ДВУХСТРУЙНЫЙ ДУГОВОЙ ПЛАЗМАТРОН
DOUBLE-JET ARC PLASMATRON

Изобретение относится к электротехнике и аналитическому приборостроению, а именно к источникам возбуждения эмиссионных спектров анализируемых проб, и может быть использовано в плазмохимии для получения дисперсных материалов.
Известна конструкция двухструйного дугового плазматрона для спектрального анализа, содержащего анодный и катодный узлы, каждый из которых содержит корпус с соплом, силовой электрод с тугоплавкой вставкой, размещенной соосно с соплом, и устройство для подачи плазмообразующего газа в межэлектродную камеру, образованную силовым электродом и корпусом с соплом; силовой электрод выполнен со сквозным отверстием и снабжен с одной стороны штуцером для подачи плазмообразующего газа, а с другой стороны - тугоплавкой вставкой, при этом осевое отверстие соединено с межэлектродной камерой одним или несколькими каналами, огибающими тугоплавкую вставку (см. патент РФ на ПМ №55525, Н05В 7/18, опубл. 10.08.2006).
Недостатками известного устройства являются:
1) нестабильность плазменной струи из-за того, что отсутствует охлаждение сопла каждого электродного узла, что в свою очередь приводит к разрушению сопла и ограничивает ресурс непрерывной работы;
2) из-за опасности возникновения шунтирования плазматрона на сопло длина сопла ограничена, а известно, что пространственная и временная стабильность плазменной струи определяются не столько локализацией катодного пятна (ее можно добиться, затачивая вольфрамовый катод на конус), сколько от длины сопла и его охлаждения.
Известен электродуговой двухструйный плазматрон для спектрального анализа, который содержит две электродные головки (анодную и катодную). Каждая головка имеет электрод, выполненный в виде стержня, и сопло из трех диафрагм с каналами охлаждения. Электрод-катод 1, выполненный из вольфрама, имеет длинную расходуемую часть с резьбой, которая соединяется с охлаждаемым катододержателем 2, патрубок 3 ввода защитного газа, патрубок 4 ввода плазмообразующего газа, три медные диафрагмы 5, изоляторы 6, фиксирующие расстояния между электродом и диафрагмами, каналы водяного охлаждения 7, сопловое отверстие 8; медный анод 11, выполненный в виде водоохлаждаемого цилиндра с плоской рабочей поверхностью, ввод охлаждающей воды 9, выход охлаждающей воды, электродные камеры 12 и 13, куда подается защитный газ (ЕА №006622, Н05В 7/22, опубл. 24.02.2006). Устройство принято за прототип.
Недостатками известного устройства являются:
- нарушение изоляции между диафрагмами сопла из-за подгорания краев прокладок, обращенных в сторону плазмы, установленных между диафрагмами и служащих для герметизации каналов охлаждения и подачи плазмообразующего и защитного газов, а также для электроизоляции диафрагм сопла друг от друга и от катода и анода плазматрона. Этот недостаток уменьшает ресурс работы плазматрона, требует периодической переборки головок плазматрона;
- неравномерность охлаждения соплового отверстия, т.к. канал с охлаждающей водой выполнен в каждой диафрагме для ее охлаждения только с одной стороны от отверстия, из которого истекает струя плазмы, что нарушает пространственную и временную стабильность потока плазмы плазматрона, приводит к эрозии диафрагмы сопла и уменьшает ресурс работы плазматрона.
- недостаточный контакт резьбового соединения вольфрамового электрода - катода с катододержателем, приводящий к дополнительной эрозии вольфрамового катода.
Техническим результатом изобретения является увеличение ресурса безотказной работы плазматрона и повышение воспроизводимости и точности результатов спектрального анализа.
Технический результат достигается тем, что в двухструйном дуговом плазматроне, включающем две электродные головки, каждая из которых содержит электродную камеру: катодную и анодную, с электродом, и сопло из трех диафрагм с каналами охлаждения; в катодной камере установлен вольфрамовый электрод-катод с удлиненной расходуемой частью, который соединен с охлаждаемым катододержателем; в анодной камере установлен медный анод, выполненный в виде водоохлаждаемого цилиндра с плоской рабочей поверхностью; обе электродные головки снабжены патрубками: ввода защитного газа, ввода плазмообразующего газа, ввода и вывода охлаждающей жидкости; согласно изобретению в каждой электродной головке средняя диафрагма сопла выполнена с проточкой вокруг соплового отверстия со стороны, обращенной к электроду головки, и с выступом вокруг соплового отверстия с противоположной стороны, а в ближней к электроду диафрагме выполнен выступ, соответственно проточке средней диафрагмы, в крайней удаленной от электрода диафрагме выполнена проточка, соответственно выступу средней диафрагмы; при этом размеры проточки и выступа на каждой диафрагме согласованы таким образом, что сохраняется установленное расстояние между диафрагмами сопла вдоль канала истечения плазмы, а изолирующие прокладки между диафрагмами сопла предохранены от свечения высокотемпературного потока плазмы; охлаждающие каналы в диафрагмах сопла и в катододержателе выполнены с трех сторон вокруг канала истечения плазмы; электрод-катод с рабочей стороны выполнен в форме конуса, противоположный конец электрода-катода выполнен в виде лезвия плоской отвертки и установлен в проточку упора, который поджимается гайкой, закрепленной с возможностью возвратно-поступательного передвижения с помощью резьбового соединения в металлической втулке, установленной соосно электроду-катоду в диэлектрическом основании катодной головки.
Сущность изобретения заключается в том, что диафрагмы сопла каждой электродной головки образуют канал истечения плазмы такой, что изолирующие прокладки, установленные между диафрагмами, защищены от воздействия высокотемпературной струи плазмы и не подвергаются разрушению. Это достигается особой конструкцией диафрагм. На средней диафрагме со стороны выхода плазменной струи выполнен выступ по каналу истечения плазмы, а с противоположной стороны направленной к электроду головки, выполнена проточка. На ближней к электроду диафрагме выполнен выступ соответственно проточке средней диафрагмы, на крайней удаленной от электрода диафрагме выполнена проточка соответственно выступу средней диафрагмы. Между диафрагмами сопла по каналу истечения плазмы установлен необходимый постоянный зазор. Размеры проточки и выступа на каждой диафрагме согласованы таким образом, что сохраняется установленное расстояние между диафрагмами сопла вдоль канала истечения плазмы. Такая конструкция диафрагм сопла плазменных головок исключает засвечивание и подгорание изолирующих прокладок, устанавливаемых между диафрагмами.
Каналы охлаждения диафрагм водой выполнены так, что обходят с трех сторон сопловое отверстие истечения плазмы, тем самым достигается лучшее охлаждение соплового отверстия и улучшается пространственная и временная стабильность плазменной струи в каждой головке.
В основании плазменной головки, соосно электроду, установлена металлическая втулка с резьбой на внутренней ее поверхности, по которой перемещается гайка, опирающаяся на упор, поджимающий вольфрамовый катод в катододержателе, создавая тем самым лучший электрический и тепловой контакт между вольфрамовым электродом и медным катододержателем, охлаждаемым водой.
Крайняя удаленная от электрода диафрагма сопла катодной и анодной головок выполнена в виде стакана, в боковых стенках которого выполнены четыре отверстия с резьбой вдоль стенки стакана, диафрагма с помощью четырех винтов поджимается к основанию плазменной головки, создавая тем самым необходимое уплотнение резиновых прокладок между диафрагмами.
На рисунках 1-8 изображено заявленное устройство.
Плазматрон состоит из двух электродных головок - катодной 1 и анодной 2, расположенных под углом друг к другу (рис.1, рис.2). Катодная головка 1 (рис.2, рис.3) содержит электрод-катод 3 и сопло 4, образованное тремя медными диафрагмами 5,6,7. Электрод-катод 3, выполненный из вольфрама, имеет длинную расходуемую часть с резьбой, с помощью которой он установлен в охлаждаемый медный катододержатель 8. Рабочая поверхность электрода-катода 3 выполнена в виде конуса, противоположный конец электрода 3 выполнен в виде лезвия плоской отвертки и установлен в проточку упора 9, который поджимается гайкой 10, закрепленной с возможностью возвратно-поступательного движения с помощью резьбового соединения в металлической втулке 11, установленной соосно электроду-катоду 3 в текстолитовом основании 12 катодной головки 1.
Анодная головка 2 (рис.2, рис.4) плазматрона содержит медный анод 13, выполненный в виде водоохлаждаемого цилиндра с плоской рабочей поверхностью, в цилиндр медного анода 13 вставлена плоская перегородка 14, образующая узкий зазор для протекания охлаждающей воды под плоской рабочей поверхностью анода.
Катодная 1 и анодная 2 головки плазматрона снабжены патрубками 15 ввода охлаждающей жидкости и патрубками 16 вывода охлаждающей жидкости (рис.5); патрубками 17 подачи защитного газа и патрубками 18 подачи плазмообразующего газа (рис.5, рис.2).
В корпусе анода 13 (рис.5, рис.6) в диафрагмах анодной головки 19, 6, 7 (рис.5), в катододержателе 8 (рис.7) и в диафрагмах 5, 6, 7 катодной головки (рис.5) выполнены каналы 20 перпендикулярно плоскости диафрагм 5, 6, 7, корпуса анода 13, катододержателя 8, служащие для подачи охлаждающей жидкости, и каналы 21 для выхода охлаждающей жидкости; каналы 22 (рис.6, 7, 8) выполнены в плоскости диафрагм 5, 6, 7, 19 вокруг соплового отверстия 4, в плоскости катододержателя 8 вокруг вольфрамового электрода 3, в плоскости корпуса анода 13 от канала 20 до перегородки 14 и от перегородки 14 до канала 21.
Канал 23 (рис.7, 6) служит для подачи защитного газа в электродную камеру, образованную катодом-электродом 3 и диафрагмой 5 в катодной головке 1, и в электродную камеру, образованную анодом 13 и диафрагмой 19 в анодной головке 2. Канал 24 (рис.6, 7) служит для подачи плазмообразующего газа в промежутки между диафрагмами сопел головок.
Резиновые прокладки 25 служат для герметизации каналов подачи охлаждающей жидкости, защитного и плазмообразующих газов. Диафрагмы 7 каждой электродной головки выполнены в виде стакана (рис.3, 4, 5), в боковых стенках которого выполнены четыре отверстия 26 с резьбой вдоль стенки стакана. С помощью четырех винтов 27 диафрагма 7 сопла 4 крепится к текстолитовому основанию 12 плазменной головки, создавая необходимое уплотнение резиновых прокладок 25 между катододержателем 8 и диафрагмой 5 в катодной головке, анодом 13 и диафрагмой 5 анодной головки 2 и между диафрагмами 5, 6, 7, 19 сопел головок 1 и 2. Во всех трех диафрагмах сопел обеих головок выполнена проточка 28 вокруг соплового отверстия 4 со стороны, обращенной к электроду. Диафрагмы 5 и 6 в катодной головке и диафрагмы 19 и 6 в анодной головке выполнены с коническим выступом 29 вокруг соплового отверстия 4 (рис.2, рис.3, рис.4). Размеры проточки 28 и выступа 29 в каждой головке согласованы таким образом, чтобы сохранялся установленный зазор между диафрагмами и не происходило засвечивание уплотнительных прокладок 25 от струй плазмы.
Устройство работает следующим образом.
В электродные камеры головок 1, 2 по патрубкам 17 подают защитный газ, по патрубкам 18 - плазмообразующий газ. По патрубкам 15 (рис.5) подают охлаждающую жидкость, которая попадает в каналы 20, а затем по каналам 22 обтекает сопловое отверстие 4, попадает в каналы 21 и по патрубку 16 выходит из электродной головки. На электроды 3 и 13 подают напряжение от выпрямителя. С помощью устройства запуска (А.П.Тагильцев, Е.А.Тагильцева «Автоматический запуск двухструйного дугового плазматрона». Заводская лаборатория. Диагностика материалов. №3. 2009, том 75, с.23-25. На рис. не показано) зажигаются вспомогательные дуги между электродом и диафрагмами сопла в каждой головке, плазменные струи выдуваются из сопел головок и при их слиянии зажигается основная дуга между катодом и анодом, цепи запуска отключаются.
Таким образом, новые конструктивные элементы заявленного устройства позволяют увеличить ресурс безотказной работы плазматрона и повысить воспроизводимость и точность результатов спектрального анализа.