Высокочастотные плазмотроны
Курсовой проект - Физика
Другие курсовые по предмету Физика
его индукционный разряд. Интенсивное водяное охлаждение стенок цилиндра обеспечивает надёжную и стабильную работу таких устройств с разрядами мощностью в несколько сотен киловатт.
На схеме ВЧИ-плазмотрона с металлической разрезной водоохлаждаемой камерой видно, что наиболее простым и естественным решением является размещение медной водоохлаждаемой трубы, выполненной в виде продольного змеевика внутри кварцевой трубы.
Также в таких плазмотронах в дополнение к водяному охлаждению медных труб можно предусмотреть газовую термозащиту и стабилизацию плазмы аксиальным газовым потоком.[4]
2. Высокочастотные емкостные плазмотроны
2.1 Принцип работы ВЧЕ-плазмотрона
Принцип работы ВЧЕ-плазмотрона удобно рассматривать на примере эквивалентной электрической схемы связи источника питания с плазмой.
В ВЧЕ-плазмотроне источник питания связан с плазмой через электрическую ёмкость коаксиальной системы, образованной внешними электродами 1 и плазменным шнуром 2. Возникающий при этом шнур плазмы не имеет непосредственного контакта ни с электродами, ни со стенками разрядной камеры, что обеспечивает чистоту плазмы. ВЧЕ-плазмотрон очень сильно отличается характером плазмы от ВЧИ-плазмотрона. Сила тока в ВЧЕ-плазмотроне составляет порядка нескольких ампер (1-10 А по сравнению с сотнями ампер в ВЧИ-плазмотроне), общее падение напряжения на единицу длины шнура составляет до 20-200 В/см, диаметр шнура - до 1 см (5-15 см для ВЧИ-плазмы). Эти характеристики ВЧЕ-плазмотрона позволяют реализовывать в нём высокую мощность при весьма слабых токах (до 10 А). Плазма в таких условиях даже в молекулярных газах неравновесна.
Качественные характеристики ВЧЕ-плазмотронов:
низкий уровень излучения;
высокая напряжённость электрического поля;
малая мощность, необходимая для поддержания разряда.[2]
2.2 Конструкции ВЧЕ-плазмотронов
Существует несколько вариантов конструкций разрядных камер ВЧЕ-плазмотронов: плазмотроны линейной схемы, линейно-тороидальные плазмотроны, с плоской геометрией электродов и с коаксиальной геометрией электродов. Классификация ВЧЕ-плазмотронов приведена в приложении В. Основные конструктивные схемы ВЧЕ-плазмотронов приведены в приложении Г.[1]
2.2.1 ВЧЕ-плазмотроны линейной схемы
В ВЧЕ-плазмотронах линейной схемы применяется кольцевой цилиндрический электрод, не имеющий непосредственного контакта с плазмой. Такие плазмотроны называют линейными по виду разрядного канала, вытянутого в линию и соосных ему электродов. Различные конструктивные варианты линейных ВЧЕ-плазмотронов представлены в приложении В.
Электроды (их может быть 2, 3 или 5) в плазмотронах линейной схемы цилиндрические и располагаются соосно разрядным камерам с некоторым зазором. Подключение электродов к источнику питания осуществляется так, чтобы потенциальный электрод располагался между заземлёнными. Таким образом можно обеспечить экранировку электромагнитного поля и снять потенциал со струи плазмы, истекающей из разрядной камеры. В случае многоэлектродной схемы плазмотрона в разрядной камере образуется несколько ВЧ-дуг в соответствии с количеством электродов. Протекание тока через разряд происходит вдоль оси разрядной камеры. Мощность разряда и величина тока через разряд определяются величиной ёмкости связи между электродами и разрядом, которая зависит от диаметра и высоты электрода.
Уровень вкладываемой мощности в разряд ограничивается ресурсом работы разрядной камеры ВЧЕ-плазмотрона, а также слабой емкостной связью между электродами и плазменным шнуром. Для увеличения ресурса работы используют электроды специальной формы, обращённые друг к другу большими радиусами. Это обеспечивает более равномерную тепловую нагрузку по стенке камеры, однако не снимает возможность её перегрева. Также используют металлические водоохлаждаемые камеры, однако теряется чистота плазмы. Для повышения уровня мощности промежуток электрод - плазма заполняют средой с высокой диэлектрической проницаемостью с целью увеличения емкостной связи разряда плазмы с электродами. В качестве такой среды используют сегнетоэлектрическую вставку.[5]
2.2.2 Линейно-тороидальные ВЧЕ-плазмотроны
ВЧЕ-плазмотрон линейной схемы может быть сделан в виде тора с двумя или четырьмя электродами. Такой тип плазмотронов назван линейно-тороидальным. По характеристикам и принципу работы они сходны с плазмотронами линейной схемы.[1]
2.2.3 ВЧЕ-плазмотрон с плоской геометрией электродов
Наиболее простой и известной формой ВЧЕ-разряда является разряд между двумя плоскими электродами. Такие плазмотроны могут иметь цилиндрическую или прямоугольную разрядную камеру. Основное назначение таких плазмотронов - реализация процессов травления и очистки различного рода материалов, осаждения и получения покрытий на металлические и неметалические материалы. Также большая область применения таких плазмотронов - для накачки газовых лазеров.[5]
В плазмотроне с плоской геометрией электродов разрядный промежуток d, через который продувается газ, образован электродами 1, изолированными от разряда диэлектрическими покрытиями 2. Как правило, плоские электроды изготавливаются из меди, латуни или нержавеющей стали и располагаются на наружной поверхности разрядной камеры. Практически всегда электроды принудительно охлаждаются при помощи обдува их холодным газом или при помощи специаль?/p>