СВЧ-ПЛАЗМОТРОН

Полезная модель относится к измерительной техники, а именно к приборам исследования элементного состава вещества путем его нагрева, при котором оно испускает излучение, регистрируемое различными спектральными приборами.
Известен плазмотрон постоянного тока, содержащий камеру из непроводящего материала, верхняя и нижняя токопроводящие крышки которой являются анодом и катодом, к которым подводится высокое напряжение постоянного тока. Недостатком плазмотрона постоянного тока является низкий коэффициент передачи мощности источника тока в плазму и большой расход плазмообразующего газа, при этом большая часть энергии (более 90%) уходит на нагрев камеры, поэтому она имеет устройство для водяного охлаждения, усложняющее конструкцию и повышающее сложность эксплуатации прибора.
Известны также приборы с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-приборы).
В ИСП-приборах факел ионизированного газа возбуждается током высокой частоты и удерживается в формирующем плазму устройстве, которое состоит из трех концентрических кварцевых трубок, при этом факел находится в индукторе с водяным охлаждением, который преобразует энергию высокой частоты в плазму. Через концентрические трубки постоянно подаются с разными скоростями три потока инертного газа (преимущественно аргона) которые используются соответственно для образования плазмы, охлаждения индуктора, подачи анализируемой пробы вещества в факел. Недостаток приборов ИСП связан с тем, что уменьшение затрат на проведение анализа (снижение расхода электроэнергии и снижение расхода плазмообразующего газа) обеспечивается значительным усложнением конструкции прибора, а также необходимостью удержания факела плазмы в пределах малого объема кварцевой трубки, образование на поверхности которой осадка исследуемой пробы вещества приводит к уменьшению ее прозрачности. Поэтому, прибор нуждается в постоянном профилактическом осмотре и очистке от образующихся на поверхности кварца осадков.
В качестве прототипа предлагаемой полезной модели выбран патент США №4611108 «Факельный плазмотрон», в котором плазмообразующий газ подается по металлической трубе к ее концу, на котором образуется факел. Подающая газ трубка возбуждается СВЧ-энергией от волновода прямоугольного сечения, короткозамкнутого подвижным поршнем на одном конце. Трубка проходит сквозь волновод через отверстия большего диаметра, чем сама трубка. На каждой стороне трубки установлены металлические втулки (согласователи), которые обеспечивают лучшее согласование на каждой стороне волновода. Два рода газов могут быть доставлены в плазму при использовании концентрически расположенных двух металлических трубок. Зона образования плазмы может быть смещена дальше от волновода путем согласования импедансов втулок (согласователей). Для целей аналитических измерений устройство прототипа имеет и существенные недостатки. Эффективное преобразование мощности источника СВЧ-энергии в плазму обеспечивается только при согласовании импедансов прямоугольно волновода, коаксиального волновода, образованного концентрическими трубками, и плазмой. Для обеспечения этого согласования в устройстве прототипа используются не менее двух механически регулируемых втулок на концах трубок и перестраиваемый поршень на короткозамкнутом конце волновода прямоугольного сечения. Следовательно, система эффективно работает только при стабильности условий образования плазмы: постоянстве подачи плазмообразующего газа и анализируемой пробы. Но для целей анализа вещества необходимо вводить пробы различного состава. Кроме того, устройство по прототипу нуждается в приспособлениях для внешнего поджига факела. Это связано с тем, что магнетроны, которые являются наиболее доступными устройствами генерации СВЧ-поля, могут работать только на постоянную нагрузку и в случае резкого уменьшения нагрузки выходят из строя. В устройстве прототипа самостоятельный пробой и образование факела плазмы возможны в принципе, однако резкое изменение нагрузки при этом приводит к рассогласованию системы, резкому уменьшению нагрузки и пробою магнетрона, при этом быстрая перестройка системы изменением настройки нескольких механически регулируемых устройств в малый промежуток времени после пробоя плазмы практически не возможна.
Другой недостаток прототипа связан с необходимостью подачи разных газов по двум концентрическим трубкам, диаметр которых не может быть большим, а длина - менее сечения прямоугольного волновода. При этих условиях затруднительно управлять скоростью подачи различных газов по трубкам таким образом, чтобы обеспечить необходимую их концентрацию в пространстве образования факела плазмы. Необходимость подачи большего объема газа по трубке наружной концентрической трубке малого сечения и, следовательно, большого сопротивления потоку, приводит к необходимости увеличения скорости подачи (давления газа), но это может вызывать «задувание» плазменного факела, либо не обеспечивает возможность оптимального смешения газов в области факела.
Целью предлагаемой полезной модели является создание устройства с широкополосным согласованием волновых сопротивлений прямоугольного и коаксиального волновода и плазменного факела, в котором не требуется использование подвижных элементов для настройки. При этом предусматривается возможность как самостоятельного пробоя для зажигания разряда, так и возможность работы устройства без использования специальных и дорогих плазмообразующих газов, предусмотрено также создание условий для подачи в область плазменного факела газов, которые могут создавать среду, улучшающую условия выделения эмиссионных линий элементов (устранение мешающего фона воздуха). При этом дополнительно обеспечивается возможность сбора и очистки отработанных газов перед их выпуском в атмосферу, что важно при анализе канцерогенных веществ.
Работа предлагаемого устройства поясняется схемой на рисунке 1.
Предлагаемое устройство имеет в своем составе: 1 - магнетрон; 2 - волноводный тракт прямоугольного сечения (в сечении тракта α-α' может находиться регулируемый аттенюатор для управления СВЧ мощностью, питающей факел); 3 - переходник волновода с поворотом на 90°; 4 - герметичное волноводное окно; 5 - трубка подачи плазмообразующего газа; 6 - наконечник трубки, образующий коаксиальную часть волновода; 7 - внешняя трубка; 8 - элемент согласования широкополосного перехода прямоугольного волновода в коаксиальный; 9 - тороидальный резонатор; 10 - герметичная камера; 11 - герметичное уплотнение коаксиальной части преобразователя; 12 - кварцевое окно для исследования эмиссионных спектров; 13 - штуцер для ввода анализируемой пробы; 14 - штуцер для ввода в герметичную камеру газа; 15 - штуцер для вывода отработанных продуктов в очистительную систему.
10
10
10
10
При подаче плазмообразующего газа через наконечник трубки 6 в герметичную камеру 10 за счет микроволновой энергии от магнетрона 1, передаваемого по волноводу прямоугольного сечения 2, возникает факел в герметичной камере 10. Работа устройства без использования специальных механически перестраиваемых согласователей обеспечивается наличием широкополосного преобразователя волны TE (H) прямоугольного волновода в волну TEM коаксиального волновода (рис.1), образованного отрезком прямоугольного волновода и трубкой, которая выполняет роль элемента распределенной связи прямоугольного волновода с центральным проводником коаксиального волновода. Коаксиальный волновод образован наконечником трубки 6 и внешней концентрической трубкой 7. Коаксиальная часть устройства возбуждается наведенным током в петле связи, через трубку 5. Ток индуцируется поперечным потоком магнитной составляющей поля волны TE (H). Преобразователь обеспечивает плавный переход между волноводами как неоднородная линия с непрерывно меняющимися вдоль продольной координаты погонными параметрами, которая служит для сопряжения двух однородных линий с различными волновыми сопротивлениями. Расчет таких линий возможен лишь в немногих частных случаях, поэтому, для настройки системы при ее изготовлении используется ступенчатый элемент согласования широкополосного перехода прямоугольного волновода в коаксиальный 8. Снизу преобразователь изолирован от атмосферы волноводным окном 4, сверху герметичным уплотнением 11.
d
o
o
o
o
d
Волноводное окно изготавливается из диэлектрика с низкими потерями и возможно низкой диэлектрической проницаемостью ε. Размеры окна α×b, (по широкой α и по узкой сторонам волновода b, соответственно) вычисляются из условия равенства эквивалентных сопротивлений собственно волновода и уменьшенного волновода, образованного металлической рамой с просветом α×b, заполненным диэлектриком с относительной диэлектрической проницаемостью ε:
o
Равенство волновых сопротивлений обеспечивает отсутствие отражения от окна волн основного типа. Ширина частотной полосы окна зависит от его толщины l. Чем окно тоньше, тем шире полоса.
Изоляция преобразователя от атмосферы и наличие герметичной камеры 10 позволяет изолировать факел плазмы от атмосферы, путем подачи в штуцер 13 других газов. Эти газы поступают в область факела через преобразователь и внешнюю трубку 7, которая может иметь большее сечение и короче, чем в концентрическая подающая трубка в устройстве прототипа, поэтому не создает значительного сопротивления проходящему потоку газа.
Замена воздушной среды, окружающей факел, на другие газовые среды позволяет избежать маскировки эмиссионных спектров исследуемой пробы спектрами азота и кислорода окружающего воздуха. Высокая концентрация энергии в узком пространстве факела позволяет также исключить использование плазмообразующих газов и получать плазменный факел непосредственно в парах воды, в которой растворена исследуемая проба. Наличие в спектре воды линий атомарного водорода серии Бальмера дают дополнительную возможность измерения и контроля параметров самого факела (температуры и концентрации плазмы). Имеется также возможность подачи в штуцер 13 горючих газов и окислителя, для получения комбинированного химико-физического факела с новыми свойствами и повышенной температурой, что упрощает реализацию устройства и обеспечивает лучшие параметры ионизации исследуемой пробы в некоторых частных применениях устройства.
10
10
0
Питающая устройство волна TE(Н) в прямоугольном волноводе создается магнетроном непрерывного действия 1. Для пробоя плазмы и поджига факела в начальный момент времени требуется более высокая напряженность поля, чем для поддержания горения. Для создания высокой напряженности поля до поджига факела, используется тороидальный резонатор 15, который настраивается в резонанс с частотой магнетрона перемещением резонатора вдоль оси концентрических трубок 6 и 7. Резонатор выполняет вспомогательную роль стартового усилителя напряженности поля для облегчения пробоя. Его использование позволяет получать самостоятельный пробой и поджиг факела при использовании магнетронов малой мощности до 1 кВт, которые используются в бытовых СВЧ-печах и имеют вследствие этого низкую стоимость. Тороидальный резонатор рассчитывается как контур с сосредоточенными параметрами (L, С). При этом его емкость определяется преимущественно величиной зазора d, варьируемого перемещением насадки по вертикали, а индуктивность - тороидальным объемом. Резонансная частота тороидального резонатора, имеющего большой и малый радиусы - R и r, высоту тора - h вычисляется по формуле:
Переходник 3 волновода с поворотом на 90° обеспечивает уменьшение высоты устройства и его удобную компановку в корпусе малогабаритного прибора, но может и отсутствовать без ухудшения других характеристик устройства.
Литература
1. Барсуков В.Н. «Атомный спектральный анализ». Изд. «Машиностроение - 1», Москва, 2005 г.