НВЧ – плазматрони. НВЧ – модифікація технологічних процесів.
Для кожного технологічного завдання існує своє оптимальне рішення в залежності від технологічних вимог, що пред'являються до складу, розмірів та енергетичних параметрів плазмового струменя.
Загальні відомості щодо плазматрону
Плазматрон призначений для створення інтенсивних іонізованих потоків різних газів (плазмоїдів) та дисперсних порошкових сумішей високої чистоти в областях застосування:
1. Ініціація та стабілізація горіння суттєво забаластованих газоподібних паливних сумішей, наприклад, в альтернативній енергетиці.
2. Одержання синтезу – газу при активації процесів термохімічної конверсії та горіння різних низькосортних твердих палив.
3. Безмазутне спалювання вугільних пилів та інших твердих горючих речовин в енергетиці.
4. Одержання нанодисперсних порошкових матеріалів із заданими властивостями.
5. Модифікації робочих поверхонь деталей зі сталей, сплавів та напівпровідникових матеріалів перед операціями азотування, очищення чи травлення.
6. Розпалювання пиловугільних котлів.
7. Розкладання різних хімічних сполук та знешкодження отруйних шкідливих викидів.
8. Утилізація твердих побутових відходів (ТПВ).
9. Нанесення покриттів.
10. Др. Завдання плазмохімії.
Визначальні параметри для плазмового струменя
Низькотемпературна плазма (плазмоїд) є вільно локалізований НВЧ - розряд, який створюється в газовому середовищі під дією енергії електромагнітного поля. Плазма створюється в циліндричномухвилеводі, що збуджується на моді E01 НВЧ - коливань. Така хвилеводна система має дві "пучності" (максимум напруженості електричного поля) у центрів вихідних торцевих стінок.
Введення НВЧ випромінювання в камеру здійснюється за стандартним хвилеводом за допомогою збудливого штиря, розташованого біля торцевої стінки хвилеводу. У протилежного торця (з вихідним отвором) створюються умови для ініціювання НВЧ пробою газу з утворенням і підтримкою в стаціонарному стані плазмоїду, що вільно парить.
Форма, довжина і поперечні розміри плазмоїда регулюються кількістю плазмоутворюючого газу, що подається. При введенні до складу плазмоутворюючого газу паливних сумішей та інших горючих речовин, область іонізованого газу, що світиться, збільшується і набуває вигляду факела.
Іншим важливим параметром, що визначає роботу плазматрона та характеристики плазмового струменя, є потужність джерела НВЧ випромінювання: потужність НВЧ випромінювання та величини витрати газу тісно взаємопов'язані.
Основні переваги НВЧ - плазматронів:
1. Відсутність електродів дозволяє отримувати чисту плазму, повністю вільну від продуктів ерозії електродів.
2. Збільшений у 5-10 разів термін служби агрегату щодо електродного аналога.
3. Можливість роботи установки як за зниженого, і при атмосферному тиску.
4. У конструкції відсутні дефіцитні деталі та дорогі матеріали; установка до потужності 5 кВт не потребує водяного охолодження.
5. Забезпечення норм санітарної безпеки під час роботи обслуговуючого персоналу.
6. Можливість «масштабування» конструкції плазмотрона при переході на іншу робочу частоту та потужність джерела НВЧ випромінювання, модульність виконання пристрою при паралельній роботі компактнихплазмотронів, що працюють від одного потужного або кількох автономних джерел випромінювання
Основні типи плазматронів
Існують різні методи генерації плазми, серед яких найбільшого поширення набули електричні розряди постійного струму, змінного струму промислової частоти, високочастотні та НВЧ розряди.
1. НВЧ - плазматрон з хвилеводною системою на круглому хвилеводі
Електродинамічна схема НВЧ - плазматрон схематично представлена на малюнку.
Ініціювання плазми в даному пристрої здійснювали енергією розряду конденсатора ємністю 3 МкФ, зарядженого до напруги 2 кВ.
Плазматрон працював від магнетрону потужністю 1,5 – 2,5 кВт із робочою частотою 2,45 МГц. Потужність подавалась через стандартний хвилевід. За допомогою штиря зв'язку НВЧ енергія надходила до циліндричного хвилеводу, що збуджується на хвилі типу E10. Силові лінії електричного поля E у камері плазмотрону показані пунктирними лініями. Вихровий потік робочого газу і так звана зона рециркуляції (збігається з положенням плазмоїда) формувалася системою трубок газової магістралі з вхідними тангенціальними отворами в камері.
В експериментах коефіцієнт відбиття за потужністю в «гарячому» режимі був відносно великий: при потужності генератора живлення НВЧ 1,5 - 2,5 кВт рівень відбитої потужності в тракті досягав 400-500 Вт.
Вид плазмоїда всередині робочої камери такого типу плазмотрона представлений на малюнку.
Особливості плазматрону даного типу:
1. У конструкції відсутні будь-які контактуючі або розташовані в безпосередній близькості з плазмоїдом кварцові або керамічні трубки.
2. Плазмотрон є безелектродним, що забезпечує високу чистотуплазмохімічних процесів одержання або обробки матеріалів (відсутні продукти плазмової ерозії) та різко збільшує термін служби приладу.
3. У діапазоні потужностей 0.5 – 2.5 кВт камера не потребує водяного охолодження (випускне сопло під час роботи залишається холодним).
Варіанти виконання
А). Компактні НВЧ – плазматрони, що працює на частоті > 2 ГГц, з малогабаритними джерелами НВЧ - випромінювання потужністю 1-5 кВт можуть застосовуватися в тонких технологіях плазмохімії (травлення підкладок чіпів та інших виробів мікроелектроніки; отримання малих кількостей нанопорошків дорогоцінних металів та сплавів тощо)
Параметри НВЧ - плазмотронів потужністю до 2,0 кВт:1. частота випромінювання > 2,0 ГГц; 2. довжина НВЧ плазмоїда
60 - 70 мм; 3. температура плазмового струменя - 3 - 12 тис. оС 4. ККД > 60%
Б). У складі великих промислових установок
Доцільно застосування промислових магнетонів, що серійно випускаються, потужністю 50-100 кВт з частотою випромінювання 915 МГц. При цьому геометричні розміри хвилеводного тракту і камери власне плазмотрона зростають пропорційно довжині хвилі НВЧ випромінювання.
2. Прямоточний НВЧ – плазматрон за схемою В.І.Капустіна
Схема плазмотрона зображено малюнку.
Особливості конструкції.
У розрядну камеру НВЧ енергія подається через хвилезнавчу систему, а плазмоутворюючий газ - через сопловий блок. Хвильове система забезпечує збудження електричного поля з поздовжньою поляризацією в розрядній камері. Особливість соплового блоку полягає у формуванні багатоструминного потоку плазмоутворюючого газу.
Конструкція сопла забезпечує інтенсивне охолодження розрядної камери, виконаної з фторопласту,запобігаючи її руйнуванню. Велике значення має співвідношення витрати плазмоутворюючого газу та потужності НВЧ генератора, ці два параметри тісно взаємопов'язані.
Оптимізація НВЧ – плазматронів
Роботу з оптимізації геометричних, електродинамічних та газодинамічних параметрів плазматрона з урахуванням характеристик галузі енерговиділення та властивостей плазмоїда готові проводити під конкретні технологічні завдання.