перпендикулярно его широкой стенке, завихритель, расположенный в нижней части разрядной камеры, узел подачи золя, выходное сопло, встроенное в завихритель, на противоположной стороне (в верхней части) разрядной камеры, в крышке, через которую подается проба, устанавливается цилиндрическое плохо обтекаемое тело (зонд), выполненное из термостойкого диэлектрика, например, кварцевого стекла.
Плохо обтекаемое тело - устоявшийся в физике термин, характеризующий находящееся в потоке газа и влияющее на формирование газовых потоков за ним.
На Фиг.1 показано устройство в разрезе.
1 - цилиндрическая разрядная камера 2 - цилиндрической кварцевой трубкой,, 3 - узел подачи аэрозоля, 4 - плохообтекаемое тело (зонд), 5 - завихритель, 6 - выхлопная трубка, 7 - волновод.
Устройство работает следующим образом.
СВЧ-мощность, подаваемая по волноводу 7, поддерживает СВЧ-разряд атмосферного давления в разрядной камере - 1, образованной цилиндрической кварцевой трубкой 2, узлом подачи аэрозоля 3, завихрителем 5 и выходным соплом 6. Плазмообразующий газ подается через патрубки завихрителя 5 и выходит в выходное сопло 6, нагревшись в СВЧ-плазме. Стабилизация СВЧ-разряда достигается тангенциальной подачей через завихритель плазмообразующего газа, который, дополнительно, охлаждает стенки разрядной камеры и выходного сопла, и наличием плохо обтекаемого тела (зонда), который изменяет течение газа в горелке таким образом, что за зондом образуется застойная зона, удерживающая разряд при больших скоростях потока. Аэрозоль пробы подается через узел подачи 3, расположенный в верхней части разрядной камеры, проходит, нагреваясь, через СВЧ-плазму и выходит в выходное сопло 6.
Принцип действия СВЧ-циклонного плазмотрона заключается в том, что за счет формирования закрученного течения в нижней части камеры, имеющего радиальную составляющую газовой скорости, направленную к оси разрядной камеры, мелкодисперсные частицы стабилизируются в области плазмы и не выбрасываются на стенки.
В отличие от указанных выше аналогов данный плазмотрон, включая плохо обтекаемое тело, может быть изготовлен полностью из неметаллических деталей, что позволяет инициировать безэлектродный СВЧ-разряд атмосферного давления для различных сфер применения, в том числе для спектрального анализа.
Параметры устойчивой работы плазмотрона:
частота СВЧ-поля - 2450 МГц;
расход плазмообразующего газа - 20-60 л/мин.
Минимальный диаметр разрядной камеры определяется размером контрагированного СВЧ-разряда при атмосферном давлении и составляет 20 мм. Максимальный диаметр определяется величиной расхода плазмообразующего газа и размерами волновода.
Минимальный размер выходного сопла также определяется размером контрагированного СВЧ-разряда и составляет 15-19 мм.
Максимальный диаметр плохо обтекаемого тела должен быть меньше внутренних размеров выхлопной трубки и составлять 12-14 мм.
Глубина погружения выхлопного сопла определяется высотой завихрителя и должна обеспечивать формирование направленного вверх потока газа и исключать непосредственное проникновение плазмообразующего газа в выхлопное сопло.
Длина разрядной камеры определяется безэлектродным режимом горения СВЧ-разряда.
Технический эффект - увеличение стабильности разряда при проработке большого количества материала и устранение загрязнения плазмы посторонними материалами за счет создания газодинамических условий для эффективного вхождения частиц в разряд (около 95%) и получение незагрязненной материалами электроды плазмы