Импульсно-периодический плазмотрон

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт молекулярной и атомной физики Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Чивель Юрий Александрович Никончук Ирина Степановна Минько Дмитрий Вацлавович Кузнечик Олег Ольгердович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт молекулярной и атомной физики Национальной академии наук Беларуси(57) Импульсно-периодический плазмотрон, содержащий блок питания и разрядное устройство, включающее последовательно расположенные блок генерации и ввода плазмы и ускорительный канал в виде коаксиально расположенных электродов анода и катода цилиндрической или конической формы, которые подключены к блоку питания, отличающийся тем, что блок питания выполнен в виде импульсно-периодического блока питания,а блок генерации и ввода плазмы - в виде установленного в глухом торце ускорительного канала плазмотрона непрерывного действия, выходное отверстие которого соединено с ускорительным каналом расширяющимся соплом. 36912007.06.30 Данная полезная модель относится к области физики и техники плазмотронов и ускорителей плазмы и может быть использована при разработке источников высокоинтенсивных плазменных потоков для модификации свойств поверхности материалов и покрытий. Известна установка Рапид-5 АВ 1, содержащая плазмодинамическую головку (разрядное устройство) в виде магнитоплазменного компрессора эрозионного типа, установленного в сопловой конфузорной насадке, имеющей патрубки, соединенные с системой подачи газа. Генерация высокоэнтальпийных высокоскоростных плазменных потоков осуществляется в результате кумуляции и ускорения эрозионной плазмы собственным магнитным полем разрядного тока. Установка может работать с частотой до 1 Гц в вакууме и газах нормального давления. Недостатком данной установки является высокий уровень шума при работе в условиях нормального давления, связанного с образованием ударной волны при периодическом срабатывании магнитоплазменного компрессора. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является описанный в статье 2 импульсно-периодический плазмотрон, содержащий разрядное устройство, которое состоит из блока формирования горючей газовой смеси и инициирования ее детонационного сгорания в виде детонационной камеры, и ускорительный канал в виде коаксиально расположенных электродов - анода и катода. При инициировании детонации ионизированные продукты сгорания поступают в межэлектродный зазор ускорительного канала и перемыкают его. Электропроводный слой продуктов сгорания ускоряется в межэлектродном промежутке под действием электродинамических и газодинамических сил, формируя плазменную струю. Устройство работает при нормальном давлении с частотой до 1 Гц. Недостатком данного устройства является высокий уровень шума, генерируемого при периодическом срабатывании, прежде всего детонационной камеры, что вынуждает располагать устройство в специальном звукоизолированном помещении, а также невозможность повышения частоты срабатывания, ограниченной частотой срабатывания детонационной камеры. Задачей разработки заявляемого устройства является создание импульсно-периодического плазмотрона с высокой частотой (до 100 Гц) генерации импульсных плазменных потоков, работающего при нормальном давлении, при низком уровне шума при работе,что обеспечит увеличение скорости обработки и улучшение условий труда при плазменной модификации свойств материалов и покрытий. Для выполнения поставленной задачи предложен импульсно-периодический плазмотрон, который содержит блок питания и разрядное устройство, включающее последовательно расположенные блок генерации и ввода плазмы и ускорительный канал в виде коаксиально расположенных электродов - анода и катода, которые подключены к блоку питания. Новым, по мнению авторов, является то, что блок питания выполнен в виде импульсно-периодического блока питания, а блок генерации и ввода плазмы - в виде установленного в глухом торце ускорительного канала плазмотрона непрерывного действия, выходное отверстие которого соединено с ускорительным каналом расширяющимся соплом. Сущность заявляемого устройства поясняется чертежом, изображенным на фигуре, на котором представлен общий вид предлагаемого плазмотрона Импульсно-периодический плазмотрон состоит из блока питания 1, сопла 2, блока генерации и ввода плазмы 5 и ускорительного канала в виде коаксиально расположенных электродов - анода 3 и катода 4. Анод и катод выполняются цилиндрической или конической формы. Катод 3 выполнен профилированным с начальным участком, изолированным вставкой 6 из высокотемпературной керамики. Все элементы ускорительного канала выполнены охлаждаемыми. Блок генерации и ввода плазмы 5 выполнен в виде плазматрона, работающего в непрерывном режиме. Элементы сопла выполнены из высокотемпературной керамики и вольфрама. Импульсно-периодический плазмотрон работает следующим образом. 2 36912007.06.30 Плазменная струя непрерывного плазмотрона имеет среднемассовую температуру 3000-4000 К и скорость 100-500 м/с. При фиксированных параметрах дуги род плазмообразующего газа определяет уровень среднемассовой температуры плазменной струи. Генерируемое импульсно-периодическое напряжение вызывает периодический пробой промежутка в наиболее узком месте и ускорение образующегося плазменного сгустка вдоль оси ускорительного канала. При импульсных напряжениях 3-5 кВ температура плазменного потока достигает 15000-20000 К при скорости истечения 106 см/с. Функционирование ускорительного канала в условиях пониженной плотности плазмы резко уменьшит шумовые эффекты, а достаточно высокие ее параметры обеспечат симметричность и однородность разряда в ускорительном канале, что улучшит воспроизводимость работы плазмотрона и увеличение полной энергии плазменного потока. Частота генерации высокоэнергетического плазменного потока ограничивается величиной массового расхода рабочего вещества плазмотрона и параметрами блока питания. Существующие импульснопериодические высоковольтные блоки питания устойчиво работают с частотой до 100 Гц. Таким образом, предлагаемый импульсно-периодический плазмотрон обеспечивает получение импульсных плазменных потоков с частотой до 100 Гц, работает при нормальном давлении, при низком уровне шума при работе, что обеспечит увеличение скорости обработки и улучшение условий труда при плазменной модификации свойств материалов и покрытий. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 3