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 в 1965 году два американца Пензиас (эмигрант из Германии) и Вильсон заявили, что они открыли излучение космоса. Через несколько лет им дали Нобелевскую премию, как-будто никто не знал работ Э. Регенера, измерившего температуру космического пространства с помощью запуска болометра в стратосферу в 1933 г.? Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.