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.
В. М. Иевлев
Вещество и поле не есть что-то отдельное от эфира, также как и человеческое тело не есть что-то отдельное от атомов и молекул его составляющих. Оно и есть эти атомы и молекулы, собранные в определенном порядке. Также и вещество не есть что-то отдельное от элементарных частиц, а оно состоит из них как базовой материи. Также и элементарные частицы состоят из частиц эфира как базовой материи нижнего уровня. Таким образом, всё, что есть во вселенной - это есть эфир. Эфира 100%. Из него состоят элементарные частицы, а из них всё остальное. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.