Главная | Обратная связь

РАЗДЕЛ 2 ЭЛЕМЕНТЫ ПЛАЗМЕННОЙ И ИОННО-ПЛАЗМЕННОЙ ТЕХНОЛОГИЙ

Устройства, обеспечивающие потоки плазмы с достаточно широким диапазоном параметров, обычно подразделяют на два класса:

■плазмотроны;

■плазменные ускорители (ПУ)

Место этих устройств среди ряда других систем, обеспечивающих потоки частиц для технологических целей, иллюстрируется (несколько условно) рис. 2.1. Ближайшими соседями их, как видно, являются классические газодинамические системы и ускорители заряженных частиц. Газодинамика обычно имеет дело с электрически нейтральными потоками большой плотности, но малой энергии. В ускорителях заряженных частиц с помощью электрических полей ускоряются до больших энергий частицы одного знака, однако плотность частиц в потоке ограничена объемным зарядом и поэтому невелика.

Существенно более высокие плотности частиц в потоке, в том числе заряженных частиц, достигаются именно в плазмотронах и плазменных ускорителях.

Под плазмотронамипонимаются устройства для получения низкотемпературной плазмы, в которых электрическая энергия внешнего источника питания преобразуется в ионизацию частиц рабочего вещества и энергию частиц плазмы. В большинстве случаев это устройства на основе разряда в газе. Получаемая в плазмотронах плазма имеет электронную температуру, не превышающую 10 эВ ( < 10⁵ К), скорость ее частиц обычно не выше 10⁴ м/с, а кинетическая энергия ионов не более 10 эВ/нуклон. Вместе с тем, высокая плотность частиц (с давлением порядка атмосферного) может обеспечить передаваемую потоком мощность до 10 МВт.

Под плазменными ускорителями(ПУ) понимаются устройства, позволяющие получать потоки плазмы с достаточно высокими плотностью и энергией ионов ( > 10 эВ/нуклон), а также скоростью частиц >10⁵ м/с. Достижение в ПУ таких высоких значений основных параметров потока связано с тем, что в них ионы, так же как в ускорителях заряженных частиц, ускоряются электромагнитным полем, но из-за особенностей процесса ускорения отпадает необходимость в разделении положительных и отрицательных частиц.

Выделение плазмотронов в самостоятельный тип устройств для получения плазменных потоков связан с тем, что в них преобладающими процессами являются возбуждение и ионизация рабочего вещества, а в плазменных ускорителяхпреобладающим становится именно процесс ускорения уже образовавшихся ионов.

Следует отметить, что энергии ионов и электронов плазмы при одной и той же скорости отличаются очень сильно. Ввиду этого ПУ можно считать также устройствами, в которых за счет энергии электромагнитного поля происходит ускорение ионов в среде электронов, компенсирующих их объемный заряд.

Плазмотроны

Плазмотроны, как достаточно эффективные источники плазменных энергетических потоков, стали использоваться для лабораторных и технологических целей начиная с конца 50-х годов XX века, когда были разработаны эффективные с инженерной точки зрения способы стабилизации дугового и высокочастотного разряда, а также способы изоляции стенок камер, в которых происходят эти разряды, от их теплового действия.

В технологических процессах обычно используются дуговые и высокочастотные плазмотроны.

Плазмотроны имеют различные конструктивные исполнения, хотя по способу образования плазмы отличаются незначительно. Принцип работы плазмотрона заключается в следующем. Холодный газ непрерывным потоком продувают через область, где горит стационарный разряд; газ нагревается, ионизуется, превращается в плазму, которая чаще всего вытекает из области разряда в виде плазменной струи прямо в атмосферу (тогда и давление в плазме атмосферное).

В плазмотронах преимущественно реализуется газодинамический механизм ускорения плазмы за счет градиента давления ( ) рабочего раза.

Оптимальный рабочий процесс в плазмотроне должен удовлетворять следующим требованиям. Во-первых, для получения максимальной среднемассовой температуры большая часть нагреваемого газа должна взаимодействовать с дуговым разрядом. Во-вторых, необходимо обеспечить такие тепловые режимы всех узлов плазмотрона, при которых ресурс его работы был бы достаточно велик. Для плазмотронов большой мощности это требование сводится к обеспечению стойкости электродов и тепловой изоляции стенок разрядной камеры. В-третьих, необходимо обеспечить стабилизацию дуги газового разряда в плазмотроне.

Поясним смысл термина "стабилизация дуги". Киносъемка дуги, горящей между торцевыми электродами в большом объеме без протока газа, показала, что в результате возникновения свободной конвекции форма дуги непрерывно меняется, а места привязки дуги к электродам хаотически перемещаются по их поверхностям. В плазмотронах рабочий процесс организуют таким образом, чтобы положение дуги было стабильным в пространстве или чтобы движение дуги происходило упорядоченно. В этом смысле говорят о стабилизации дуги.