Плазмотрон. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Плазмотрон - устройство для создания плотной (с давлением порядка атмосферного) низкотемпературной плазмы (с Т до 10⁴ К) с помощью электрических разрядов в газах и дающее плазменный поток, используемый для исследовательских и научных целей. Плазму газовых разрядов получают давно, уже более 100 лет, однако разработки спец. устройств начались в 10-х гг. 20 в., а сам термин "П." возник примерно в 50-х гг., тогда же началось широкое практич. использование П.
Принцип работы П. заключается в следующем. Холодный газ непрерывным потоком продувают через область, где горит стационарный разряд; газ нагревается, ионизуется, превращается в плазму, к-рая вытекает из области разряда в виде плазменной струи чаще всего прямо в атмосферу (тогда и давление в плазме атмосферное). На практике обычно применяются П., работающие на дуговом разряде, Пеннинга разряде, ВЧ- и СВЧ-разрядах. Импульсные источники плазмы, работающие, напр., на искровом разряде, к П. не относятся. Кроме ионизации газа в электрич. разряде значительно реже используется ионизация газа электронным пучком. Принципиально можно нагревать и ионизировать газ мощным лазерным излучением для создания оптич. П.
Для науч. исследований и технол. целей используют П., работающие на разл. газах (воздух, аргон, азот, водород и др.), а также на газах с присадками паров или капель твёрдых веществ (напр., для плазменного нанесения покрытий). Мощность П. различна: от десятков Вт до десятков МВт, давление газа - от долей мм рт. ст. до десятков и сотен атмосфер.

Дуговой П. может работать на постоянном или переменном токе. Широко используемый дуговой П. пост. тока состоит из разрядной каморы, в к-рой расположены электроды вдоль по оси или коакспально, и узла подачи плазмообразующего вещества. Плазма может истекать из разрядной камеры П. в виде струи или создавать плазменную дугу. Во втором случае разряд горит между катодом и обрабатываемым телом, служащим анодом. В П., изображённом на рис. 1, электроды, выполненные в виде отрезков труб круглого сечения, расположены вдоль оси; вокруг них устанавливаются обмотки соленоидов, создающие магн. поле, перпендикулярное плоскости электродов. В результате взаимодействия тока дуги с магн. полем место привязки дуги к электродной стенке перемещается по окружности, что предохраняет электроды от перегрева и расплавления, а также стабилизирует положение места привязки в осевом направлении (магн. стабилизация и теплоизоляция). Межэлектродная вставка из изоляц. материала ограничивает диам. дуги и тем самым позволяет повысить её температуру по сравнению с температурой электрич. дуги в свободном пространстве.

Рис. 1. Схема дугового плаамотрона постоянного тока: 1 - электроды; 2 - межэлектродная вставка; 3 - соленоиды; 4 - зона электрической дуги; 5 - подача рабочего тела; 6 - истечение плазмы.

Газ, образующий плазму, часто вводится во внутр. канал межэлектродной вставки (иногда с закруткой); газовый вихрь обдувает столб дуги и плазменную струю; под действием центробежных сил слой холодного газа располагается у стенок камеры, предохраняя их от нагревания дугой (газодинамич. стабилизация и теплоизоляция). Если сильного сжатия потока плазмы не требуется, то стабилизирующий поток не закручивают, а направляют параллельно столбу дуги. Применяют также стабилизацию и термоизоляцию дуги потоком воды.
В тех случаях, когда необходимо ввести в дугу материал эрозии электрода (напр., для плазменного нанесения защитного покрытия), один из электродов П. устанавливается в торце камеры. При этом предусматривается его осевая подача по мере выгорания. Наиб. мощность получена в П. с коаксиальными электродами. В них ток дуги протекает в радиальном направлении по относительно малому (по поперечному сечению) токовому каналу. Дуга движется по окружности электродов под влиянием взаимодействия тока с создаваемым соленоидами магн. полем. Этому полю придаётся такая форма, чтобы стабилизировать положение дуги в осевом направлении.
Дуговой П. трёхфазного переменного тока представляет собой фактически три П., подобных П. на рис. 1, у к-рых дуги от разл. электродов соединены по схеме "звезда". В ряде случаев для обеспечения устойчивой работы такого П. (отсутствие погасания дуги при прохождении тока через нуль на к--л. электроде) применяются постоянно действующие системы СВЧ- или искрового поджига. Мощности дуговых П. ~10² - 10⁷ Вт, темп-pa струи на срезе сопла 3000 - 20000 К, скорость истечения струи 1 - 10⁴ м/с, промышленный кпд 50 - 90%.
Для создания неравновесной плазмы низкого давления (доли мм рт. ст.), служащей источником заряж. частиц, чаще всего используется П. с разрядом Пеннин-га, при к-ром электроны колеблются в осевом направлении, что способствует эфф. ионизации.
Безэлектродные П. Энергия эл--магн. поля (низкой частоты 10² - 10⁴ Гц) может быть введена в плазму разряда индукц. безэлектродным способом. На этом принципе разрабатываются трансформаторные П. Наиб. распространение получили индукционные ВЧ- и СВЧ-П., в к-рых рабочий плазмообразующий газ нагревается вихревыми токами (частоты 10⁴ - 10⁷ Гц). ВЧ-П. (рис. 2) содержит эл--магн. катушку, индуктор, разрядную камеру, узел ввода плазмообразующего вещества. Т. к. ВЧ-индукционный П. является безэлектродным, то эти П. используют, если к плазменной струе предъявляются высокие требования по чистоте, напр. для получения тонко дисперсных и особо чистых порошковых материалов. Мощность такого П. достигает 10⁶ Вт, темп-pa ~10⁴ К, скорость истечения плазменной струи до 10³ м/с, промышленный кпд ~50 - 80%.

РИС. 2. Схемы ВЧ-плазмотронов: а - индукционный; б - сверхвысокочастотный; 1 - источник электропитания; 2 - разряд; 3 - плазменная струя; 4 - индуктор; 5 - разрядная камера; 6 - волновод.

П. с ионизацией газа электронным пучком не получили широкого распространения в связи с большой сложностью необходимого оборудования. Установка с таким П. содержит сложные системы преобразования первичного пост. напряжения питания в высокое, вакуумные системы, электронную пушку, систему ввода пучка в зону повышенного давления, камеру нагрева и ионизации газа, а также системы управления, защиты и коммутации. Но несмотря на сложность, П. с электронным пучком используются для нек-рых спец. целей в связи с наличием у них ряда принципиальных преимуществ по сравнению с П. с электрич. разрядом: возможность генерации неравновесной ("холодной") плазмы с наименьшей энергетич. "ценой" иона, отсутствие загрязнений плазмы материалами эрозии электродов, возможность применения разл. рабочих тел и получения высоких температур с умеренными тепловыми нагрузками на стенки и др.
Оптический П. Возможность непрерывного поддержания разряда и генерации плотной низкотемпературной плазмы излучением лазера непрерывного действия на СО₂, т. е. возможность создания оптич. П., была теоретически обоснована Ю. П. Райзером в 1970. Если продувать газ через горящий в фокусе луча оптический разряд, то можно получить непрерывную плазменную струю, как и в П. др. разрядов. Пока имеются лишь эксперим. результаты, напр. был получен непрерывный оптпч. разряд в струе аргона атм. давления, истекающий через сопло (рис. 3). Лазерный луч мощностью ~1 кВт фокусировался в области сопла соосно с направлением потока, и из сопла вытекала плазменная "игла" радиусом ~1 мм, длиной ~3 см и с температурой ~15000 К.

Рис. 3. Принципиальная схема оптического плазмотрона: 1 - лазерный луч; 2 - линза; 3 - сопло; 4 - поток газа; 5 - плазменная струя.

Оптич. П. имеет ряд преимуществ перед П. др. типов: он не требует к--л. конструктивных элементов для подвода эл--магн. энергии к плазме (электродов, индукторов, волноводов); темп-pa плазмы значительно выше 15000 - 20000 К; большая возможность выбора места разряда, приближения к определённым точкам, обрабатываемым плазменной струёй. Для практич. осуществления оптич. П. необходимо создать мощный лазер непрерывного действия и лучше не в видимом, а в ИК-диапазоне, т. к. коэф. поглощения в плазме довольно быстро уменьшается с частотой.

Применение П. Плазмотроны широко используются в плазмохимии и плазменной металлургии. В нагретых до высоких температур ионизов. газах могут интенсивно протекать хим. реакции, не происходящие или очень медленно протекающие в др. условиях. Это уже практически попользуется для целого ряда производств. С помощью П. осуществляются спец. технол. процессы, такие как плазменное нанесение покрытий, плазменная резка, сварка и др. (см. Плазменная технология ).П. является генератором плазмы для нек-рых научных исследований и модельных тепловых испытаний МГД-генсраторов, исследований теплообмена и испытаний средств теплозащиты для условий входа космич. аппаратов в атмосферу и пр. П. служит для создания плазменных источников света, в т. ч. эталонных источников высокотемпературного излучения. С помощью П. исследуются свойства низкотемпературной плазмы, создаётся неравновесная плазма низкого давления дляэлектрофиз. приборов и устройств; в частности, П. является источником заряж. частиц для ускорителей.

Литература по плазмотронам

Знаете ли Вы, что cогласно релятивистской мифологии "гравитационное линзирование - это физическое явление, связанное с отклонением лучей света в поле тяжести. Гравитационные линзы обясняют образование кратных изображений одного и того же астрономического объекта (квазаров, галактик), когда на луч зрения от источника к наблюдателю попадает другая галактика или скопление галактик (собственно линза). В некоторых изображениях происходит усиление яркости оригинального источника." (Релятивисты приводят примеры искажения изображений галактик в качестве подтверждения ОТО - воздействия гравитации на свет)
При этом они забывают, что поле действия эффекта ОТО - это малые углы вблизи поверхности звезд, где на самом деле этот эффект не наблюдается (затменные двойные). Разница в шкалах явлений реального искажения изображений галактик и мифического отклонения вблизи звезд - 10¹¹ раз. Приведу аналогию. Можно говорить о воздействии поверхностного натяжения на форму капель, но нельзя серьезно говорить о силе поверхностного натяжения, как о причине океанских приливов.
Эфирная физика находит ответ на наблюдаемое явление искажения изображений галактик. Это результат нагрева эфира вблизи галактик, изменения его плотности и, следовательно, изменения скорости света на галактических расстояниях вследствие преломления света в эфире различной плотности. Подтверждением термической природы искажения изображений галактик является прямая связь этого искажения с радиоизлучением пространства, то есть эфира в этом месте, смещение спектра CMB (космическое микроволновое излучение) в данном направлении в высокочастотную область. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.