Большая Советская Энциклопедия (цитаты)

Плазматрон

Плазматрон (далее П) плазмотрон, плазменный генератор, газоразрядное устройство для получения "низкотемпературной" (Т " 104 К) плазмы. П используются главным образом в промышленности в технологических целях (см. Плазменная горелка, Плазменная металлургия, Плазменная обработка, Плазмохимия), но устройства, аналогичные П, применяют и в качестве плазменных двигателей (см. также Электрореактивные двигатели). Начало широкого использования П в промышленной и лабораторной практике (и появление самого термина "П") относится к концу 50-х - началу 60-х гг. 20 в., когда были разработаны эффективные с инженерной точки зрения способы стабилизации высокочастотного разряда и дугового разряда, а также способы изоляции стенок камер, в которых происходят эти разряды, от их теплового действия. Соответственно, наиболее широкое распространение получили дуговые и высокочастотные (ВЧ) плазматроны.

  Дуговой П постоянного тока состоит из следующих основных узлов: одного (катода) или двух (катода и анода) электродов, разрядной камеры и узла подачи плазмообразующего вещества; разрядная камера может быть совмещена с электродами - так называемыми П с полым катодом. (Реже используются дуговые П, работающие на переменном напряжении; при частоте этого напряжения " 105 гц их относят к ВЧ плазматронам.) Существуют дуговые П с осевым и коаксиальным расположением электродов, с тороидальными электродами, с двусторонним истечением плазмы, с расходуемыми электродами (рис. 1) и т.д. Отверстие разрядной камеры, через которое истекает плазма, называется соплом П (в некоторых типах дуговых П границей сопла является кольцевой или тороидальный анод). Различают две группы дуговых П- для создания внешней плазменной дуги (обычно называется плазменной дугой) и плазменной струи. В П 1-й группы дуговой разряд горит между катодом П и обрабатываемым телом, служащим анодом. Эти П могут иметь как только катод, так и второй электрод - вспомогательный анод, маломощный разряд на который с катода (кратковременный или постоянно горящий) "поджигает" основную дугу. В П 2-й группы плазма, создаваемая в разряде между катодом и анодом, истекает из разрядной камеры в виде узкой длинной струи.

  Стабилизация разряда в дуговых П осуществляется полем, потоками газа и стенками разрядной камеры и сопла. Один из распространенных способов стабилизации плазменноструйных П с анодом в форме кольца или тора, коаксиального катоду, состоит в создании (с помощью соленоида) перпендикулярного плоскости анода сильного поля, которое вынуждает токовый канал дуги непрерывно вращаться, обегая анод. Поэтому перемещаются по кругу анодные и катодные пятна дуги, что предотвращает расплавление электродов (или их интенсивную эрозию, если они выполнены из тугоплавких материалов).

  К числу способов газовой стабилизации, теплоизоляции и сжатия дуги относится так называемая "закрутка" - газ подается в разрядную камеру по спиральным каналам, в результате чего образуется газовый вихрь, обдувающий столб дуги и генерируемую плазменную струю: слой более холодного газа под действием центробежных сил располагается у стенок камеры, предохраняя их от контакта с дугой. В случаях, когда не требуется сильного сжатия потока плазмы (например, в некоторых П с плазменной дугой, используемых для плавки металла; см. Плазменная печь), стабилизирующий газовый поток не закручивают, направляя параллельно столбу дуги, и не обжимают соплом (катод располагают на самом срезе сопла). Очень часто стабилизирующий газ одновременно является и плазмообразующим веществом. Применяют также стабилизацию и сжатие дуги потоком воды (с "закруткой" или без нее).

  Плазма дуговых П неизбежно содержит частицы вещества электродов вследствие их эрозии. Когда этот процесс по технологическим соображениям полезен, его интенсифицируют (П с расходуемыми электродами); в др. случаях, напротив, минимизируют, изготовляя электроды из тугоплавких материалов ( спец. сплавы) и (или) охлаждая их водой, что, кроме того, увеличивает срок службы электродов. Более "чистую" плазму дают ВЧ плазматроны (см. ниже).

  П с плазменной струей обычно используют при термической обработке металлов, для нанесения покрытий, получения порошков с частицами сферической формы, в плазмохимической технологии и пр.; П с внешней дугой служат для обработки электропроводных материалов; П с расходуемыми электродами применяют при работе на агрессивных плазмообразующих средах (воздухе, воде и др.) и при необходимости генерации металлической, и т.д. плазмы из материала электродов (например, при карботермическом восстановлении руд).

  Мощности дуговых П 102-107 вт; температура струи на срезе сопла 3000-25 000 К; скорость истечения струи 1-104 м/сек; промышленное кпд 50-90%; ресурс работы (определяется эрозией электродов) достигает несколько сотен ч, в качестве плазмообразующих веществ используют воздух, 2, , 2, 4, 2, 2, жидкие и твердые углеводороды, металлы, пластмассы.

  Высокочастотный П включает: электромагнитную катушку-индуктор или электроды, подключенные к источнику высокочастотной энергии, разрядную камеру, узел ввода плазмообразующего вещества. Различают индукционные, емкостные, факельные (см. Факельный разряд), П на коронном разряде и с короной высокочастотной, а также сверхвысокочастотные (СВЧ) П (рис. 2). Наибольшее распространение в технике получили индукционные ВЧ плазматроны, в которых плазмообразующий газ нагревается вихревыми токами. Т. к. индукционный высокочастотный разряд является безэлектродным, эти П используют для нагрева активных газов (2, 2, воздуха и др.), паров агрессивных веществ ( и др.), а также инертных газов, если к плазменной струе предъявляются высокие требования по чистоте. С помощью индукционных П получают тонкодисперсные и особо чистые порошковые материалы на основе нитридов, боридов, карбидов и др. соединений. В плазмохимических процессах объем разрядной камеры таких П может быть совмещен с реакционной зоной (см. Плазменный реактор). Мощность П достигает 1 Мвт, температура в центре разрядной камеры и на начальном участке плазменной струи ~ 104 К, скорость истечения плазмы 0-103 м/сек, частоты - от нескольких десятков тыс. гц до десятков Мгц, промышленное кпд 50-80%, ресурс работы до 3000 ч. В СВЧ плазматроне рабочие частоты составляют тысячи и десятки тыс. Мгц; в качестве питающих их генераторов применяются магнетроны. ВЧ плазматроны всех типов, кроме индукционных, применяются (70-е гг. 20 в.) главным образом в лабораторной практике. В ВЧ плазматроне, как и в дуговых, часто используют газовую "закрутку", изолирующую разряд от стенок камеры. Это позволяет изготовлять камеры ВЧ плазматрона из материалов с низкой термостойкостью (например, из обычного или органического стекла).

  Для пуска П, т. е. возбуждения в нем разряда, применяют: замыкание электродов, поджиг вспомогательного дугового разряда, высоковольтный пробой межэлектродного промежутка, инжекцию в разрядную камеру плазмы и др. способы. Основные тенденции развития П: разработка специализированных П и плазменных реакторов для металлургической, промышленностей, повышение мощности в одном агрегате до 1-10 Мвт, увеличение ресурса работы и т.д.

  Лит.: Генераторы низкотемпературной плазмы, М., 1969; Жуков М. Ф., Смоляков В. Я., Урюков Б. А., Электродуговые нагреватели газа (Плазмотроны), М., 1973; Физика и техника низкотемпературной плазмы, под ред. С. В. Дресвина, М., 1972.

  А. В. Николаев. Л. М. Сорокин.



Для поиска, наберите искомое слово (или его часть) в поле поиска


Новости 28.09.2022 22:39:26