Способы интенсификации ВЧ плазменных процессов

ВЧ-разряды обладают специфическими свойствами. Выявление и целенаправленное использование этих свойств может привести к значительным положительным эффектам. В настоящее время многие свойства ВЧ-разрядов изучены, а некоторые реализованы в конкретных конструкциях:

1) Низкие скорости истечения плазменной струи.

Основными достоинствами высокочастотных плазмотронов по сравнению с дуговыми являются большой ресурс работы (определяется ресурсом работы генераторной лампы) и отсутствие в потоке плазмы продуктов эрозии электродов. Однако обычные ВЧ-плазмотроны характеризуются невысокой скоростью истечения плазменной струи (20−30 м/с). Увеличить эту скорость простым увеличением расхода газа невозможно. Однако для многих технологических процессов требуются не только высокие скорости плазменных потоков (плазменное напыление), но и большие величины энтальпии плазменной струи (плазменно-механическая обработка). Наиболее простым и сегодня чаще всего используемым способом является применение сопловых насадок. Его основная цель — увеличение скорости плазменной струи, тепловых потоков к нагреваемым объектам и локализация её воздействия в малых объёмах.

В обычных ВЧ-плазмотронах скорости истечения плазменной струи лежат в пределах 20−80 м/с. При использовании сопла на выходе разрядной камеры удаётся увеличить скорость до 1000 м/с. Однако, ВЧ-плазмотроны способны работать при скорости истечения плазменной струи до 1 м/с. Более того, при стабилизации ВЧ_разряда стенками разрядной камеры возможна работа ВЧ-плазмотрона без расхода плазмообразующено газа. Такой режим работы ВЧ-плазмотронов используется при сфероидизации материалов или выращивании монокристаллов.

2) Большие объёмы плазмы.

В настоящее время получены ВЧИ-разряды в разрядных камерах диаметром 150−200 мм. При правильной организации плазменного потока удаётся увеличить длину плазменной струи до нескольких метров без значительного изменения её параметров. Для достижения этой цели целесообразно применить полигональные индукторы ВЧЕ-разряда мощностью 1000 кВт.

3) Возможность возбуждения акустических полей.

В ВЧ разрядах отмечаются три основных физических процесса, приводящих к возникновению акустических эффектов, как в звуковом, так и в ультразвуковом диапазонах. Во-первых, газодинамические процессы, существенные при повышенных скоростях истечения плазменной струи (более 50 м/с). Акустические эффекты связаны с появлением газодинамических шумов. Во-вторых, тепловые процессы, значительные при генерации акустических колебаний в звуковом диапазоне. Генерация проводится, например, путём амплитудной модуляции высокочастотного тока индуктора или электрода. В третьих, это акустические процессы, обусловленные электронным ударом. Влияние последних особенно заметно при низких скоростях стечения плазменной струи, когда газодинамические эффекты малы, и при высоких частотах электромагнитных колебаний, когда тепловые процессы становятся достаточно инерционными.

4) Спектральный состав излучения.

Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что при работе в кислороде при мощности ВЧИ-разряда 10 кВт интегральная мощность излучения равна 1 кВт, при чём 0,3 кВт приходится на ультрафиолетовый диапазон. ВЧИ-разряд на воздухе мощностью 10 кВт излучает 0,5 кВт, из них 0,35 кВт — в ультрафиолетовом диапазоне. Из результатов экспериментов следует, что относительная величина мощности излучения возрастает с повышением мощности ВЧИ-разряда. Спецификой ВЧЕ-разрядов является низкий уровень интегрального излучения плазмы, составляющий не более 1% мощности разряда.

5) Электромагнитные поля плазменной струи.

ВЧ-разряд и плазменная струя представляют источник электромагнитного излучения в рабочем диапазоне частот ВЧ генератора. Объясняется это тем, что ВЧ разряд и его плазменная струя работают в режиме передающей антенны, из-за чего между плазменной струёй и заземлёнными стенками технологического устройства возникают электромагнитные поля большой напряжённости, оказывающие дополнительное существенное влияние на протекание различных химических реакций. При конструирование ВЧ-плазмотронов необходимо помнить об их полях и экранировать не только ВЧ-разряд, но и плазменную струю.

6) Возможность ввода обрабатываемого материала непосредственно в разряд по его оси.

Этим свойством обладает только ВЧИ-разряд, так как электрическая составляющая электромагнитного поля индуктора на его оси равна нулю, благодаря чему не изменяются параметры ВЧИ-разряда и не нарушается его устойчивость.

7) Использование в качестве плазмообразующих различных агрессивных газов и паров веществ.

Для этих целей могут быть рекомендованы ВЧИи ВЧЕ-плазмотроны. При нагреве газов сложного состава необходимо предусмотреть средство для предотвращения осаждения на стенки разрядной камеры твёрдой фазы.

8) Применение нескольких ВЧ-разрядов в одном ВЧ-плазмотроне.

В одном плазмотроне возможно зажечь ВЧ-разряды последовательно, параллельно или встречно; расположить разрядные камеры под некоторым углом друг к другу.

Задача получения теплового воздействия плазменной струи на большие площади может быть решена несколькими плазмотронами, работающими от одного генератора. Однако известно очень малое число попыток «зажечь» несколько плазмотронов от одного генератора. Работа такой системы обычно неустойчива, зажигание плазмы в каждом из плазмотронов сопряжено с трудностями подстройки генератора и подбора расходов газа. На рисунке 4.3 показана редкая фотография четырёх ВЧИ-плазмотронов, работающих от одного генератора: частота генератора 1,76 МГц, мощность — 100 кВт, диаметры плазмотронов по 50 мм, рабочий газ — аргон, мощность каждого плазмотрона составляет примерно 15 кВт, включение индукторов последовательно-параллельное.

9) Создание неравновесных условий протекания реакций.

Вместе с плазменной струёй в реактор может вводиться акустическая энергия, электромагнитная энергия, плазменной струе может быть сообщён потенциал относительно заземлённого реактора, и через зону реакции будут протекать дополнительные токи смещения и проводимости. На плазменную струю, выходящую из ВЧИ-плазмотрона, накладывают маломощный ВЧЕ-разряд. Все эти меры помогают сохранить достаточно высокой электронную температуру плазмы в реакторе.

10) Использование низких частот.

Принципиально возможно получение безэлектродных разрядов при понижении рабочей частоты вплоть до промышленной. 1].

В данной работе подробно рассмотрены два вида высокочастотны плазмотронов: высокочастотный индукционный и высокочастотный емкостной. Кратко изложена история создания высокочастотных плазмотронов.

Подробно описаны принципы действия различных видов высокочастотных плазмотронов, приведены и обоснованы их преимущества и недостатки, качества получаемой плазмы.

Рассмотрены различные варианты конструктивных решений высокочастотных плазмотронов Для ВЧИ-плазмотронов:

• — с водяным охлаждением;
• — с газовой термозащитой стенок разрядной камеры;
• — с пористыми разрядными камерами;
• — с металлическими разрезными водоохлаждаемыми разрядными камерами.

Для ВЧЕ-плазмотронов:

• — линейные;
• — линейно-тороидальные;
• — с плоской геометрией электродов;
• — с коаксиальной геометрией электродов.

Для каждой конструкции приведены описание, основные отличия от плазмотронов других типов, преимущества и недостатки, рабочие параметры.

Также описаны источники питания высокочастотных плазмотронов — высокочастотные автогенераторы. Представлены их эквивалентные схемы, принципы соединения с плазмотроном, принципы выбора того или иного источника питания в зависимости от конструкции и условий работы плазмотрона. Приведён список основных выпускаемых ныне источников питания высокочастотных плазмотронов с указанием их рабочих параметров.

Рассмотрены основные отрасли применения высокочастотных плазмотронов, описаны особенности технологических процессов и требования к техническим характеристиками плазмотронов для этих процессов. Проведено сравнение эффективности использования в технологических процессах дуговых и высокочастотных плазмотронов. Описаны основные наиболее распространённые процессы с использованием высокочастотных плазмотронов:

• — синтез TiO2;
• — сфероидизация гранулированных порошков;
• — сфероидизация порошков тугоплавких материалов;
• — получение SiO;
• — спектральный анализ.

Кроме того описаны способы интенсификации технологических процессов с использованием высокочастотной плазмы.