Физическая энциклопедия - плазмотрон

(плазматрон, плазменный генератор), газоразрядное устройство для получения «низкотемпературной» (T»104 К) плазмы. Физ. исследования по созданию П. начались в 10-х гг. 20 в., однако широкое использование П. в пром. и лаб. практике относится к кон. 50 нач. 60-х гг., когда были разработаны эфф. способы стабилизации дугового и высокочастотного разряда.

Дуговой П. постоянного тока состоит из след. осн. узлов: электродов, разрядной камеры и узла подачи ллазмообразующего в-ва; разрядная камера может быть совмещена с электродами т. н. П. с полым катодом (см. РАЗРЯД С ПОЛЫМ КАТОДОМ). Дуговые П., работающие на переменном напряжении, используются реже. Существуют дуговые П. с осевым и коаксиальным расположением электродов, с тороидальными электродами, с двусторонним истечением плазмы, с расходуемыми электродами и т.

д. (рис. 1). Рис. 1. Схемы дуговых плазмотронов: а с внешней плазменной дугой: б струйный; .1 источник электропитания; 2 разряд: 3 плазменная струя; 4 электрод; 5 разрядная камера; 6 обрабатываемое тело. Различают две группы дуговых П.для создания плазменной с т р у и и п л а з м е н н о й д у г и. В П. 1-й группы плазма, создаваемая в разряде между катодом и анодом, истекает из разрядной камеры в виде струи. В П. 2-й группы дуговой разряд горит между катодом П. и обрабатываемым телом, служащим анодом. Стабилизация разряда в дуговых П. осуществляется магн. полем, потоком газа, стенками разрядной камеры, пучком эл-нов.

Один из распространённых способов м а г н и т н о й с т а б и л и з а ц и и разряда плазмоструйных П. с коаксиально расположенными электродами состоит в создании (с помощью соленоида) перпендикулярного плоскости электродов сильного магн. поля, к-рое вынуждает токоведущий канал дуги непрерывно вращаться, обегая электроды. Поэтому анодные и катодные пятна дуги перемещаются по кругу, что предотвращает расплавление электродов.

Стабилизация, теплоизоляция и обжатие дуги может осуществляться также г а з о д и н а м и ч е с к и м с п о с о б о м: газ подаётся в разрядную камеру по спец. каналам, в результате чего образуется газовый вихрь, обдувающий столб дуги и генерируемую плазменную струю; слой холодного газа под действием центробежных сил располагается у стенки камеры, предохраняя её от контакта с дугой.

Если не требуется сильного сжатия потока плазмы (напр., в нек-рых П., используемых для плавки металла), стабилизирующий газовый поток не закручивают, а направляют его параллельно столбу дуги. Как правило, стабилизирующий газ явл. и плазмообразующим в-вом. Применяют также стабилизацию и обжатие дуги потоком воды. Плазма дуговых П.

неизбежно содержит ч-цы в-ва электродов вследствие их эрозии. Когда этот процесс полезен, его интенсифицируют (П. с расходуемыми электродами); в др. случаях, наоборот, электроды изготовляют из тугоплавких металлов. Плазмоструйные П. используют при термич. обработке металлов, для нанесения покрытий, в спектроскопии и пр.; плазменнодуговые П.

служат для обработки электропроводных материалов (сварка, резка, плавка и т. д.). Мощности дуговых П. 102-107 Вт; темп-pa струи на срезе сопла 300025000 К; скорость истечения струп 1 -104 м/с; промышленный кпд 5090%. Энергия электромагн.

поля (низкой частоты 102-104 Гц) может быть введена в плазму разряда индукционным безэлектродным способом (см. БЕЗЭЛЕКТРОДНЫЙ РАЗРЯД). На этом принципе разрабатываются т р а н с ф о р м а т о р н ы е П. В ы с о к о ч а с т о т н ы й П. включает: электромагн. катушку, индуктор или электроды, подключённые к источнику ВЧ энергии, разрядную камеру, узел ввода плазмообразующего в-ва.

Различают ВЧ П. индукционные, ёмкостные, факельные (см. ФАКЕЛЬНЫЙ РАЗРЯД), П. на коронном разряде и с к о р о н о й в ы с о к о ч а с т о т н о й, а также СВЧ П. (рис. 2). Рис. 2. Схемы ВЧ плазмотронов: а индукционный; б сверхвысокочастотный; 1 источник электропитания; 2 разряд; 3 плазменная струя; 4 индуктор; 5 разрядная камера; 6 волновод.

Наибольшее распространение в технике получили ВЧ индукционные (ВЧИ) П., в к-рых плазмообразующий газ нагревается вихревыми токами (характерные частоты =104-107 Гц). Т. к. ВЧИ-разряд явл. безэлектродным, эти П. используют, если к плазменной струе предъявляются высокие требования по чистоте. С помощью ВЧИ П. получают тонкодисперсные и особо чистые порошковые материалы.

Мощность П. достигает 106 Вт, темп-pa в центре разрядной камеры и на начальном участке плазменной струи =104 К, скорость истечения плазмы до 103 м/с, пром. кпд =50-80%. ВЧ П. всех типов, кроме ВЧИ, применяются гл. обр. в лаб. практике. В ВЧ П., как и в дуговых, часто используют газовую «закрутку», изолирующую разряд от стенок камеры. Это позволяет изготовлять камеры ВЧ П. из материалов с низкой термостойкостью. В 80-е гг. 20 в. ведутся разработки П., использующих для генерации плазмы поля оптич. частоты (см. ЛАЗЕРНАЯ ПЛАЗМА). .