ПЛАЗМАТРОН
, плазмотрон, плазменный
генератор, газоразрядное устройство для получения "низкотемпературной"·
(Т
104 К) плазмы. П. используются гл. обр. в пром-сти
в технологич. 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 пром. и лабораторной
практике (и появление самого термина "П.") относится к кон. 50-х - нач.
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
след. осн. узлов: одного (катода) или двух (катода и анода) электродов,
разрядной камеры и узла подачи плазмообразующего вещества; разрядная камера
может быть совмещена с электродами - т.н. 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 к-рое истекает плазма, наз. соплом
П. (в нек-рых типах дуговых П. границей сопла является кольцевой или тороидальный
анод). Различают две группы дуговых П.- для создания внешней плазменной
дуги (обычно наз. 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 - вспомогат.
анод, маломощный разряд на к-рый с катода (кратковременный или постоянно
горящий) "поджигает" осн. дугу. В П. 2-й группы плазма, создаваемая в разряде
между катодом и анодом, истекает из разрядной камеры в виде узкой длинной
струи.
Рис. 1. Схема дуговых плазматронов:
a - осевой; 6 - коаксиальный; в - с тороидальными электродами; г - двустороннего
истечения; д - с внешней плазменной дугой; е - с расходуемыми электродами
(эрозионный); 1 - источник электропитания; 2 - разряд; 3 - плазменная струя;
4 - электрод; 5 - разрядная камера; 6 - соленоид; 7 - обрабатываемое тело.
Стабилизация разряда в дуговых П. осуществляется
магнитным полем, потоками газа и стенками разрядной камеры и сопла. Один
из распространённых способов магнитной стабилизации плазменноструйных П.
с анодом в форме кольца или тора, коаксиального катоду, состоит в создании
(с помощью соленоида) перпендикулярного плоскости анода сильного магнитного
поля, к-рое 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 т. н. "закрутка" - газ подаётся 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 (напр., в нек-рых 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 неё).
Плазма дуговых П. неизбежно содержит частицы
вещества электродов вследствие их эрозии. Когда этот процесс по технологич.
соображениям полезен, его интенсифицируют (П. с расходуемыми электродами);
в др. случаях, напротив, минимизируют, изготовляя электроды из тугоплавких
материалов (вольфрам, молибден, 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 струёй обычно используют
при термич. обработке металлов, для нанесения покрытий, получения порошков
с частицами сферич. формы, в плазмохимич. 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 металлич., углеродной
и т. д. плазмы из материала электродов (напр., при карботермич. восстановлении
руд).
Мощности дуговых П. 102-107вт;
Высокочастотный П. включает: электромагнитную
Рис. 2. Схемы высокочастотных плазматронов:
Для пуска П., т. е. возбуждения в нём разряда,
Лит.: Генераторы низкотемпературной
А
Б
В
Г
Д
Е
Ё
Ж
З
И
Й
К
Л
М
Н
О
П
Р
С
Т
У
Ф
Х
Ц
Ч
Ш
Щ
Ъ
Ы
Ь
Э
Ю
Я
темп-pa
струи на срезе сопла 3000-25 000 К; скорость истечения струи 1 - 104м/сек;
пром.
кпд 50-90%; ресурс работы (определяется эрозией электродов) достигает неск.
сотен ч; в качестве плазмообразующих веществ используют воздух, N
катушку-индуктор или электроды, подключённые к источнику высокочастотной
энергии, разрядную камеру, узел ввода плазмообразующего вещества. Различают
индукционные, ёмкостные, 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 к-рых плазмообразующий газ нагревается вихревыми токами.
Т. к. индукционный высокочастотный разряд является безэлектродным, эти
П. используют для нагрева активных газов (О
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.
хим. соединений. В плазмохимич. процессах объём разрядной камеры таких
П. может быть совмещён с реакционной зоной (см. Плазменный реактор).
Мощность
П. достигает 1 Мвт, темп-pa в центре разрядной камеры и на начальном
участке плазменной струи 104 К, скорость истечения плазмы 0-103м/сек,
частоты
- от неск. десятков тыс.
гц до десятков Мгц,
пром. 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.)
гл. обр. 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
(напр., из обычного или органич. стекла).
а - индукционный; б - ёмкостный; в - факельный; г - сверхвысокочастотный;
1 - источник электропитания; 2 - разряд; 3 - плазменная струя; 4 - индуктор;
5 - разрядная камера; 6 - электрод; 7 - волновод.
применяют: замыкание электродов, поджиг вспомогат. дугового разряда, высоковольтный
пробой межэлектродного промежутка, инжекцию в разрядную камеру плазмы и
др. способы. Осн. тенденции развития П.: разработка специализированных
П. и плазменных реакторов для металлургич., химической пром-стей, повышение
мощности в одном агрегате до 1-10 Мвт, увеличение ресурса работы
и т. д.
плазмы, М., 1969; Жуков, 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.