Разработка и исследование генераторов плазмы килогерцевого диапазона частот тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

"Т

/

СИБИГ С КИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

Ч У Р И Л О в Григорий Николаевич

УДК 621.387.143 ; €21.039.66

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРОВ ПЛАЗМЫ КИЛОГЕРЦЕВОГО ДИАПАЗОНА ЧАСТОТ

01.04.01 - техника физического эксперимента , физика приборов , автоматизация физических исследований

АВТОРЕФЕР А Т диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Красноярск - 1991

/ ) : / /д/

Работа выполнена в 11КБ "Геофизика "

Научный руководитель : кандидат технических наук , Игнатьев Г.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Тропин Ю . Д.

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Лыбзиков Г.

З'.дущая организация : Институт теплофизики (Новосибирск )

Защита диссертации состоится "__" _1991г.

¡л заседании специализированного совета К 063. 83. 04 по за .::>ггпм диссертаций при Сибирском технологическом институте :;о адресу : 660049, г.Красноярск, пр. Мира, 82.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Сиб1грского технологического инстотута

г.

Автореферат разослан *

Учёный секретарь специализированного совета кандидат физико-математических

Общая характеристика заабсхн

Актуальность темы.- Применение низкотемпературной плазмы -:арактерная особенность современного производства-. В плазме ¡езко ускоряется протекание различных химических реакций. Боль-ад концентрация.энергии в малом объеме дает возможность осу -гествлять (физические процессы #е происходящие .при нормальных 'словиях. Выпускаемые в настоящее время генераторы плазмы не >беспечиваш решения всего круга производственных вопросов. В :вязи с развитием электроники появились новые транзисторные и ?иристорнве усилители мощности в диапазоне частот десятков и ¡отен килогерц. Эти усилители можно использовать в качестве 1. юточников питания плазмотронов.

Таким образом, разработка и исследование плазменных генераторов килогерцевого диапазона частот является актуальной за-;ачейукоторую можно еыполнить на основе физического экспериментального приборостроения.

Цели и задачи работы. Основной целью работы является создание генераторов плазмы низкой температуры на основе источника тока килогерцевого диапазона частот. В задачи диссертационной работы входит: создание и исследование источника света для спектрального анализа, разработка и исследование устройства эчкстки проката, исследование угольной дуги и плазменной угольной струи в килогерцевом диапазоне частот.

Степень новизны результатов. Разработаны и изготовлен!; : лоточник света для спектрального анализа и устройство очкспм круглого проката. В спектрах источника света для спектрального анализа отношение сигнала к фону превосходит это же отношение для спектров угольной дуги и соответствует отношению сигнала к фону для источника с индукционно-связанной плазмой. Пре-

дед обнаружения по никелю ври- анализе соли л!с £>0Ч- саответст] ет величине 5 нг/^л.

Устройство очистки проката позволяет убирать загрязнена С:высокой температурой плавления, например окисные пленки и с лину. Снимок поверхности очищаемого изделия в области гранит воздействия разряда полученный на электронном микроскопе пою зывает, что диаметр опорные пятен составляет мм.

Температура угольной дуги килагерцевого диапазона завис! от частоты.

В отличии от обычных плазменных струй, угольная пдазмеш-струя коаксиального плазмотрона имеет меньший градаен^ темпер туры вдоль оси и слабую-перемешиваемость с воздухом. Централ! электрод, выполненный в виде угольного стержня, и внешний грг фитовый электрод с внутренним отверстием в виде усеченного кс нуса имеют форму оптимальную для формирования длинной самовцп заюцейся плазменной струи углерода.

Научная и практическая ценность. Источник света, вьшолне ный в виде генератора плазмы килогерцевого диапазона частот, личается от аналогичных источников высокой степенью локализаы наиболее горячей части разряда на исследуемой пробе, большой личиной отношения сигнала к фэну. Спектральные характеристики источника света можно регулировать в широких пределах: измене ем величины тока дуги или тока индуктора, изменением частоты ков, скоростью подачи транспортирующего газа. По сравнении с релками на индукционной плазме он прост и дешев. (В источнике прменяется один газовый поток для транспортировки исследуемог вещества).

Генератор плазмы с самоввдуващейся, самофокусирующейся плазменной струей, в составе которой в основном содержится уг род- ото устройство, которое можно использовать при разработк

технологий: получения алмазов, антикорозийных покрытий, карбиди-зации различных веществ.

Научная ценность работы заключается также и в том, что впервые показана возможность применения токов кшюгерцевого диапазона для генерации низкотемпературной плазмы в производственных целях. Представлены вольт-амперные характеристики устройств. Измерена температура генерируемой устройствами плазмы. Получена динамическая картина движения разряда в межэлектродном зазоре, и выяснено, что переход разряда через щель электрода-индуктора осуществляется путем шунтирования дуги. Найдены схемные и конструктивные решения установок и устройств.

Публикации и личный вклад автора. Большая часть материала диссертации содержится в семи опубликованных работах,включающих дБа авторских свидетельства. Основные результаты докладывались на Всесоюзном семинаре "Перспективы разработки и внедрения новых электрофизических методов обработки цветных- металлов и сплавов" г. Киров, 1988 г. ; на Краевой научно-практической конференции "Научно-практические проблемы технического перевооружения ¡предприятий цветной металлургии края", г. Краснояфск, 1986 г.; на Краевой научно-технической конференции "Молодые ученые и студенты ускорению научно-технического прогресса", Г. Красноярск, 1986 г. ; на,II заседании семинара по физике и применению генераторов термической плазмы, г. Новосибирск, 1989 г.

Коаксиальный плазмотрон входит в состав установки УВТЕ-30, отмеченной золотой медалью ВДНХ.

3 работах и изобретениях опубликованных в соавторстве личный вклад Чурилова Г.Н. заключается в нахождении конструктивных реиекий, разработке электрических схем, создании экспериментальных установок, проведении исследований.

i Автором выносятся на защиту следующие основные положения

1. Схемное и конструктивное решение генератора плазмы с разряд в поперечном магнитном поле синфазном с током разряда.

2. Конструкция и схема источника света для спектрального анали

3. Способ очистки проката и реализующее его устройство.

4. Экспериментальные результаты по исследованию генераторов пд мы килогерцевого диапазона.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения,ше ти глав, выводов и приложения. Содержание изложено на 112 стра цах и включает 61 рисунок. Список использованной литературы сс держит 56 наименований.

Содержание'работы.

Во введении дан краткий анализ вопросов рассматриваемых I диссертации. Приводятся параметры усилителя, разработанного в ЦКБ "Геофизика" г.Красноярска, который использовался как исто* ник питания генераторов плазмы килогерцевого диапазона частот.

В первой главе дан обзор литературы и описаны методики, которыми автор пользовался при выполнении диссертационной работы.

Во второй главе приведена схема и описано устройство генератора плазмы с разрядом в поперечном к току разряда Магниткой поле. Торец центрального электрода находился в плоскости электрода-индуктора. Ток разряда и ток магнитного поля - син-фозны. На рис.1 изображена электрическая схема : задающий генератор - I, усилитель - 2, конденсатор - 3, трансформатор - ■

Рис. I . Схема устройства генератора плазмы.

электрод-индуктор - 5, фазовращатель - 6, усилитель - 7, конденсатор - 8, катушка индуктивности - 9, центральный электрод - 10. Средняя температура в межэлектродном зазоре, по сечениям разряда перпендикулярным внутреннему радиусу внешнего электрода, оставалась постоянной (в пределах ошибки измерения) вдоль этого радиуса. Динамические характеристики разряда зависели как от частоты, так и от амплитуды тока разряда, рис.2 , ркс.З.

hic. 2 Динамические EAX риС. 3 Динамические ВАХ

при разных частотах (I - 47кГц, прИ разных токах. 2 - ЭЗкГц, 3 - 158кГц).

- а -

Скоростная съемка проведенная камерой СКС - 1м показала, что частота вращения дуги в мекэлектродном зазоре составляла -400 об/с. Измерения проводились при токе дуги - 6 А, величине магнитного поля -0,08Т. Изменение магнитного паля от 0,055 до 0,12 Т не оказывало влияния на частоту вращения. Не было замечено зависимости скорости вращения от величины тока разряда и от частоты. На ряс. 4 приведена фотография движущегося разряда. Видно, как дуга проходит щель электрода-индуктора. Она затяги-

_____ш

Рис. 4 .

вается в нель и удлиняется. Далее происходит шунтирование с последующи!/, движением опорных пятен по внутренней поверхности электрода-индуктора.

Спектральные исследования разряда в поперечном магнитном поле показали, что интенсивность линии меди с повышением частоты уменьшается, рис. 5. По оси ординат отложено значение величины интенсивности линии и фона в относительных единицах. Значение этой величины при частоте 160 кГц принято равной 5 относительных единиц. Известно, что большим интенсивноетям ли-К1'.п эмиссионного спектра соответствует и большая концентрация вещества в плазме. В связи с этим, делается вывод, что с уве- с, -

'личением частоты эрозия электродов уменьшается.

частоты для разряда килогерцевого диапазона в поперечном магнитном поле электрода-индуктора-0,08Т, и токе дуги - 10 А. С л ■= 5105 А).

Третья глава посвящена источнику света для спектрального анализа, выполненного на основе разряда килогерцевого диапазона частот в поперечном магнитном поле электрода-индуктора синфазном с током разряда. Центральный медный водоохлаждаемый электрод имел осевое отверстие для подачи транспортирующего газа. Твердая проба располагалась в отверстии торца центрального электрода.

Под действием силы Лоренца разряд вращался в области между электродом-индуктором и торцом центрального электрода. Вращающийся разряд принимал форму воронки, так-как сила Архи-

,меда выталкивала разряд в область пониженного давления, т.е. в область оси'совпадающей с осью центрального электрода. *■

Опорные плтна, при анализе твердых проб, располагались на пробе, а при анализе газов и аэрозолей на внутренней поверхности осевого отверстия центрального электрода. Это приводило к решению основной проблемы источника света для спектрального анализа, которая заключается в необходимости совмещения щзобы с наиболее горячей частью разряда.

Источник применялся для анализа эталонного образца алюминия. Определялась концентрация железа. Результаты дали совпадение с точностью до 0,001 %.

Сравнивалось отношение интенсивности линии меди к фону С 1л/1ф) Для классической угольной дуги и для источника света с разрядом в поперечном магнитном поле синфазном с током дуги. В случае обоих источников света, медьв виде порошка вводилась в отверстие торца центрального электрода, выполненного в виде угольного стергня. Величина - 1ф, определялась по спектрам полученным на тех же электродах без порошка меди. Использовали зависимости 1д= 1ф+д-1ф и 1л/1ф. Классическая дуга, применяемая в спектральном анализе - это дуга между двумя угольными электродами;расположенными вертикально, с частотой тока питания - 50 Гц. Для этой дуги отношение сигнала к фону составляло величину 7-10 относительных единиц. (Здесь, за единицу принята интенсивность фона). Для источника света, с разрядом в поперечном магнитном поле электрода-индуктора отношение сигнала к фену составляло величину 29-45. При этом, когда проба в дентральный электрод не вводилась, линий меди в спектре обнаружено не было.

Для изучения предела обнаружения на жидких пробах примени продувку аргона через торец центрального медного электро- II -

да охлаждаемого водой с аэрозолем раствора соли 5 Оц получаемым посредством пневматического распылителя. Многократные повторением эксперимента установили что предел обнаружения составлял 5 нг/мл.

В четвертой главе приводится описание макета устройства очистки проката совмещенной с отжигом. В основе работы устройства лежит нагрев металлического изделия индукционными токами, наводящимися в изделии, и осуществление разряда между изделием и индуктором.

Разряд переменного тока, развивающийся в поперечном магни' ном поле только часть периода, хотя и большую, можно отнести к дуговому, по величине протекающего тока. В начальной части пер! да, по величине тока и напряжения, разряд больше похож на тлеющий (рлс.И.З). Именно из-за того, что ток разряда переменный , протекающий в переменном магнитном поле поперечном к току разр; да, разряд не успевает подвергнуться контракции настолько, чт< бы это принесло ущерб металлической поверхности очищаемого изделия. Под действием силы Лоренца, р — ] к Н происходит искривление дуги в плоскости электрода-индуктора, возникают новые опорные пятна, т.е. дуга шунтируется, старые опорные пятна деградируют и, таким образом, опорные пятна перемещаются по поверэ ности электродов.

Разобранная вше динамика разряда обеспечивается радиальной компонентой тока и осевой компонентой магнитного поля. Суще ствует еще компонента радиального магнитного поля и компонента тангенциального тока, которые также ортогональны. Сила Лоренца, в этом случае, приводит к локализации разряда в плоскости олек-трода-индуктора.

Движение разряда вокруг оси центрального электрода-очища-

зй детали складывается с движением детали вдоль оси. Опорные гна рисуют на очищаемой детали винтовую линию с мальм шагом, i линейной скорости движения электродных пятен, обусловлен-\ вращением, много большей скорости осевого движения детали. 1учается, что один след разряда набегает на другой, и поверх-:ть многократно подвергается воздействию опорных: пятен.

Как уже указывалось, при частоте генератора- 66 кГц, велите магнитного поля - о .СвТ1» величине тона разряда - б А, час-га вращения составляла - 400 об/с. Диаметр центрального элек-зда - 8 мм. Соответствующая линейная скорость движения опор-го пятна центрального электрода - 9 м/с. Максимальная скорость щаемой детали (скорость очистки) зависит от многих факторов: зических свойств загрязняющего вещества, требований к качеству 1стки, эффективного диаметра пятна зоны очистки, связанного с раметрами разряда, и т.д.

На макете установки по очистке производилась обработка датой трубки диаметром - 8 км. Трубка пропускалась через уст-йство при токе дуги - 10 А, и величине амплитуда магнитного т -0.08Т- Масло, предварительно нанесенное на. поверхность убки, убиралось разрядом. Цвет изделия приобретал светлый ог-!ок, что свидетельствовало об удалении окисной пленки или об утончении.

Обработка латунной трубки разрядом в поперечном магнит'.! поле килогерцевого диапазона частот в атмосфере аргона, прицела к приобретению трубкой серебристого цвета.

Проведено фотографирование поверхности медной трубки , рабстанной разрядом на электронном микроскопе. Ток ргзряда-

- 10 А. Сфотографирована граница между обработанной частью и необработанной. По сфотографированным следам эрозии можно судить о структуре разряда. Можно предположить, что светлые пятна на темном фоне - это следы воздействия на поверхность опорных пятен. Размер опорного пятна, в этом случае, соответствует величине - Ю-^ мм. Наличие большого числа опорных пятен (следов на поЕнрхности изделия) свидетельствует о ыного-шнуровой природе разряда.' В связи с этим понятен и осноеной механизм малой эрозии. Полный ток в каждом отдельном пятне

п

мал.(Плотность тока в каждом пятне не может превышать 10 -

п р

10 А/мм ). Количество теплоты, выделяющееся в пятне, легко рассеивается без ущерба для поверхности электрода.

Очистка посредством описанного выше устройства эффективь так как нагревается непосредственно загрязняющий слой (за сче прямого прохождения тока через, обычно, высокоомное сопротивл ние загрязняющего слоя), а также слой металла в области локализации разряда.

Пятая глава посвящена угольной дуге килогерцевого диапазона. Сопротивление дуги - чисто активное и уменьшается с уве личением подводимой мощности. С ростом частоты сопротивление дуги увеличивается. Методом относительных интенсиЕностей спеь тральных линий по линиям циана определена температура дуги. На рис. 6 приведен график зависимости температуры от частоты. В исследуемом диапазоне частот, питающего дугу тока, знaчитeJ ная доля энергии подводимой к даге переизлучается в виде ультразвука. Увеличение температуры с ростом частоты связано с уменьшением энергии идущей на акустическое излучение дугой. Температура свободно горящей в воздухе дуги не зависит от по; водимой мощности в пределах от 300 до 1300 Вт.

'Наличие интенсивных линий пиана в спектре угольной дуги звидетельствует о сильном перемешивании плазмы с окружающим воздухом.

90 £0 760 340 320

Рис. б

В шестой главе приводятся результаты исследования коаксиального плазмотрона. Струя плазмы, при потреблении плазмотроном мощности - 2и кЕт, достигала длины - 750 ма.

Форма отверстия внешнего графитового электрода в щдэ усеченного конуса и центрального угольного электрода в нзде стержня, являются оптимальиаадля генерации наиболее устойчивой и наиболее длинной плазменной струи, при это?» , расстояние между торцом внутреннего электрода и блккайшеП образующей конического отверстия внешнего электрода должно составлять 7-10 мм. Струя одинаково, хорошо выдувается из открытого и

герметически закрытого с внутренней стороны плазмотрона. Сос-.тав плазмы - это материал вентрального электрода. Линии пиана имели слабую интенсивность, что свидетельствовало о незначу. -тельной перемешиваемости плазмы с воздухом. Температуру струи, в связи с этим, определяли по линиям меди Ы 1, для чего ее ь де порошка специально вводили в углубление в торце центрального электрода. Средняя по сечению температура, вдоль оси струи, изменялась от 5500 К, в начале струи до 200о К, в конечной ее части. Температура плазмы измерялась методом относительных ин-тенсивностей спектральных линий. Температура конечной части струи измерялась пирометром ОПИР - 3, рис. 7.

Рис. ? Температура струи вдоль ее оси. - 16 -

В приложении даны вольт-амперные характеристики (данами--шские) генератора плазмы с разрядом в поперечном магнитном поле синфазном с током разряда.

Основные результаты

1. Разработан и изготовлен генератор плазмы на основе кило-герцевого разряда в магнитном поле электрода-индуктора, синфазном с током разряда. Измерены вольт-амперные ха -рактеристики. Получены данные о средней температуре раз-рада. Проведена скоростная съемка разряда, движущегося в межхэлектродном зазоре. Получена зависимость интенсивности линии меди связанной с попаданием материала центрального электрода в плазму разряда, от частоты.

2. Разработан и изготовлен источник света для спектрального анализа. Определение концентрации железа в алюминии дало совпадение полученного значения с эталонным с точностью до Предел обнаружения в жидкостях по исследованию соли А/1 В О V для никеля, составил - 5 нг/мл.

3. Разработан способ и устройство очистки круглого проката на основе разряда переменного тока в поперечном магнитим, поле электрода-индуктора, синфазном с током разряда. Проведено исследование поверхностей обработанных разрядом нI электронном и оптическом микроскопах. Дефектов на поверх) ностях, типа раковин или наплывов, не обнаружено. По эрозийным следам, полученным посредством съемки на электрон ном микроскопе граничной зоны воздействия разряда на пов ности обработанной детали, установлено, что размер опорн го пятна составляет 10-^мм, а разряд имеет многошнуровую природу.

4. Получены вольт-амперные характеристики разрядов килогерц вого диапазона частот: угольной дуги, коаксиального пла:

мотрона, разряда в поперечном магнитном поле, синфазном с током дуги.

¡..Измерена температура угольной дуги в зависимости от частоты и от подводимой мощности. Получено распределение температуры струи вдоль оси и по радиусу на расстоянии одного калибра от плазмотрона.

з. Экспериментально найдена форма электродов при которой ' струя плазмы самовыдувается и самофокусируется истекая из коаксиального плазмотрона.

На основе разработанных и исследованных устройств сделаны выводы о перспективности применения килогерпевого диапазона частот для генерации низкотемпературной плазмы.

Часть материала диссертации содержится в опубликованных работах:

1. Игнатьев Г.Ф., Цурилов Г.Н., Пак В.Г. Исследование плазменной струи, генерируемой плазмотроном килогериевого диапазона частот. // Известия сибирского отделения академии наук СССР. Серия технических наук, 1986, 4, № 15, с. 93-95.

2. Чурилов Г.Н. Использование высокочастотных установок в современных технологических процессах. // Тезисы докладов Краевой научно-практической конференции "Научно-практические проблема технического перевооружения предприятий цветной металлургии

. края" - Красноярск 1986, с.97 - 98.

3. Игнатьев Г.Ф., Чурилов Г.Н. Перспективы применения разряда килогериевого диапазона частот для электродуговой очистки сое мещенной с индукционным отжигом. // Цветные металлы, 1983 ,

№ I, с. 109 - III.

4. £раниузова E.H., Игнатьев Г.Ф., Чурилов Г.Н. Исследование характеристик дугового разряда килогериевого диапазона частот.// Тезисы докладов краевой научно-технической конференции "Молодые ученые и студенты ускорению научно-уехнического прогресса". -Красноярск, 1986, с. 123.

5. Ъокпеева 1.В., Игнатьев Г.Ф., Чурилов Г.Н. Исследование свойств разряда килогерцевого диапазона частот в поперечном магг нитноы поле.// Тезисы докладов научно-технической конференции "Молодые ученые и студенты ускорению научно-технического прогресса". - Красноярск, 1986, с.122.

5. Игнатьев Г.Ф., Чурилов Г.Н. Источник света для спектрального анализа.// Положительное решение, заявка № 4707131/24-25/084 851/, 20.06.89.

7. Игнатьев Г.Ф., Чурилов Г.Н. Способ очистки проката.//Положительное решение, заявка » 458914/40-12 (109030), 11.07.88.