1. СВЧ - плазматрон с волноведущей системой на волноводе с модой Е01

Электродинамическая схема СВЧ - плазматрона схематично представлена на рис.1.

Вид плазмоида внутри рабочей камеры плазмотрона такого типа представлен на Рис.2

Инициирование плазмы в рассматриваемом устройстве осуществляли энергией разряда конденсатора ёмкостью 3 МкФ, заряженного до напряжения 2 кВ.

Плазматрон работал от магнетрона мощностью 1,5 – 2,5 кВт с рабочей частотой 2,45 МГц. Мощность подавалась через стандартный волновод. С помощью штыря связи СВЧ энергия поступала в цилиндрический волновод, возбуждаемый на волне типа E10. Силовые линии электрического поля E в камере плазмотрона показаны пунктирными линиями. Вихревой поток рабочего газа и так называемая зона рециркуляции (совпадающая с положением плазмоида) формировалась системой трубок газовой магистрали с тангенциальными входными отверстиями в камере.

В экспериментах коэффициент отражения по мощности в «горячем» режиме был относительно велик: при мощности питающего СВЧ генератора 1,5 – 2,5 кВт уровень отраженной мощности в тракте достигал 400-500 Вт.

Особенность плазматрона данного типа:

1. В конструкции отсутствуют какие-либо контактирующие или находящиеся в непосредственной близости с плазмоидом кварцевые или керамические трубки.
2. Плазмотрон является безэлектродным, что обеспечивает высокую чистоту плазмохимических процессов получения или обработки материалов (отсутствуют продукты плазменной эрозии) и резко увеличивает срок службы прибора.
3. В диапазоне мощностей 0.5 - 2.5 кВт камера не требует водяного охлаждения (выпускное сопло во время работы остается холодным).

2. СВЧ - плазматрон атмосферного давления

На рис. 3 показан безэлектродный СВЧ - плазматрон атмосферного давления

Назначение

Плазматрон предназначен для создания интенсивных ионизированных потоков различных газов и дисперсных порошковых смесей высокой чистоты в областях применения:

1. Поверхностное азотирование металлов и сплавов в машиностроении.
2. Травление полупроводниковых изделий в электронной промышленности;
3. Инициация и стабилизация горения газообразных топливных смесей в альтернативной энергетике.
4. Безмазутное сжигание угольной пылив и других твердых горючих веществ в энергетике;
5. Розжиг твердофазных котлов;
6. Получение высокочистых нанодисперсных порошков различных материалов широкого применения (керамические и магнитные композиционные материалы для порошковой металлургии, лакокрасочной промышленности и т. д.);
7. Разложение различных химических соединений;
8. Нанесение покрытий;
9. др. задачи плазмохимии

Принцип действия СВЧ - плазматрона

Плазмоид, представляющий собой свободно локализованный СВЧ - разряд, создается в газовой среде под действием энергии электромагнитного поля в цилиндрическом волноводе, возбуждаемом на моде E01 СВЧ - колебаний. Такая волноводная система имеет две «пучности» (максимум напряженности электрического поля) у центров выходных торцевых стенок.

Ввод СВЧ излучения в камеру осуществляется по стандартному волноводу с помощью возбуждающего штыря, расположенного у торцевой стенки волновода. У противоположного торца (с выходным отверстием) создаются условия для инициирования СВЧ пробоя газа с образованием и поддержанием в стационарном состоянии свободно парящего плазмоида.

Особенности конструкции.

1. Форма, длина и поперечные размеры плазмоида регулируются количеством подаваемого плазмообразующего газа. При введении в состав плазмообразующего газа топливных смесей и иных горючих веществ, светящаяся область ионизованного газа увеличивается и приобретает вид факела (на рисунке показан желтым цветом).
2. Дифференциальная, строго дозированная регулировка расхода газа, а также создание вихревой структуры потока газа в оконечной секции, позволяют:
   • исключить возникновение пробоя в области возбуждающего штыря;
   • изолировать плазмоид от стенок камеры и выходного отверстия;

Другим важным параметром, определяющим работу плазмотрона и характеристики плазменной струи, является мощность источника СВЧ излучения: мощность СВЧ излучения и величины расхода газа тесно взаимосвязаны.

Варианты исполнения

А) Компактные СВЧ – плазматроны, работающего на частоте ≥ 2 ГГц, с малогабаритными источниками СВЧ - излучения мощностью 1-5 кВт могут применяться в тонких технологиях плазмохимии (травление подложек чипов и других изделий микроэлектроники; получение малых количеств нанопорошков драгоценных металлов и сплавов и т.д.)

Параметры СВЧ - плазмотронов мощностью до 2,0 кВт:
1. частота излучения ≥ 2,0 ГГц;
2. длина СВЧ плазмоида ~ 60 – 70 мм;
3. температура плазменной струи – 3 - 12 тыс. °С;
4. КПД ≥ 60%.

Б) В составе крупных промышленных установок. Целесообразно применение серийно выпускаемых промышленных магнетонов мощностью 50-100 кВт с частотой излучения 915 МГц. При этом геометрические размеры волноводного тракта и собственно камеры плазмотрона возрастают пропорционально длине волны СВЧ излучения.

Основные преимущества СВЧ - плазматронов данного типа:

1. Отсутствие электродов позволяет получать «чистую» плазму, полностью свободную от продуктов эрозии.
2. Увеличенный в 5-10 раз срок службы агрегата относительно электродного аналога.
3. Возможность работы установки как при пониженном, так и при атмосферном давлении.
4. В конструкции отсутствуют дефицитные детали и дорогостоящие материалы; установка до мощности 5 кВт не требует водяного охлаждения.
5. Экологическая чистота СВЧ - излучения, как вида энергии.
6. Обеспечение норм санитарной безопасности при работе обслуживающего персонала.
7. Возможность «масштабирования» конструкции плазмотрона при переходе на другую рабочую частоту и мощность источника СВЧ излучения, модульность исполнения устройства при параллельной работе компактных плазмотронов, работающих от одного мощного или нескольких автономных источников излучения.

3. Прямоточный СВЧ – плазматрон по схеме В.И.Капустина

Схема плазмотрона изображена на рис.4.

Особенности конструкции.

В разрядную камеру СВЧ энергия подается через волноведущую систему, а плазмообразующий газ - через сопловой блок. Волноведущая система обеспечивает возбуждение электрического поля с продольной поляризацией в разрядной камере. Особенность соплового блока заключается в формировании многоструйного потока плазмообразующего газа.

Конструкция сопла обеспечивает интенсивное охлаждение разрядной камеры, выполненной из фторопласта, предотвращая её от разрушения. Большое значение имеет соотношение расхода плазмообразующего газа и мощности СВЧ генератора, эти два параметра тесно взаимосвязаны.

Оптимизация СВЧ – плазматронов

Работу по оптимизации геометрических, электродинамических и газодинамических параметров плазматрона с учетом характеристик области энерговыделения и свойств плазмоида, готовы проводить под конкретные технологические задачи.

СВЧ-плазмотрон

Презентация газогенератора