Высокочастотные плазмотроны
Курсовой проект - Физика
Другие курсовые по предмету Физика
мя плазмотрона на выходе из трубки.[2] С этой точки зрения представляет интерес конструкция плазмотрона с вихревой стабилизацией, представленная на рисунке 1.9. В этой конструкции поток термозащитного газа, кроме направления вдоль оси трубки 10, имеет ещё и тангенциальную направляющую скорости, которая создаётся при помощи завихрителя 6. Центробежная сила, возникающая при этом, прижимает струю газа к внутренней стенке кварцевой трубки 10, создавая тем самым тонкий слой термозащитного газа. Кожух 7 и два штуцера предназначены для подачи и формирования внешнего обдувающего потока, направленного в основном в зазор между трубкой 10 и индуктором 9. Система цангового зажима 8 позволяет просто и легко производить замену кварцевых труб, кран 1 и штуцер 2 служат для подачи и регулирования скорости термозащитного газа.
Кроме того важным конструктивным элементом ВЧИ-плазмотрона является экран, закрывающий окружающее пространство от светового и электромагнитного излучения плазмотрона. Схемы таких плазмотронов представлены в приложении Б.[1]
1.2.3 Пористые разрядные камеры
В качестве одного из вариантов разрядной камеры ВЧИ-плазмотрона может быть рассмотрена пористая разрядная камера.
Проникновение холодного газа через стенки камеры приводит как к охлаждению стенок, так и к вытеснению плазмы из пристеночной зоны, то есть можно добиться того же эффекта, что и при аксиальной стабилизации разряда.
Усилием ряда исследователей в настоящее время созданы и успешно функционируют плазмотроны с пористой разрядной камерой, которые успешно применяются для спектрального анализа.
Основной особенностью ВЧИ-плазмотрона с пористой камерой является то, что течение газа в нём существенно отличается от течения газа в кварцевой трубке или в металлическом разрезном плазмотроне. Если в кварцевой трубке газ движется с глухого торца камеры вдоль её стенок и характер его движения обусловлен конструкцией газоформирователя, то в пористой камере газ поступает в разрядный объём по всей длине камеры распределённо с некоторым усреднённым расходом на единицу поверхности стенки. Величина усреднённого расхода газа зависит от многих факторов, таких как степень пористости стенки, избыточное давление газа с внешней поверхности камеры, физико-химические свойства газа и материала стенок и т.п.
Если в подобном плазмотроне необходимо нагреть большее количество газа, чем усрёднённый его расход, то можно организовать дополнительную подачу газа через газоформирователь, как в случае обычного кварцевого плазмотрона.
В отличие от прозрачной кварцевой камеры пористая керамическая камера является непрозрачной и в ней отсутствуют потери на световое излучение. Следвательно, КПД ВЧИ-плазмотрона с пористой разрядной камерой выше КПД аналогичной кварцевой камеры, по крайней мере на величину потерь на световое излучение, что особенно существенно при повышении давления в камере.
К материалам для пористых разрядных камер предъявляются следующие требования:
высокая максимальная рабочая температура (примерно 1500ОС и выше);
высокая электрическая прочность, так как напряжение на индукторе при поджиге может достигать 8-10 кВ;
высокое удельное электрическое сопротивление при нормальной и высокой (до 1500ОС) температурах (более 103 Омсм);
высокая механическая прочность при нормальных и повышенных температурах;
хорошая газопроницаемость;
стойкость к термоудару;
малая испаряемость материала;
высокая стойкость к окислению при повышенных температурах.
Результаты исследований показали, что в качестве материала для разрядных камер с пористой стенкой с учётом изложенных выше требований может быть рекомендована высокотемпературная керамика на основе нитрида кремния.
В настоящее время успешно работает ВЧИ-плазмотрон мощностью 1 МВт с керамической проницаемой разрядной камерой диаметром 200 мм, длиной 500 мм и толщиной стенки 8-10 мм с расходом газа через стенку 5 г/с.[3]
1.2.4 ВЧИ-плазмотроны с металлическими разрезными водоохлаждаемыми камерами
Разрядные камеры с газовой и водяной термозащитой хотя и обеспечивают стабильную работу ВЧИ-плазмотронов, обладают применительно к некоторым технологическим процессам целым рядом существенных недостатков. Эти недостатки выражаются, прежде всего, в несовместимости условий надёжной термозащиты стенок разрядных камер и специфических требований ряда технологических процессов Необходимость увеличения мощности в разряде до нескольких сотен киловатт приводит к необходимости разработки новых камер для высокочастотного индукционного разряда.
В 1962-1963 годах был предложен новый тип разрядной камеры с металлическими разрезными водоохлаждаемыми стенками, в которой может надёжно существовать индукционный высокочастотный разряд мощностью в несколько десятков и сотен киловатт при пониженном и высоком (5-10 атм) давлении в разрядной камере.
Принцип работы такой камеры основан на следующих основных положениях. Если в индуктор поместить полый металлический цилиндр, толщина стенки которого заведомо больше глубины проникновения электромагнитного поля в металл, то он будет поглощать в стенках всю электромагнитную энергию, и поле внутри него практически будет равно нулю. Однако если в этом же цилиндре сделать хотя бы один продольный сквозной разрез (параллельный оси цилиндра), то электромагнитная энергия может свободно проникать внутрь цилиндра, что позволяет возбуждать внутри н