Плазматрон

Определение "Плазматрон" в Большой Советской Энциклопедии

Высокочастотные плазматроны

Плазматрон, плазмотрон, плазменный генератор, газоразрядное устройство для получения «низкотемпературной» (Т » 10⁴ К) плазмы. Плазматрон используются главным образом в промышленности в технологических целях (см. Плазменная горелка, Плазменная металлургия, Плазменная обработка, Плазмохимия), но устройства, аналогичные Плазматрон, применяют и в качестве плазменных двигателей (см. также Электрореактивные двигатели). Начало широкого использования Плазматрон в промышленной и лабораторной практике (и появление самого термина «Плазматрон») относится к концу 50-х - началу 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.

Дуговые плазматроны

Дуговой Плазматрон постоянного тока состоит из следующих основных узлов: одного (катода) или двух (катода и анода) электродов, разрядной камеры и узла подачи плазмообразующего вещества; разрядная камера может быть совмещена с электродами - так называемыми Плазматрон с полым катодом. (Реже используются дуговые Плазматрон, работающие на переменном напряжении; при частоте этого напряжения » 10⁵ гц их относят к ВЧ плазматронам.) Существуют дуговые Плазматрон 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 которое истекает плазма, называется соплом Плазматрон (в некоторых типах дуговых Плазматрон границей сопла является кольцевой или тороидальный анод). Различают две группы дуговых Плазматрон- для создания внешней плазменной дуги (обычно называется плазменной дугой) и плазменной струи. В Плазматрон 1-й группы дуговой разряд горит между катодом Плазматрон и обрабатываемым телом, служащим анодом. Эти Плазматрон могут иметь как только катод, так и второй электрод - вспомогательный анод, маломощный разряд на который с катода (кратковременный или постоянно горящий) «поджигает» основную дугу. В Плазматрон 2-й группы плазма, создаваемая в разряде между катодом и анодом, истекает из разрядной камеры в виде узкой длинной струи.

Стабилизация разряда в дуговых Плазматрон осуществляется магнитным полем, потоками газа и стенками разрядной камеры и сопла. Один из распространённых способов магнитной стабилизации плазменноструйных Плазматрон с анодом в форме кольца или тора, коаксиального катоду, состоит в создании (с помощью соленоида) перпендикулярного плоскости анода сильного магнитного поля, которое 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 так называемая «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 (например, в некоторых Плазматрон 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 Плазматрон неизбежно содержит частицы вещества электродов вследствие их эрозии. Когда этот процесс по технологическим соображениям полезен, его интенсифицируют (Плазматрон 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).

Плазматрон с плазменной струёй обычно используют при термической обработке металлов, для нанесения покрытий, получения порошков с частицами сферической формы, в плазмохимической технологии и пр.; Плазматрон с внешней дугой служат для обработки электропроводных материалов; Плазматрон с расходуемыми электродами применяют при работе на агрессивных плазмообразующих средах (воздухе, воде и др.) и при необходимости генерации металлической, углеродной и т.д. плазмы из материала электродов (например, при карботермическом восстановлении руд).

Мощности дуговых Плазматрон 10²-10⁷ вт; температура струи на срезе сопла 3000-25 000 К; скорость истечения струи 1-10⁴ м/сек; промышленное кпд 50-90%; ресурс работы (определяется эрозией электродов) достигает несколько сотен ч, в качестве плазмообразующих веществ используют воздух, N₂, Ar, H₂, NH₄, O₂, H₂O, жидкие и твёрдые углеводороды, металлы, пластмассы.

Высокочастотный Плазматрон включает: электромагнитную катушку-индуктор или электроды, подключенные к источнику высокочастотной энергии, разрядную камеру, узел ввода плазмообразующего вещества. Различают индукционные, ёмкостные, факельные (см. Факельный разряд), Плазматрон на коронном разряде и с короной высокочастотной, а также сверхвысокочастотные (СВЧ) Плазматрон (рис. 2). Наибольшее распространение в технике получили индукционные ВЧ плазматроны, в которых плазмообразующий газ нагревается вихревыми токами. Т. к. индукционный высокочастотный разряд является безэлектродным, эти Плазматрон используют для нагрева активных газов (O₂, Cl₂, воздуха и др.), паров агрессивных веществ (хлоридов, фторидов и др.), а также инертных газов, если к плазменной струе предъявляются высокие требования по чистоте. С помощью индукционных Плазматрон получают тонкодисперсные и особо чистые порошковые материалы на основе нитридов, боридов, карбидов и др. химических соединений. В плазмохимических процессах объём разрядной камеры таких Плазматрон может быть совмещен с реакционной зоной (см. Плазменный реактор). Мощность Плазматрон достигает 1 Мвт, температура в центре разрядной камеры и на начальном участке плазменной струи ~ 10⁴ К, скорость истечения плазмы 0-10³ м/сек, частоты - от нескольких десятков тыс. гц до десятков Мгц, промышленное 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.) главным образом 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 (например, из обычного или органического стекла).

Для пуска Плазматрон, т. е. возбуждения в нём разряда, применяют: замыкание электродов, поджиг вспомогательного дугового разряда, высоковольтный пробой межэлектродного промежутка, инжекцию в разрядную камеру плазмы и др. способы. Основные тенденции развития Плазматрон: разработка специализированных Плазматрон и плазменных реакторов для металлургической, химической промышленностей, повышение мощности в одном агрегате до 1-10 Мвт, увеличение ресурса работы и т.д.

Лит.: Генераторы низкотемпературной плазмы, М., 1969; Жуков М. Ф., 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.