Способ получения плазмы

и 11932961 СОюз бееетских Социалистических Республик(61) Дополнительное к авт. свид-ву 22) Заявлено 14,03.79 (21) 2731191/18-2 51) Л. Кл,"Н 05 Н 1,00 явкис присоединением суларстеениын кемите 3) Приоритет3) Опубликовано 15.10.82. БюллетеньСССР делам изобретений) СПОСОБ ПОЛУЧЕ области плазк способу полу- быть использос неравновесмпературах газа я плазмыи газов долучают подля, прило 11. Недоя быстрыйя ВЧ-поля,оди мости,учени смес те по о по ере ляетсючени пров учезму, туго- ряде ени- споабо лаз- уюами талИзобретение относится менной техники, конкретно чен ия пл аз мы. Оно может вано для создания плазм ной проводимостью при те ниже 1000 К.Известный способ пол включает нагрев газа при высоких температур, котор действием высокочастотно жепного к разрядной кам статком этого способа яв распад плазмы после откл что ведет к исчезновению Кроме того, при таком способе пол ния плазмы невозможно получить пла состоящую из газа и примеси атомов плавкого металла, необходимую в приложений.Наиболее близким техническим реш ем к описываемому способу является соб получения плазмы путем разогрев за в плазматроне с вихревой подачей р чего газа (2.Такой способ позволяет получить п му, в которой содержится плазмообра щая среда с возбужденными молеку газа и примесь атомов тугоплавких м лов. Голубев, В, С. Бордик и ф. Г. РутбергОднако этому известному способу прпсущи следующие недостатки:как правило, плазма, генерируемаяплазматронами, имеет высокую температу ру (порядка 10000 К), что приводит в некоторых случаях к измеиеипю химического состава газа;разряд в камере плазматроиа контрагпрован, что приводит к малой эффективно О сти нагрева газа;проводимость плазмы быстро падает приотключении электрического поля либо при движении вдоль струи вне зоны действия электрического поля.5 Целью изобретения является увеличениевремени жизни плазмы и ее проводимости путем уменьшения эффективного коэффициента рекомбинации электронов плазмы.Для осуществления этой цели рабочий 20 газ подают со скоростью порядка 10 -см кг10; при расходе газа 0,1 - 30 - . давление газа в камере плазматрона поддерживают в пределах 0,1 - 50 ат, а величину 25 подводимого тока для разогрева устанавливают порядка 100 - 10000 А, разряд осуществляют используя катод, при этом рабочим газом является молекулярный газ, в качестве материала катода выбран такой ЗО металл, атомы которого имеют энергетиче 932961) р)всй .огекуза, а иптервя.ы .с)к,усоседними энсргстп ескпми уровня ми;помов металла не превышают шпервалов между сосенпми эпергепческимн уровнямн Й.5 ОЛСКУГ 1 З В ОСНОВНОМ СОСТО 51 НИП.1 рп применении в качестве рабочего газа , СО, СО, Н 2 электроды могут бытьвыполнены из вольфрама. 1 рн работеплазматрона за счет прсв электродов оатомы металла, ианрнмер вольфрама, испряОтс 51, а за счег Ягрсва аза обрзуогся возбуждешые молеусы, оторыс вместе с атомами метал.а вьшос 5 пся нз зоныразряда. 5ВзаимодейстВие ятомОВ мета,ля с ВозОу 5 кденными ыолекуляп приводит к поипзацип атомов и вследствие этого и образоВанию проводимоси газа при температурегаза 1000 К,"ОНа чертеже, поясняющем сущность изобрегення, представлено конкретное устройство, в котором реализован способ получения плазмы. Это устройство включает резервуарс газом, который соединен посредством управляемого клапана 2 с ксрой 3 плазматрона. В камере плазматронаВынолпсны еапялы .151 тап Гспцналь 011 пв,ачи раооеГО Газа (и ер Гежс пс изображепы), при этом ось ,авалов располо- з)жена под углом и радиусу камеры.В камере 3 расположены электро,)ы 4 и5, которые подключеиы к источнику питания б. Электроды изолированы друг отдруга 5130 л 51 циониой шаЙООЙ /. В Одпом пз 3электродов имеется центральное отверстие8, соединяющее камеру плазматрона сосмесптельной камерой 9, которая соедниена с рабочей камерой 10, например, сонловой решеткой 11, на выходе раоочей камеры установлен диффузор2, соединенныйс балластпым объемом 13. В смесительнойкамере выполнен канал 14 для подачи холодного газа.В качестве рабочего газа выбирается молекулярный газ, имеющий колебательнысуровни основного электронного состояния.Конкретный выбор молекулярного газа определяется пз услови 5 времени протеканияконкретного процесса. При этом времяжизни возбужденных состояний молекулярного газа должно быть не менее времени протекания процесса.Гак, например, если рабочее веществоприменяется для работы лазерного устройства В сверхзвуковом режиме, то достаточно, чтобы Время жизни возбуж;енных молекул было равно или превышало времяпролета рабочим веществом сопловой решетки и резОРяторнОГ кя.серы. Характер- б)ное время здесь может составлять величину порядка 10 в " с,При работе на дозвуковых режимах влазерных устройствах характерное время,жизни Возбуждспных сОстОЯниЙ дол)кно рсвышпь 1 О- с. Катод (и с,учяс примененНя неремешгого источника оба электрода попеременно вы олняют функцию катода) выполняется из металла, атомы которого имеют энергетические уровни, лежащие ниже энергетических уровней )олекулнлазмообразующей среды, а интервалы между соседними энергетическими уровнямиатомов металла не превышают интерваловмеж,у с)се;нии эпергсгнески)и уровнямп молекул газа и основном электронномсостоянии. При подключении электродов кисточнику постоянного тока анод мокетбыть выполнен из металла, отличающегосяот металла катода.Способ получения плазмы осуществляется следующим образом. Пос.е по;ачи напряженРя на электроды рабочий газ изрезервуара 1 подают через клапан 2 в камеру 3, Тангеициалыая подача газа прнкграсходе 0,1 в 30 со скоростью порядкасм10" - 10" - совместно с режимамн рабосты электродов в условиях нх оплавленияпрп подводимом токе поряд.а 100 -10000 Л н при давлении в камере плазматрона 0,1 - 00 ат обеспечивает ифц)узиыйразряд в смеси рабо его газа и паров металла. Эта смесь (плазма) поступает всмесительную камеру 9, в которой происходит выравнивание температуры плазмы.Кроме того, в смеснтельиую камеру подают дополнительную порцию газа требуемого химического состава. Плазма из смесительной камеры 9 через сопловую решетку,в которой происходит дополнительное охаждение, поступает 1; рабаую камеру 10.1 з рабочей камеры пазма выводится через дпффузор в балластный объем, Длялучшего перемешивания рабочего газа всмесительной камере и увеличения массырабочего газа применяют несколько плазматронов, соединенных с камерой 9. Применение нескольких плазматронов позволило увеличить длину сопловой решетки, чтоважно прп применении предложенноготехнического решения в лазерных систем ах.Экспериментально обнару)кено, что присйскоростях подачи газа, меньших 10" - ,ие происходит достаточного перемешивания атомов металла и газа. При скоростяхбольше 10 - происходит срыв разрядав плазматроне.Скорость поступления и количество металла определяется током на катоде. Притоках, меньших 100 Л, количество выделенного металла мало для получения достаточной проводимости. При токах больших10000 Л происходит интенсивное разрушепие катода, при этом металл разбрызгивается в виде капель,Для получения высокопроволимой и,чолгоживучей плазмы является важным также количество расходуемого газа, Так приГрасходе газа меньше 100 плазма всила змятпоне имеет тем ператупу выше 5000 - :6000 К, тто привочпт к пазложенито молекул рабочего газа. При расхоле газаКГбольше 30 - происхочит срыв разрядасза счет газодинамических неустойчивостей. Интервал давления газа 0,1 в : 50 ат 1 в его хололном состоянии) выбпан цз условия контрагиповацич разпяла, так как в условиях коцтракции высокая темпепатура в луге также приводит к разложению молекул пабочего газа. Выполнение указанных режимов позволило получить плазю со слелуютцим соотнотпением концентрации металла к концентрации возбужденных молекул газаум10 ( (1. Концецтпацпя электронов этой плазмы составляет 10 тт - 10" см -а время жизни 1 - 10 -с. Эти требования прелъявляются, в частности, к плазме лазепов.Ппи выборе соотношения концентрации металла и газа следует учесть, что с повышением концентпации металла ппи фиксированной концентпации возбуж,ченных молекул уменьцтается вРемя ст шествования плазмы, но увеличивается концентпаттия электпонов. Ппи уменьшентлц концентпациц металла и увеличении концентрации возбужчеттньтх молекул растет время жизни плазмы, но палэет концентрация электпонов.При работе устройства с указанными режимами происходит износ вольфпамовьтх электподов и вынос атомов металлов тацгенциальцым потоком газа цз зоны электролов. Ппи этом ппоисхолит пявномепное рясппелеление атомов металла по всем объему камеры, в камере возникает диФ- фузный разряд, зантлмаютций практически весь объем камепьт.Налтлчие диффузного пазряла позволяет ппи мощностях газпяла попялка МВТ и более иметь срелнемассовую темпеттятупз в тсамепе плазматпона не выше 5000 К. Такие низкие температуры латот воз.локттостт. эффективно заселить колебательцые уповии молекуляпного газа по всему объему плазматрона и не позволяют молекулам газа пазлагаться в зоне разпя.ча.Таким образом, созчается низкотемпепэтупная плазма из смеси пабочего газа и атомов металла. С помощью потока гязя плазма выносится тлз зоны пазряла и попадает в пабочую камепу 10. Так как энергетические уповни металла электродов и молекулы рабочего газа подобраны так, чтобы происходил интенсивный обмен энергией возбуждеццых состоятттттйт мочетсулт.т цэлектронных состояний атомов, то в результате этого взаимолействця возникает вконечном счете ионизация металла лажепрп температурах газа нттже 300 К охлажденного при алцабатцческом растттттпентттл всоплах. Таким образом, в камепе 10 созчяется неравновесняя плазма с концентрацией электронов до 1 От- " - 1 От см в ,10 Следует заметить, что эффективньш обмен между атомами мета,чла и возбужденной молекулой, ппиволяшей к ионцзацпиметалла, происходит в том случае. еслиатомы мета,чла иметот явтоцоццзационцые15 состояния.Описанный способ бы,п реализован. Эксперимент полтверлпл эффективность данного предложения.Приведем экспериментальные ланцые.20 Рабочий газ (азот 1 подавался тангенциально в камеры плазматронов со скоростью 2 10" см/с. В камере зажигался разряд с током 5 кА. Поток плазмы, нагретый до температуры 2000 К, через сверх 25 звуковые сопла попала,ч в рабочую камеру,где статическое давление газа составляло60 топ и статическая температура газа была 300 К. Скорость сверхзвукового потокасмсоставляла 1,7 10 - . В камере 10 проводились измерения ионных п электронныхтоков на стеночные электролы и по этимданным оценивалась электпонная концентрация, составляющая величину 10 д -35 104 см - д на расстоянии около 50 см отсопл, в то время кяк остаточная электпоттцая концентрация в случае обычцой рекомбтлнатттлтл лолжна бы составить це оолее10 тт ст,л - з40 Электрочы плазмятроца выполнены извольфрама. В экспериментальном т:ацаленаблюдалось ццтецсцвцое свестетлтте атомоввольфрама. Прц замене азота ця гелттйтнехтолекулярньттт газ 1 свечение па богатей45 камеры при прочих пявных условиях ценаблтолалось и провочимость отсутствовала. Деиствительно, в гелии нет метастабильных уровней, полобных молекуламазота, поэтому невозможен обмен эцепги 50 ей межлу атомами гелия тт вольсЬпама,приво,чяших к ионцзациц послелцпх. Крометого, прове.тецный экспеппмецт локязывает, что в рабочую тсамеп 1 О це могли попасть электроны, возтпткпцтс в рязрялс55 плязматрона.Таким образом, ппе.чложенный способпозволяет получать высокую тсонцентратлтлюэлектронов прц сравнительно низких темпеп ат пах, Кроме того, высокая тсотлттенттл а 50 ция элеттронов может сохраняться в течение,ч,тптельного времени. Так концентпяцця электпонов не тцтже 10 - 1 От" см -при температуре газа ниже 1000 К можетсохраняться в течение 10 -с на расстоянцб 5 ях, не меньших 100 см от ттлазматронов, 9329611 ТО ЛЯСТ ВОЗ)и)жцо("ГЬ Си),ЬЗС)всТЬ ТЯКМ 1 О ПЛсЗМУ и 1)ЯЗЛ 11111ГО ЗОдс УСТРОЙСТВс)Х. Ос Оосццо Всж 1 ы 1 римеепя в тех (лучд- Х, КСПЛ(1 тЕМПСРДтУРЯ ГаЗа СОСтаВЛЯЕт ВС. спсппл )н)рядка 300 К и Иже.1.1)пс):)гсс Ислссообраз)н) рсдложе 1 ный С 1с.с)О П Рц М С 11 ТЬ В,1 ЯЗС/) с 1 Х. 3 ЭТОЛ (, Л яс, соли г)дбссдя камера 10 используетсяндчссгвс элсктроразря,цн)й камеры лазера, и пей Возмс)жго Осуцестц,сенце 1 сс ЯМО О стоятельпс)го разрялд без црелвдрптссын)1 сюпиздции, тдк кяк электрсцы, котс)рыс обычно возникают за счет применения ПРЕЛИОЦИЗатОРЯ, на ПРИМЕР Э,:1 СКтРОЦЦСП с) пучка, в ляпом случае возцика)от за счет 1 З столсивсция мстагтабильных молекул рабочего газа (азота) с атомами металла (вольфрама). Равномерно распределенная по всему объему рабочей камеры 10, используемой в качестве камеры лазера, 20 концентрация электронов и атомов металла позволяет осуществить стабильное олноролцое горение несамостоятельного разряда прп повышенных давлениях. Прц наличии подачи через часть отверстий сопло) вой решетки рабочего лазерного газа (например СО) и при наличии достаточной обратной связи в резонаторе, камера 1 О начинает работать как газоразрядный лазер. иПрименение данного способа в лазерах позволяет значительно их упростить в целом, уменьшить вес и габариты лазера вследствие простоты устройства ионизатора (плазматрон), а также увеличить объ емный энерговклад при повышенных давлениях ц расширить диапазон длин волн излучения. При достаточно высоких колебательных температурах азота данное устройство может функционировать, естест венно, и как газодинамический лазер, если ИС Зс)ж 11 Я 1 Ь ИССс)МОСТЯТС,1 Ы 1 ЫИ РЯЗС)5 Л В камере 10. Прц этом, олпд (о, следует учесть, чтс) электрооптическц эффективность газолицампческого лазера В 10 - 100 раз меньше эффективности газолицям;1)ес. К О ГС),1 Я 3(.",) Д. Форлуча зоорстси(. цособ пс),1 л 1 с)1115 и,1 дзль 1 в цс)дзл 1 дтрс- цс с Вихревой подачей молекулярного газа путем разогрева гязд разрялом, о т л и ч яю щ и й с я тем, сто, с целью увеличения времени жизни и,;азмы и ее п 1 зоволимости путем уменьшения эффективного кс эффипиецта рекомбинации электро)го п.)яз,.л, разряд осуществляют используя катод, Выполненный цз металла, атомы которого имеют энергетические уровни, лежащие ниже энергетических уровней молекул газа, а интервалы между соседццмп энергетическими уровнями атомов металла це превышают интервалов между сосе;шими энергетическими уровнями молекул газа в основном состоянии, прп этом газ полают со скоростью 104 - 10" см/с при расходе газа 0,1 - 30 1(г/с, лавленпе газа в камере плазматрона поддерживают в пределах 0,1 - 50 ат, а величину подводимого тока устапавлпгд)от порядка 100 в 100 А.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Бабат Г. И. Безэлектронные разряды и некоторые связанные с ними вопросы. Вестник электропромышленности, 1942, ,о2. Гнедин. Л. Б., Рутберг Ф. Г. Плазма- троны переменного тока на инертных газах, Электромеханика, 1967, М 8, с. 14 - 17 (прототип),Редактор Е. Зубиетова Техред А. Камышникова Корректор О. ТюринаЗаказ 1654/18 Изд.244 Тираж 856 Подписное НПО Поиск Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5Типография, пр. Сапунова, 2