УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ФАКЕЛЬНОГО РАЗРЯДА
DEVICE TO EXCITE HIGH-FREQUENCY FLARE DISCHARGE

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано для инициирования высокочастотной плазмы.
Известно устройство для осуществления поджига индукционного разряда в ВЧИ-плазмотроне [RU 96108559 A, МПК 6 H05H 1/46, опубл. 27.07.1998], содержащее установленный на узле подачи плазмообразующего газа и электрически изолированный от металлической разрезной разрядной камеры игнайтер, поджигающий электрод которого совместно с пневмопоршнем, имеет возможность возвратно-поступательного перемещения в направляющем пневмоцилиндре, подсоединенном к линии подвода сжатого газа. Игнайтер электрически соединен с одной и более металлическими пластинами, имеющими возможность перемещения в пространстве без касания относительно других металлических пластин, электрически соединенных с индуктором. Индукционный разряд возбуждают кратковременным введением поджигающего электрода внутрь разрядной камеры в зону индуктора.
Недостатками этого устройства являются эрозия поджигающего электрода, что ограничивает срок эксплуатации устройства, влияние поджигающего электрода на рабочую частоту генератора, необходимость использования дополнительного высоковольтного напряжения, что увеличивает минимально необходимое напряжение для возбуждения высокочастотного разряда.
Известна система формирования коронного разряда для возбуждения плазменной дуги в электрохирургической системе [US 6213999 B1, МПК 7 A61B 18/00, A61B 017/36, опубл. 10.04.2001], содержащая источник высокочастотной электрической энергии, связанные с ним рабочий и инициирующий электроды, между которыми имеется электрическая связь емкостного типа, диэлектрический барьер, расположенный между рабочим и инициирующим электродами. Поджиг плазменной дуги осуществляют путем возбуждения коронного разряда на рабочем электроде.
В этой системе повторное возбуждение коронного разряда затруднено из-за неизбежного закругления острия рабочего электрода в процессе поддержания разряда. Для возбуждения коронного разряда необходимо поддержание высоковольтного потенциала на инициирующем электроде, что увеличивает минимально необходимое напряжение для возбуждения высокочастотного разряда.
Известен источник плазмы [US 7608839 B2, МПК H01J 27/00, H01T 23/00, опубл. 27.10.2009], выбранный в качестве прототипа, содержащий заземленный внешний электрод, установленный на внешней поверхности диэлектрической трубки, силовой электрод, установленный внутри области, ограниченной диэлектрической трубкой и электрически соединенный с высокочастотным генератором. Возбуждение высокочастотного разряда осуществляют с помощью возбуждения барьерного разряда с силового электрода.
Неоптимальная конструкция силового электрода увеличивает минимально необходимое напряжение для возбуждения барьерного разряда для инициирования высокочастотного разряда.
Задачей изобретения является уменьшение напряжения, необходимого для возбуждения барьерного разряда, инициирующего высокочастотный факельный разряд.
Поставленная задача достигается тем, что устройство для возбуждения высокочастотного факельного разряда, также как в прототипе, содержит внешний электрод, который установлен на внешней поверхности диэлектрической трубки, силовой электрод, установленный внутри области, ограниченной диэлектрической трубкой и электрически соединенный с высокочастотным генератором.
Согласно изобретению диэлектрическая трубка установлена в пазу диэлектрического фланца, в осевом отверстии которого размещен полый силовой электрод так, что его глухой заостренный конец расположен внутри цилиндрической диэлектрической трубки, а другой конец силового электрода размещен за пределами диэлектрической трубки и электрически связан с высоковольтным электродом высокочастотного генератора. Конец силового электрода, расположенный за пределами диэлектрической трубки, снабжен двумя штуцерами. Первый штуцер, расположенный на наружном конце силового электрода, соединен с системой водоснабжения. Второй штуцер, ориентированный перпендикулярно оси силового электрода, соединен с системой канализации. На силовом электроде радиально, под острым углом к его оси, установлен дополнительный электрод, конец которого заострен и направлен к месту соприкосновения диэлектрической трубки и внешнего электрода, который своей вогнутой стороной охватывает часть внешней поверхности диэлектрической трубки. Внешний электрод установлен на одном конце штанги с возможностью перемещения параллельно оси диэлектрической трубки. Второй конец штанги, через закрепленную на ней электроизолирующую вставку, соединен с приводом.
Уменьшение величины электрического напряжения, необходимого для бесконтактного возбуждения высокочастотного факельного разряда, достигается за счет установки на силовом электроде дополнительного электрода, направленного своим заостренным концом к месту соприкосновения внешнего электрода и диэлектрического барьера. Вокруг заостренного конца дополнительного электрода образуется область с более высокой напряженностью электрического поля, чем для остальной части поверхности силового электрода. Это значительно снижает напряжение зажигания барьерного разряда и увеличивает разрядный ток.
На фиг.1 приведена схема предлагаемого устройства для возбуждения высокочастотного факельного разряда.
Устройство для возбуждения высокочастотного факельного разряда содержит цилиндрическую диэлектрическую трубку 1, установленную в пазу диэлектрического фланца 2. В осевом отверстии фланца 2 размещен полый силовой электрод 3 так, что его один конец заглушен и расположен внутри диэлектрической трубки 1, а другой конец выведен за ее пределы. Конец силового электрода 3, расположенный за пределами диэлектрической трубки 1, снабжен двумя штуцерами 4 и 5. Первый штуцер 4, расположенный на торце силового электрода 3, соединен с системой водоснабжения 6 (СВ). Второй штуцер 5, ориентированный перпендикулярно оси силового электрода 3, соединен с системой канализации 7 (СК). Конец силового электрода 3, расположенный за пределами диэлектрической трубки 1, электрически связан с высоковольтным электродом высокочастотного генератора 8. На силовом электроде 3 радиально, под острым углом к его оси, установлен дополнительный электрод 9, конец которого заострен и направлен к месту соприкосновения диэлектрической трубки 1 и внешнего электрода 10, который своей вогнутой стороной охватывает часть внешней поверхности диэлектрической трубки 1. Внешний электрод 10 установлен на одном конце штанги 11, выполненной с возможностью перемещения параллельно оси диэлектрической трубки 1. Второй конец штанги 11 через закрепленную на ней электроизолирующую вставку 12 соединен с приводом 13.
Диэлектрическая трубка 1 изготовлена из кварцевого стекла. Фланец 2 выполнен из термостойкого диэлектрика, например, фторопласта. В качестве силового электрода 3 использована медная трубка. Для формирования штуцеров 4 и 5 использованы медные трубки диаметра, меньшего, чем диаметр силового электрода 3. В качестве высокочастотного генератора 8 может быть использован, например, ВЧГ-2/4 (4 кВт, 17 МГц). Дополнительный электрод 9 представляет собой медный стержень. Внешний электрод 10 изготовлен из листа латуни, загнутого по цилиндрической поверхности. Подвижная штанга 11 представляет собой стальной стержень. В качестве материала для электроизолирующей вставки 12 может быть использован фторопласт. В качестве привода 13 использован шаговый электродвигатель MOTS 1 (12 В, 32 мА).
При работе устройства для возбуждения высокочастотного факельного разряда непрерывно подают воду в силовой электрод 3 через штуцер 4 из системы водоснабжения 6 (СВ) и сливают воду из силового электрода 3 через штуцер 5 в систему канализации 7 (СК). Включают привод 13, приближают внешний электрод 10 к наружной поверхности диэлектрической трубки 1 и соответственно к дополнительному электроду 9, расположенному на силовом электроде 3 внутри объема, ограниченного диэлектрической трубкой 1. С помощью высокочастотного генератора 8 подают высокочастотное напряжение на силовой 3 и дополнительный 9 электроды. За счет емкостной связи между силовым электродом 3 и внешним электродом 10 осуществляют электрический пробой промежутка между внешним электродом 10 и заостренным концом дополнительного электрода 9 и возбуждают барьерный разряд между дополнительным электродом 9 и внутренней поверхностью диэлектрической трубки 1. С помощью привода 13 внешний электрод 10 перемещают параллельно оси диэлектрической трубки 1 в направлении формирования плазменного потока. Этим переносят барьерный разряд с заостренного конца дополнительного электрода 9 на силовой электрод 3. С помощью барьерного разряда возбуждают высокочастотный факельный разряд с силового электрода 3.
Эксперименты показали, что напряжение, необходимое для возбуждения барьерного разряда между дополнительным электродом 9 и внутренней поверхностью диэлектрической трубки 1, снижается с уменьшением радиуса кривизны заостренного конца дополнительного электрода 9. В экспериментах использовались дополнительные электроды с различными радиусами кривизны заостренного конца. Внешний диаметр диэлектрической трубки 1 составлял 60 мм. Толщина стенки диэлектрической трубки 1 составляла 3 мм. Результаты представлены в таблице 1.
Таким образом, уменьшено напряжение, необходимое для возбуждения барьерного разряда в устройстве для возбуждения высокочастотного факельного разряда.
Таблица 1
R<sub>кр</sub>, мм
0,055
0,13
0,25
0,4
0,515
0,65
U<sub>бар</sub>, кВ
2,4
2,84
3,25
3,4
3,64
3,75