УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ ФАКЕЛЬНОГО РАЗРЯДА
DEVICE FOR FLARE DISCHARGE EXCITATION

Изобретение относится к получению плазмы, а именно к устройствам для генерирования плазмы с использованием внешних электромагнитных полей и может применяться для ионно-плазменной обработки поверхностей различных материалов.
Известен газовый реактор с СВЧ-возбуждением [RU 91498 U1, МПК (2006.01) H05H1/00, G21B1/00, G21K1/00, опубл.: 10.02.2010], содержащий камеру из тугоплавкого диэлектрического материала с патрубками для подвода газового реагента в полость камеры и вывода отработанного реагента из полости камеры. Патрубок для подвода газового реагента в полость камеры снабжен обратным клапаном. Корпус камеры реактора установлен в резонаторе импульсного генератора электромагнитных волн. Генератор электромагнитных волн (СВЧ-генератор) выполнен в виде магнетрона или пролетного клистрона. С противоположных сторон камеры установлены тугоплавкие электроды, одни концы которых выведены в полость камеры, а другие соединены с высоковольтным разрядником (накопителем энергии). СВЧ-выход генератора соединен волноводом с его резонатором, который выполнен из токопроводящего материала сферичеcкой или прямоугольной формы. Высоковольтный разрядник выполнен в виде индуктивного или емкостного накопителя энергии с регулируемой частотой следования модулирующих, подаваемых на генератор, и пачек разрядных импульсов, подаваемых на электроды. Разрядник и генератор электромагнитный волн образуют источник накачки газового реагента камеры. Управляющий вход разрядника источника накачки соединен с выходом управляемого по частоте следования и длительности импульсов генератора. Генератор выполнен в виде блокинг-генератора или широтно-импульсного модулятора с цифровым управлением. Камера снабжена высоковольтным разрядником, электроды которого выведены в полость камеры.
Известно устройство для создания импульсного индукционно-емкостного продольного разряда в газовых средах [RU 2422958 C2, МПК H01S3/09 (2006.01), опубл. 27.06.2011], содержащее емкостный генератор накачки, подключенный к индуктору возбуждения, состоящему из n соленоидов, соединенных параллельно и плотно намотанных на диэлектрическую трубку с активной газовой смесью. С одной стороны диэлектрической трубки расположено плоское диэлектрическое зеркало, а на ее торцах выполнены герметизирующие юстировочные узлы с плоскопараллельными пластинами из кварца, в одном из которых расположен полый катод. Общая индуктивность индуктора возбуждения выбрана из условия  ≤ 500 нГн, а на каждый соленоид индуктора возбуждения намотано m ≤ 20 витков медной шиной с шагом намотки W/5, где W - ширина медной шины. Общая обмотка токопровода индуктора возбуждения соединена с обратным токопроводом и заземлена с полым катодом юстировочного узла. Выходное напряжение емкостного генератора накачки представляет собой импульсы длительностью менее 100 нс и амплитудой, превышающей напряжение пробоя газового промежутка в герметичном цилиндре трубке между полым катодом и ближним витком соленоида.
Известно устройство для возбуждения высокочастотного факельного разряда [RU 2499373 C1, МПК H05H1/24 (2006.01), опубл. 20.11.2013], принятое за прототип, содержащее диэлектрическую трубку, установленную в паз диэлектрического фланца. В осевом отверстии фланца размещен полый силовой электрод так, что его один конец заглушен и расположен внутри диэлектрической трубки, а другой конец выведен за ее пределы и электрически связан с высоковольтным электродом высокочастотного генератора. Конец силового электрода, расположенный за пределами диэлектрической трубки, снабжен двумя штуцерами, причем первый штуцер, расположенный на наружном конце силового электрода, соединен с системой водоснабжения, а второй штуцер, ориентированный перпендикулярно оси силового электрода, соединен с системой канализации. На силовом электроде, находящемся внутри диэлектрической трубки, радиально под острым углом к его оси установлен дополнительный электрод, конец которого заострен и направлен к месту соприкосновения диэлектрической трубки и внешнего электрода, установленного на внешней поверхности диэлектрической трубки. Внешний электрод своей вогнутой стороной охватывает часть внешней поверхности диэлектрической трубки. Внешний электрод установлен на одном конце штанги с возможностью перемещения параллельно оси диэлектрической трубки. Другой конец штанги через закрепленную на ней электроизолирующую вставку соединен с механическим приводом.
Для инициирования разряда перемещают внешний электрод вдоль диэлектрической трубки, сближая при этом внешний и дополнительный электроды. В момент инициирования барьерного разряда между внешним и силовым электродами на внешнем электроде появляется высоковольтное напряжение, что небезопасно для персонала и может вызвать развитие аварийной ситуации - воспламенение и возникновение пожара, а также снижает срок эксплуатации диэлектрической трубки. Кроме того, происходит испарение материала дополнительного электрода, что загрязняет воздушное пространство вблизи силового электрода.
Техническим результатом предложенного изобретения является расширение арсенала средств для возбуждения факельного разряда.
Предложенное устройство для возбуждения факельного разряда, так же как в прототипе, содержит вертикальную диэлектрическую трубку, установленную в паз диэлектрического фланца, в осевом отверстии которого размещен силовой электрод из меди так, что один его конец расположен внутри диэлектрической трубки, а другой конец выведен за ее пределы и электрически связан с высокочастотным генератором, внешний электрод выполнен формой, повторяющей форму внешней стенки диэлектрической трубки.
Согласно изобретению силовой электрод выполнен в виде сплошного стержня. Конец силового электрода, расположенный внутри диэлектрической трубки, закруглен. В нижней части диэлектрической трубки выполнен основной патрубок, ориентированный наружу тангенциально. Над основным патрубком, на уровне закругленного конца силового электрода, выполнен дополнительный патрубок, ориентированный наружу радиально. Внешний электрод из меди через отверстие в его центральной части размещен на дополнительном патрубке и расположен с воздушным зазором относительно внешней стенки диэлектрической трубки. Баллон, наполненный сжатым газом, через редуктор соединен трубопроводами с основным патрубком и через газовый клапан - с дополнительным патрубком. К генератору последовательно подключены амперметр и реле, которое связано с газовым клапаном и генератором.
Размещение внешнего электрода на дополнительном патрубке снаружи диэлектрической трубки, с воздушным зазором относительно ее внешней стенки, уменьшает опасность для персонала и аппаратуры за счет отсутствия проводящих электрический ток деталей, находящих под высоким напряжением.
На фиг. 1 приведена принципиальная схема устройства для возбуждения факельного разряда.
На фиг. 2 показан вид сверху предлагаемого устройства.
пр
На фиг. 3 приведены зависимости потенциала зажигания U от произведения давления p инертного газа на расстояние d между силовым и внешним электродами.
Устройство для возбуждения факельного разряда содержит вертикально расположенную диэлектрическую трубку 1, например, из кварцевого стекла, один торец которой заглушен фланцем из фторопласта. Через осевое отверстие во фланце вставлен силовой электрод 2 так, что его закругленный конец расположен внутри диэлектрической трубки, а другой конец расположен за пределами трубки 1 и соединен с высокочастотным генератором 3 (Г). К высокочастотному генератору 3 (Г) последовательно подключены амперметр 4 и реле 5 (Р), которое соединено с генератором 3 (Г).
В нижней части боковой поверхности диэлектрической трубки 1 выполнен основной 6 патрубок, ориентированный наружу тангенциально. Выше основного патрубка 6, выполнен дополнительный патрубок 7, который ориентирован наружу радиально и расположен на уровне закругленного конца силового электрода 2.
Внешний электрод 8 выполнен формой, повторяющей форму внешней стенки диэлектрической трубки 1 и через отверстие в его центральной части размещен на дополнительном патрубке 7 с воздушным зазором относительно внешней стенки диэлектрической трубки 1.
Основной патрубок 6 соединен трубопроводом с баллоном 9 (Б), снабженным редуктором и наполненным сжатым газом, например, аргоном. Дополнительный патрубок 7 через газовый клапан 10 (ГК) соединен трубопроводом с баллоном 9 (Б). Реле 5 (Р) подключено к газовому клапану 10 (ГК).
В качестве высокочастотного генератора 3 (Г) может быть использован высокочастотный генератор ВЧГ 2-4/27 с выходным напряжением 7 кВ, электрической мощностью 4 кВт и частотой 27,12 МГц. Силовой электрод 2 в виде сплошного стержня и внешний 8 электроды могут быть выполнены из меди. В качестве реле 5 (Р) может быть использовано реле PT570024, в качестве газового клапана 10 (ГК) - электромагнитный газовый клапан EVGNC Ду15, который срабатывает менее чем за 1 секунду.
От генератора 3 (Г) подают высокочастотное напряжение на силовой электрод 2. Одновременно через основной 6 и дополнительный 7 патрубки из баллона 9 (Б) при открытом газовом клапане 10 (ГК) подают сжатый газ в область заглушенного торца диэлектрической трубки 1. регулируя при этом с помощью редуктора давление и скорость подачи газа. Из дополнительного патрубка 7, ориентированного радиально относительно диэлектрической трубки 1, сжатый газ формирует канал между силовым 1 и внешним 8 электродами, имеющий малую электрическую прочность. Внутри диэлектрической трубки 1 возникает напряжение пробоя газового промежутка, которое определяется по закону Пашена в зависимости от давления газа (фиг. 3).
Менее чем, через 1секунду происходит формирование барьерного разряда между силовым 2 электродом и внутренней стенкой диэлектрической трубки 1 в области расположения внешнего электрода 8 за счет емкостной связи. Канал барьерного разряда формирует условия для образования факельного разряда от конца силового 2 электрода за счет разогрева газа вокруг него и диффузии к силовому 2 электроду свободных электронов. Появление факельного разряда увеличивает электрический ток в сети питания высокочастотного генератора 3 (Г). При достижении определенной величины тока, который контролирует амперметр 4, с помощью реле 5 (Р) закрывают клапан 10 (ГК) и прерывают поток сжатого газа через дополнительный патрубок 7. При этом продолжают подавать газ через основной патрубок 6 и поддерживают факельный разряд. Сжатый газ, поступающий через основной патрубок 6, ориентированный тангенциально, формирует закрученный поток холодного газа в периферийной области диэлектрической трубки 1, что в свою очередь снижает тепловую нагрузку на диэлектрическую трубку 1.
Для прекращения факельного разряда отключают генератор 3 (Г) и прекращают подачу газа через основной патрубок 6.