№ 3
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2012
УДК 621.37
© 2012 г. ДИДЕНКО А.Н., ПРОКОПЕНКО А.В., СМИРНОВ К.Д.
СВЧ-ПЛАЗМОТРОНЫ В НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ
Рассмотрены различные конструкции устройств, генерирующих СВЧ-плазму, и оценена их эффективность. Выполнен обзор работ по разработкам СВЧ-плазмотро-нов атмосферного давления для различных технологических процессов.
Введение. В последние годы вопросам использования электромагнитной энергии сверхвысокочастотного диапазона для повышения энергосбережения в различных технологических процессах уделяется значительное внимание. СВЧ-энергия востребована в традиционных процессах сушки и спекания и для получения чистой плазмы [1]. СВЧ-плазма имеет высокую чистоту, которую нельзя получить в обычных плазмотронах, также возможно получить плотную высокотемпературную плазму в небольших объемах. Это определяет перспективу исследования плазмы СВЧ-разряда и новых прикладных областей ее применения. Плазма СВЧ-разряда может использоваться в следующих процессах: получение водорода; получение оксидов и нитридов высокочистых материалов; плазмохимическая переработка углей, включая их пиролиз и газо-фикацию; энергоэффективный поджиг угольной пыли; осаждение алмазов и алмазо-подобных пленок; осаждение покрытий на кремниевых подложках и травление поверхности; использования СВЧ-плазмы в космической энергетике, в частности для имитации вхождения спутников в атмосферу земли; источниках света на основе СВЧ-разряда; спектроскопии.
С конца 60-х годов начинается систематическое изучение свойств СВЧ-разряда и областей возможного его применения. Исследования [2—5] были посвящены в основном экспериментальному изучению СВЧ-разряда в плазмотронах различных типов, работающих на инертных и молекулярных газах при давлениях от десятой доли Паскаля до атмосферного. Для получения и поддержания СВЧ-плазмы используются СВЧ-генераторы мощностью от единиц до сотен киловатт. Концентрации электронов в СВЧ-плазме обычно велики и превышает критическую концентрацию, определяемую по частоте поля с помощью соотношения пк [см-3] = 1,24 • 1010/2 [ГГц]. СВЧ-плаз-ма имеет более высокую электронную температуру (5-15 эВ), чем плазма разрядов на постоянном токе и плазма радиочастотных разрядов (1-2 эВ). Если мощность СВЧ-разряда достигает 1 кВт, концентрация электронов в ней составляет 7,4 • 1010 1/см3 на частоте 2,45 ГГц. Разрешенными международными соглашениями частотами (КМ-ча-стоты) для создания мощных установок в СВЧ-диапазоне являются 433,92, 915, 2450, 5800 и 24125 МГц. Существуют различные конструкции СВЧ-плазмотронов, в них основной элемент - рабочая камера, которая определяет структуру электромагнитного поля в области разряда. Одна из более полных классификаций конструкций СВЧ-плазмотронов дана в работе [4].
В последние годы появились работы [6-9] о создании и применении СВЧ-плаз-мотронов, работающих на воздухе атмосферного давления с мощностью от 600 Вт до 5 кВт на частоте 2450 МГц. Области использования таких плазмотронов: плазменные техно-
логии газоочистки от ядовитых и инфекционных выбросов; сжигание твердых бытовых отходов; модификация рабочих поверхностей деталей из сталей, сплавов и полупроводниковых материалов перед операциями азотирования, очистки или травления; получения синтез-газа (активация процессов горения и термохимической конверсии забалластированного газообразного и низкосортного твердого топлива); активация посадочного материала в сельском хозяйстве; бактерицидная обработка тары.
В статье приведены способы генерации плазмы, устройства плазмотронов атмосферного давления, обзор современного состояния разработки плазмотронов для решения прикладных задач и результаты исследований по использованию СВЧ-плазмы для пищевой промышленности.
Конструкции СВЧ-плазмотронов
СВЧ-плазмотроны — это устройства, позволяющие вводить энергию сверхвысокочастотных электромагнитных колебаний в газ и в результате СВЧ-разряда создавать плазму. Генератор плазмы должен обеспечивать плазму с заданными свойствами. Существует несколько подходов к классификации устройств для создания СВЧ-плазмы. Согласно одному из них [10], микроволновые плазмотроны можно разделить на следующие группы: лабораторные плазмотроны мощностью 1—5 кВт; плазмотроны мощностью 20—50 кВт для стендовых плазменных установок; плазмотроны мощностью 100—500 кВт для аппаратурного оформления промышленных процессов. Микроволновые разряды в зависимости от давления делятся на три группы: разряды низкого давления (до 1500 Па), которые по свойствам подобны тлеющим разрядам постоянного тока, исключая более высокую концентрацию электронов; разряды умеренного давления (до 30000 Па) с сильно неравновесной плазмой; разряды высокого давления (до 1 атм), которые подобны дуговым разрядам кроме более высокой температуры электронов.
Плазмотроны можно классифицировать по принципам возбуждения и поддержания СВЧ-разряда [4]. Основным элементом СВЧ-плазмотрона является устройство, с помощью которого электромагнитная энергия вводится в разряд. В СВЧ-диапазоне можно создать конструкции для получения плазмы с широким спектром параметров, которые следует условно разделить на следующие группы: генераторы плазмы, основанные на передающих линиях СВЧ; генераторы плазмы на основе резонаторов СВЧ; генераторы плазмы на основе волн в плазме; генераторы плазмы на основе замедляющих структур; генераторы плазмы с распределенным вводом энергии в плазму; генераторы плазмы на волновых пучках; генераторы плазмы с электродными СВЧ-систе-мами; генераторы плазмы с инициированными СВЧ-разрядами; генераторы плазмы в СВЧ-системах с внешними магнитными полями; генераторы плазмы с применением комбинации полей СВЧ-диапазона и других частот.
Для разработки СВЧ-плазмотронов атмосферного давления используются, как правило, первые четыре группы. Более простыми являются генераторы СВЧ-плазмы на основе линий передач СВЧ-энергии. В таких устройствах электромагнитная энергия подводится к газу с помощью волноводов разных сечений: прямоугольный волновод, П-образный волновод; Н-образный волновод, круглый волновод и коаксиальный волновод. Плазмообразующий газ проходит через диэлектрические разрядные трубки, помещенные в районе максимума напряженности электрического поля. В качестве материала трубок используется кварцевое стекло или керамика с малым тангенсом угла диэлектрических потерь. Объем плазмы обычно не превышает 10 см3 и зависит от мощности и конструктивных особенностей плазмотронов. Для поджига и устойчивого горения СВЧ-разряда в плазмотроне атмосферного давления используются магне-тронные генераторы с мощностью >1 кВт.
Плазмотроны на основе СВЧ-резонаторов являются наиболее распространенным типом СВЧ-плазмотронов. В резонаторах возможно эффективно поджечь и поддерживать разряд атмосферного давления при мощности СВЧ-питания <1 кВт. В таких
плазмотронах плазма получается в диэлектрических трубках, помещенных в резонаторах разных конструкций: призматических, цилиндрических, тороидальных, открытых, резонаторах на основе радиальных линий. Диэлектрическая трубка помещается в максимуме напряженности электрического поля в резонаторе определенной формы и установленного вида колебаний. Диэлектрическая трубка охлаждается проходящим по ней плазмообразующим газом. Эффективность поджига разряда в резонаторных плазмотронах выше, чем в волноводных плазмотронах. Объем плазмы, образующейся в таких резонаторах при одинаковой мощности питания, примерно такой же, как у волноводных плазмотронов.
В последнее время наметилась тенденция к созданию резонаторных плазмотронов с такими видами колебаний, в которых максимум электрического поля наблюдается у стенки резонатора. Это позволяет избавиться от диэлектрических трубок, усложняющих конструкцию плазмотрона.
Приборы первых двух групп относятся к генераторам плазмы с "локализованной разрядной зоной", плазма генерируется внутри передающей линии с газом в районе максимума напряженности электрического поля. Поэтому размеры разрядной зоны ограничены. Для получения разрядов большого объема применяют генераторы плазмы с использованием волн в плазме и с применением замедляющих структур. В генераторах с поверхностными волнами энергия распространяется вдоль границ раздела двух сред и не излучается по нормали к ней. Такой границей может быть стенка разрядной трубки, а устройство, создающее поверхностную волну (сурфатрон), должно генерировать электромагнитную волну с вектором электрического поля, направленным вдоль трубки. Характерный признак поверхностной волны — экспоненциальный спад напряженности вдоль нормали к поверхности (в отличие от зависимости ~1/т в обычных объемных волнах). Необходимая структура электрического поля создается в зазоре.
Генераторы СВЧ-плазмы на основе поверхностных волн могут быть выполнены на основе круглых прямоугольных и коаксиальных волноводов. В таких приборах имеются подстроечные СВЧ-поршни. СВЧ-плазмотроны на основе поверхностных волн достаточно широкополосны и могут работать на частотах от единиц мегагерц до СВЧ-диапазона. Разряд представляет собой столб плазмы в трубке, распространяющийся за пределы устройства на расстояние, превышающее 1 м. Таким образом, объем плазмы может быть существенно увеличен. Устройства работают при давлениях от пониженного до атмосферного.
Для увеличения объема СВЧ-плазмы используются замедляющие системы, в которых есть периодическая структура, замедляющая фазовую скорость электромагнитной волны. В качестве периодических структур применяются системы встречно-штыревого типа, типа диафрагмированного волновода, типа фильтра нижних частот, гребенчатые и спиральные замедляющие системы. Около такой структуры в большом объеме существует электрическое поле и в него помещается разрядная трубка. Для эффективности и равномерности горения разряда создается распределенная система ввода СВЧ-мощности в замедляющую систему.
Стабилизация СВЧ-разряда в пространстве при работе на атмосферном давлении осуществляется с помощью газовой стабилизации разряда или с использованием магнитных полей. Задача стабилизации состоит в защит
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.