способ генерации плазмы и устройство для его осуществления
Классы МПК: | H05H1/24 генерирование плазмы H05H1/26 плазменные горелки H05H1/30 с использованием внешних электромагнитных полей, например высокой и сверхвысокой частоты H05H1/46 с использованием внешних электромагнитных полей, например высокой или сверхвысокой частоты |
Автор(ы): | Корчагин Ю.В. |
Патентообладатель(и): | Корчагин Юрий Владимирович, Товарищество с ограниченной ответственностью "Комаров и Ко., Лтд." |
Приоритеты: |
подача заявки:
1999-05-25 публикация патента:
27.07.2001 |
Изобретение относится к плазменной технике, а точнее к средствам для генерирования плазмы с использованием внешних электромагнитных полей сверхвысокой частоты и предназначено для использования в маломощных и легко транспортируемых, создающих СВЧ-плазму установках, которые могут быть использованы в самых разных отраслях, например плазменная обработка поверхности материалов, экологическая очистка от вредных примесей выбросов промышленных и бытового характера, в медицинских и биологических приложениях и т.д. Сущность изобретения заключаются в том, что возбуждают колебания на частоте, соответствующей резонансной частоте системы, образованной источником СВЧ-излучения (магнетроном) 1 и резонатором 3, определяют области пучности установившейся стоячей волны и направление колебаний электрического вектора в резонаторе, который соединяют с разрядной камерой 6, устанавливают между ними сильную связь, в разрядной камере исследуют распределение электромагнитного поля, фиксируя области пучности, размещают инициатор 4 в области пучности резонатора и разрядной камеры, при этом ориентируют его относительно направления колебаний электрического вектора в резонаторе, после чего возбуждают колебания на частоте, соответствующей резонансной частоте системы источник СВЧ-излучения - резонатор - инициатор - разрядная камера, увеличивая напряженность электромагнитного поля до величины, превышающей пробойную напряженность для газа, заполняющего разрядную камеру, инициируя тем самым разряд, и воздействием СВЧ-излучения генерируют плазму. Технический результат - обеспечение стабильности и устойчивости генерации разряда для формирования непрерывного потока плазмы в любой газовой среде. 2 с. и 12 з.п. ф-лы, 5 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5
Формула изобретения
1. Способ генерации плазмы, заключающийся в инициировании разряда в газовой среде с помощью электромагнитной волны СВЧ-диапазона, отличающийся тем, что используют маломощный источник СВЧ-излучения, напряженность электромагнитного поля которого повышают, для чего используют объемный резонатор, устанавливают сильную связь между источником СВЧ-излучения и резонатором, возбуждают колебания на частоте, соответствующей резонансной частоте системы, образованной источником СВЧ-излучения и резонатором, определяют области пучности установившейся стоячей волны и направление колебаний электрического вектора в резонаторе, который соединяют с разрядной камерой, устанавливают между ними сильную связь, в разрядной камере исследуют распределение электромагнитного поля, фиксируя области пучности, размещают инициатор в области пучности резонатора и разрядной камеры, при этом ориентируют его относительно направления колебаний электрического вектора в резонаторе, после чего возбуждают колебания на частоте, соответствующей резонансной частоте системы; источник СВЧ-излучения - резонатор - инициатор - разрядная камера, увеличивая напряженность электромагнитного поля до величины, превышающей пробойную напряженность для газа, заполняющего разрядную камеру, инициируя тем самым разряд, и воздействием СВЧ-излучения генерируют плазму. 2. Устройство для осуществления способа генерации плазмы по п.1, содержащее источник СВЧ-излучения, заполненную газом разрядную камеру, размещенный в ней инициатор, выполненный из токопроводящего материала, отличающееся тем, что устройство дополнено объемным резонатором, а инициатор установлен одновременно в полостях разрядной камеры и резонатора, при этом конец инициатора, расположенный в разрядной камере, размещен в области пучности, установившейся внутри разрядной камеры стоячей волны, а другой помещен внутри резонатора в область пучности установившейся в нем стоячей волны, а в качестве источника СВЧ-излучения использован СВЧ-магнетрон, рабочая частота которого соответствует резонансной частоте объемного резонатора, при этом излучающий элемент СВЧ-магнетрона расположен внутри объемного резонатора. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что конец инициатора, находящийся в резонаторе, электрически соединен с проводящей поверхностью резонатора. 4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что конец инициатора, находящийся в резонаторе, не соединен с его проводящей поверхностью, а диаметр его, как минимум, в 2 раза больше диаметра конца инициатора, находящегося в разрядной камере. 5. Устройство по любому из пп.2 - 4, отличающееся тем, что длина инициатора выбрана из соотношенияL = n
![способ генерации плазмы и устройство для его осуществления, патент № 2171554](/images/patents/300/2171008/955.gif)
![способ генерации плазмы и устройство для его осуществления, патент № 2171554](/images/patents/300/2171008/955.gif)
где L - общая длина инициатора;
![способ генерации плазмы и устройство для его осуществления, патент № 2171554](/images/patents/300/2171008/955.gif)
n = 0, 1, 2.... 6. Устройство по любому из пп.2 - 5, отличающееся тем, что инициатор выполнен прямолинейным. 7. Устройство по любому из пп.2 - 5, отличающееся тем, что инициатор выполнен изогнутым. 8. Устройство по любому из пп.2 - 5 и 7, отличающееся тем, что инициатор выполнен в виде U-образной петли связи, при этом в области пучности установившейся внутри резонатора стоячей волны параллельно электрическому вектору расположен участок петли связи, соединяющий параллельные ее части, и его длина равна
![способ генерации плазмы и устройство для его осуществления, патент № 2171554](/images/patents/300/2171008/955.gif)
![способ генерации плазмы и устройство для его осуществления, патент № 2171554](/images/patents/300/2171008/955.gif)
25.05.99 по пп.1, 2, 4, 7;
07.04.99 по пп.3, 5, 6, 8 - 14.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к плазменной технике, а точнее к средствам для генерирования плазмы с использованием внешних электромагнитных полей сверхвысокой частоты, и предназначено для использования в маломощных и легко транспортируемых, создающих СВЧ-плазму установках, которые могут быть использованы в самых разных отраслях, например, таких как плазменная обработка поверхности материалов, экологическая очистка от вредных примесей выбросов промышленных и бытового характера, в медицинских и биологических приложениях и т.д. Важнейшей предпосылкой эффективного практического использования плазмы СВЧ-разряда является стабильность ее генерации при возможно более низких уровнях напряженности электрического поля волны как в импульсных, так и в непрерывных режимах генерации. Отсутствие стабильности генерации плазмы практически полностью закрывает возможности ее применения в технологиях, а работа при высоких уровнях электрических полей приводит к необходимости использования мощных и дорогостоящих СВЧ-установок, имеющих к тому же пониженный ресурс работы и работающих, как правило, в изолированных боксах, защищающих персонал от рентгеновских и СВЧ-излучений. Как правило, для осуществления этих способов используются плазмотроны, содержащие генератор СВЧ, волновод для передачи мощности к области где образуется и поддерживается плазма [Порошковая металлургия и напыление покрытий/Под ред. д. т.н. проф. Б.С. Митина.- М.: Металлургия, 1987, с. 631-635; патент США N 4370539, МКИ6 В 23 К 9/16, НКИ 219/121PW, заяв. 07.10.80, опуб. 25.10.83; патент США N 5210392, МКИ6 В 23 К 9/00, НКИ 219/125.52, заяв. 07.11.90, опуб. 11.05.93]. В качестве такой области может быть использованы вакуумная камера, резонатор или просто трубка, пересекающая волновод. Подобные установки требуют специальных средств для инициации плазменного разряда, например понижение давления газа до пробойного, сближение электродов, внешняя подача искры в зону образования плазмы или непосредственное замыкание электродов. Все эти средства позволяют получить многократную инициацию, но использование их приводит к быстрому разрушению электродов. Горение плазмы в таких установках неустойчиво, в том случае, если она погаснет, для ее поджига нужна новая внешняя инициация разряда. Кроме того, большинство таких устройств громоздки, и для их использования необходимо наличие таких средств, как вакуумная система, силовая установка для установления высокой напряженности СВЧ, а также средства защиты от СВЧ-излучения, что значительно усложняет использование, особенно для таких областей, как медицина, ювелирное дело и т.п. Известен способ генерации плазмы, заключающийся в том, что с помощью электромагнитной волны СВЧ-диапазона в газовой среде создают инициированный разряд и генерируют плазму. Стабильная генерация плазмы в газовой среде при воздействии на нее электромагнитной СВЧ-волной происходит при превышении напряженности электрического поля волны порога зажигания самостоятельного разряда (Сборник научных трудов/Под ред. Л.Г. Литвака. СВЧ-разряд высокого давления в пучках электромагнитных волн.- Горький, 1988, с. 141-142). Для реализации этого способа в области плазмообразования размещают инициатор. Использование инициатора в несколько раз понижает порог генерации плазмы в зависимости от давления газа. Вместе с тем пространственно-временная стабильность воспроизведения СВЧ-разряда во многих случаях оказывается весьма неудовлетворительной. Это нежелательное свойство инициированного разряда особенно ярко проявляется при понижении напряженности электрического поля СВЧ-излучения и препятствует практическому использования плазмы разряда с характеристиками, находящимися в области нестабильной генерации плазмы. Известен способ генерации плазмы, заключающийся в том, что в газовой среде с помощью электромагнитной волны СВЧ-диапазона создают инициированный разряд, генерирующий плазму, после создания разряда фиксируют полученную структуру разряда, выделяют периодически повторяющийся элемент структуры и размещают в область плазмообразования инициатор, геометрические параметры и форма которого идентичны периодически повторяющемуся элементу структуры разряда при его фиксации. Для осуществления способа использовано устройство, содержащее СВЧ-излучатель, заполненную газом разрядную камеру и размещенный в ней инициатор, форма и геометрические параметры которого подобраны идентичными элементам структуры разряда [патент РФ N 2046559, МКИ6 H 05 H 1/46, заяв. 30.12.92, публ. 20.10.95. БИ N 29]. Этот способ позволяет достаточно хорошо понизить порог пробоя, но если давление в газоразрядной камере порядка или выше атмосферного, требуется очень высокая напряженность электрического поля и соответственно очень большая подводимая мощность для инициации разряда в газе при высоком давлении. Кроме того, каждый раз при изменении используемого газа или его рабочего давления необходимо менять конфигурацию инициатора, что значительно усложняет его практическое использование. Задачей настоящего изобретения является обеспечение стабильности и устойчивости генерации разряда для формировании непрерывного потока плазмы в любой газовой среде путем автоматического возобновления инициации плазмы при любом давлении газа и использовании маломощных источников СВЧ-излучения. Поставленная задача решается тем, что в известном способе генерации плазмы, заключающемся в инициировании разряда в газовой среде с помощью электромагнитной волны СВЧ-диапазона, используют маломощный источник СВЧ-излучения, напряженность электромагнитного поля которого повышают, для чего используют объемный резонатор, устанавливают сильную связь между источником СВЧ-излучения и резонатором, возбуждают колебания на частоте, соответствующей резонансной частоте системы, образованной источником СВЧ-излучения и резонатором, определяют области пучности установившейся стоячей волны и направление колебаний электрического вектора в резонаторе, который соединяют с разрядной камерой, устанавливают между ними сильную связь, в разрядной камере исследуют распределение электромагнитного поля, фиксируя области пучности, размещают инициатор в области пучности резонатора и разрядной камеры, при этом ориентируют его относительно направления колебаний электрического вектора в резонаторе, после чего возбуждают колебания на частоте, соответствующей резонансной частоте системы источник СВЧ-излучения - резонатор - инициатор - разрядная камера, увеличивая напряженность электромагнитного поля до величины, превышающей пробойную напряженность для газа, заполняющего разрядную камеру, инициируя тем самым разряд, и воздействием СВЧ-излучения генерируют плазму. Кроме того, поставленная задача решается тем, что устройство для осуществления способа генерации плазмы, содержащее источник СВЧ-излучения, заполненную газом разрядную камеру и размещенный в ней инициатор, выполненный из токопроводящего материала, дополнено объемным резонатором, а инициатор установлен одновременно в полостях разрядной камеры и резонатора, при этом конец инициатора, расположенный в разрядной камере, размещен в области пучности, установившейся внутри разрядной камеры стоячей волны, а другой - помещен внутри резонатора в область пучности, установившейся в нем стоячей волны, а в качестве источника СВЧ-излучения использован СВЧ-магнетрон, рабочая частота которого соответствует резонансной частоте объемного резонатора, при этом излучающий элемент СВЧ-магнетрона расположен внутри объемного резонатора. Оптимальное увеличениe напряженности электрического поля может быть получено, если конец инициатора, находящийся в резонаторе, ориентирован параллельно направлению колебаний электрического вектора. При этом инициатор может быть выполнен так, что конец инициатора, находящийся в резонаторе, либо соединен, либо не соединен с его проводящей поверхностью, во втором случае диаметр его как минимум в 2 раза больше диаметра конца инициатора, находящегося в разрядной камере, а длина его выбрана из соотношенияL = n
![способ генерации плазмы и устройство для его осуществления, патент № 2171554](/images/patents/300/2171008/955.gif)
![способ генерации плазмы и устройство для его осуществления, патент № 2171554](/images/patents/300/2171008/955.gif)
где L - общая длина инициатора;
![способ генерации плазмы и устройство для его осуществления, патент № 2171554](/images/patents/300/2171008/955.gif)
n = 0,1,2... Форма инициатора может быть практически любой, но для упрощения изготовления инициатор может быть выполнен прямолинейным или изогнутым, например, в виде U-образной петли связи, при этом в области пучности, установившейся внутри резонатора стоячей волны параллельно электрическому вектору, расположен участок петли связи, соединяющий параллельные ее части, и его длина равна
![способ генерации плазмы и устройство для его осуществления, патент № 2171554](/images/patents/300/2171008/955.gif)
![способ генерации плазмы и устройство для его осуществления, патент № 2171554](/images/patents/300/2171008/955.gif)
Работает устройство следующим образом. После подачи напряжения питания на магнетрон 1 за очень короткое время (~ 10-8 с) происходит установление частоты, соответствующей резонансной частоте системы магнетрон 1 - резонатор 3 - инициатор 4 - разрядная камера 6. Далее происходит накопление энергии в течениe ~10-6 с до достижения пробойной напряженности. Вблизи конца 5 инициатора 4, находящегося в разрядной камере 6, зажигается разряд, энергия СВЧ, излучаемая источником излучения 2 магнетрона 1, поглощается образовавшейся плазмой. Сопло 7 и диэлектрическая трубка 8 вместе с системой подачи газа формируют плазменную струю. В случае если разряд погаснет, процесс инициации автоматически повторится. Так как инициатор выполняет одновременно роль элемента, обеспечивающего сильную связь между резонатором и разрядной камерой, его размеры должны обеспечивать оптимальные условия передачи энергии в зону горения разряда после инициации. Многочисленные эксперименты показали, что наилучшие результаты достигаются, если длина инициатора выбрана из соотношения
L = n
![способ генерации плазмы и устройство для его осуществления, патент № 2171554](/images/patents/300/2171008/955.gif)
![способ генерации плазмы и устройство для его осуществления, патент № 2171554](/images/patents/300/2171008/955.gif)
где
L - общая длина инициатора;
![способ генерации плазмы и устройство для его осуществления, патент № 2171554](/images/patents/300/2171008/955.gif)
n - 1, 2, 3... При этом инициатор может быть выполнен в виде прямолинейного проводника, ориентированного параллельно электрическому вектору. Так как расположение пучностей электрического поля внутри разрядной камеры зависит от формы и размеров разрядной камеры и в общем случае не совпадает с месторасположением конца инициатора, для разрядной камеры произвольной формы необходима подгонка длины инициатора, что для прямолинейного инициатора может вступить в противоречие с требованием оптимальной длины L. Наилучшим вариантом является тот, в котором инициатор выполнен в виде U-образной петли связи или изогнут в виде двух перпендикулярно соединенных прямолинейных отрезков, при этом длина его отрезка, расположенного внутри резонатора параллельно электрическому вектору, равна
![способ генерации плазмы и устройство для его осуществления, патент № 2171554](/images/patents/300/2171008/955.gif)
![способ генерации плазмы и устройство для его осуществления, патент № 2171554](/images/patents/300/2171008/955.gif)
![способ генерации плазмы и устройство для его осуществления, патент № 2171554](/images/patents/300/2171554/2171554-2t.gif)
где P0 - мощность излучения СВЧ-магнетрона;
Q - добротность резонатора;
![способ генерации плазмы и устройство для его осуществления, патент № 2171554](/images/patents/300/2171554/2171554-3t.gif)
![способ генерации плазмы и устройство для его осуществления, патент № 2171554](/images/patents/300/2171212/951.gif)
![способ генерации плазмы и устройство для его осуществления, патент № 2171554](/images/patents/300/2171005/8226.gif)
![способ генерации плазмы и устройство для его осуществления, патент № 2171554](/images/patents/300/2171012/949.gif)
![способ генерации плазмы и устройство для его осуществления, патент № 2171554](/images/patents/300/2171005/8226.gif)
где
![способ генерации плазмы и устройство для его осуществления, патент № 2171554](/images/patents/300/2171012/949.gif)
![способ генерации плазмы и устройство для его осуществления, патент № 2171554](/images/patents/300/2171005/8226.gif)
V - объем резонатора, который обычно выбирается как V ~
![способ генерации плазмы и устройство для его осуществления, патент № 2171554](/images/patents/300/2171008/955.gif)
где
![способ генерации плазмы и устройство для его осуществления, патент № 2171554](/images/patents/300/2171008/955.gif)
![способ генерации плазмы и устройство для его осуществления, патент № 2171554](/images/patents/300/2171554/2171554-4t.gif)
![способ генерации плазмы и устройство для его осуществления, патент № 2171554](/images/patents/300/2171554/2171554-5t.gif)
![способ генерации плазмы и устройство для его осуществления, патент № 2171554](/images/patents/300/2171008/955.gif)
Класс H05H1/24 генерирование плазмы
Класс H05H1/26 плазменные горелки
электродуговой шестиструйный плазматрон - патент 2529740 (27.09.2014) | ![]() |
высоковольтный плазмотрон - патент 2529056 (27.09.2014) | ![]() |
электродуговой плазмотрон - патент 2465748 (27.10.2012) | ![]() |
плазмотрон физиотерапевтический - патент 2464747 (20.10.2012) | ![]() |
плазмотрон угловой - патент 2464746 (20.10.2012) | ![]() |
способ интенсификации сжигания твердого топлива - патент 2457395 (27.07.2012) | |
способ обработки поверхности металлов нагреванием плазменной струей - патент 2431685 (20.10.2011) | ![]() |
способ плазменно-дуговой сварки металлов - патент 2397848 (27.08.2010) | |
плазмотрон для нанесения покрытий - патент 2366122 (27.08.2009) | |
плазмотрон - патент 2363119 (27.07.2009) | ![]() |
Класс H05H1/30 с использованием внешних электромагнитных полей, например высокой и сверхвысокой частоты
Класс H05H1/46 с использованием внешних электромагнитных полей, например высокой или сверхвысокой частоты