Indukcijsko grijanje, osnovni principi i tehnologije. Indukcijska plazma baklja visoke frekvencije Kontrola zasićenja indukcijskog grijanja visoke frekvencije

A u uređajima se toplina u grijanom uređaju oslobađa strujama koje nastaju u izmjeničnom elektromagnetskom polju unutar jedinice. Zovu se indukcija. Kao rezultat njihovog djelovanja dolazi do povećanja temperature. Indukcijsko zagrijavanje metala temelji se na dva glavna fizikalna zakona:

  • Faraday-Maxwell;
  • Joule-Lenz.

U metalnim tijelima, kada se stave u izmjenično polje, počinju se javljati vrtložna električna polja.

Uređaj za indukcijsko grijanje

Sve se događa na sljedeći način. Pod utjecajem varijable mijenja se elektromotorna sila (EMS) indukcije.

EMF djeluje na način da unutar tijela teku vrtložne struje koje oslobađaju toplinu u skladu s Joule-Lenzovim zakonom. EMF također stvara naizmjenična struja u metalu. U tom slučaju oslobađa se toplinska energija, što dovodi do povećanja temperature metala.

Ova vrsta grijanja je najjednostavnija, jer je beskontaktna. Omogućuje vam postizanje vrlo visoke temperature, na kojoj je moguće obraditi

Da bi se osiguralo indukcijsko grijanje, potrebno je stvoriti određeni napon i frekvenciju u elektromagnetskim poljima. To se može učiniti u posebnom uređaju - induktoru. Napaja se iz industrijske mreže na 50 Hz. Za to možete koristiti pojedinačne izvore energije - pretvarače i generatore.

Najjednostavniji uređaj za niskofrekventni induktor je spirala (izolirani vodič), koji se može postaviti unutar metalna cijev ili omotan oko njega. Prolazne struje zagrijavaju cijev, koja zauzvrat prenosi toplinu okoliš.

Upotreba indukcijskog grijanja na niskim frekvencijama prilično je rijetka. Češća je obrada metala na srednjim i visokim frekvencijama.

Takvi se uređaji razlikuju po tome što magnetski val udara u površinu, gdje se prigušuje. Tijelo energiju tog vala pretvara u toplinu. Da bi se postigao maksimalan učinak, obje komponente moraju biti bliske u obliku.

Gdje se koriste?

Primjena indukcijskog grijanja u moderni svijetširoko rasprostranjena. Područje upotrebe:

  • taljenje metala, njihovo lemljenje beskontaktnom metodom;
  • dobivanje novih metalnih legura;
  • strojarstvo;
  • izrada nakita;
  • proizvodnja malih dijelova koji se mogu oštetiti drugim metodama;
  • (i dijelovi mogu biti najsloženije konfiguracije);
  • toplinska obrada (obrada strojnih dijelova, kaljenih površina);
  • medicine (dezinfekcija uređaja i instrumenata).

Indukcijsko grijanje: pozitivne karakteristike

Ova metoda ima mnoge prednosti:

  • Uz njegovu pomoć možete brzo zagrijati i rastopiti bilo koji materijal koji vodi struju.
  • Omogućuje grijanje u bilo kojem okruženju: vakuum, atmosfera, nevodljiva tekućina.
  • Zbog činjenice da se zagrijava samo vodljivi materijal, zidovi, koji slabo apsorbiraju valove, ostaju hladni.
  • U specijaliziranim područjima metalurgije, proizvodnja ultra čistih legura. Ovo je zanimljiv proces, jer se metali miješaju u omotaču zaštitnog plina.

  • U usporedbi s drugim vrstama, indukcija ne zagađuje okoliš. Ako u slučaju plinski plamenici Dok je onečišćenje prisutno, baš kao kod lučnog grijanja, indukcija ga eliminira zbog "čistog" elektromagnetskog zračenja.
  • Male dimenzije induktorskog uređaja.
  • Mogućnost izrade induktora bilo kojeg oblika; to neće dovesti do lokalnog zagrijavanja, ali će promicati ravnomjernu raspodjelu topline.
  • Nezamjenjiv ako je potrebno zagrijati samo određeno područje površine.
  • Nije teško konfigurirati takvu opremu za željeni način rada i regulirati ga.

Mane

Sustav ima sljedeće nedostatke:

  • Prilično je teško samostalno instalirati i prilagoditi vrstu grijanja (indukciju) i njegovu opremu. Bolje je kontaktirati stručnjake.
  • Potreba za točnim usklađivanjem induktora i obratka, inače će indukcijsko grijanje biti nedovoljno, njegova snaga može doseći male vrijednosti.

Grijanje s indukcijskom opremom

Za dogovor individualno grijanje Možete razmotriti opciju kao što je indukcijsko grijanje.

Jedinica će biti transformator koji se sastoji od dva tipa namota: primarnog i sekundarnog (koji je zauzvrat u kratkom spoju).

Kako radi

Princip rada konvencionalnog induktora: vrtložni tokovi prolaze unutra i usmjeravaju električno polje na drugo tijelo.

Da bi voda prošla kroz takav kotao, na njega su spojene dvije cijevi: za hladnu vodu koja ulazi, a na izlazu tople vode - druga cijev. Zbog pritiska, voda stalno cirkulira, što eliminira mogućnost zagrijavanja elementa induktora. Ovdje je isključena prisutnost kamenca, jer se u induktoru javljaju stalne vibracije.

Takav element bit će jeftin za održavanje. Glavna prednost je što uređaj radi tiho. Može se ugraditi u bilo koju prostoriju.

Izrada opreme sami

Instalacija indukcijskog grijanja nije jako teška. Čak i netko tko nema iskustva će se nositi sa zadatkom nakon pažljivog proučavanja. Prije nego što počnete, morate se opskrbiti sljedećim potrebnim artiklima:

  • Inverter. Može se koristiti od Stroj za zavarivanje, jeftin je i imat će potrebnu visoku frekvenciju. Možete ga napraviti sami. Ali ovo je dugotrajna aktivnost.
  • Tijelo grijača (komad plastična cijev, indukcijsko zagrijavanje cijevi u ovom će slučaju biti najučinkovitije).
  • Materijal (žica promjera ne većeg od sedam milimetara će učiniti).
  • Uređaji za spajanje induktora na toplinsku mrežu.
  • Mrežica za držanje žice unutar induktora.
  • Od (mora biti emajliran) može se napraviti indukcijski svitak.
  • Pumpa (za dovod vode u induktor).

Pravila za izradu opreme sami

Da bi instalacija indukcijskog grijanja radila ispravno, struja za takav proizvod mora odgovarati snazi ​​(mora biti najmanje 15 ampera, ako je potrebno, više).

  • Žicu treba izrezati na komade ne veće od pet centimetara. To je neophodno za učinkovito zagrijavanje u visokofrekventnom polju.
  • Tijelo ne smije biti manjeg promjera od pripremljene žice i imati debele stijenke.
  • Za pričvršćivanje na mrežu grijanja, poseban adapter je pričvršćen na jednu stranu strukture.
  • Na dno cijevi treba postaviti mrežicu koja će spriječiti ispadanje žice.
  • Potonji je potreban u takvoj količini da ispuni cijeli unutarnji prostor.
  • Struktura je zatvorena i instaliran je adapter.
  • Zatim se od ove cijevi konstruira zavojnica. Da biste to učinili, omotajte ga već pripremljenom žicom. Mora se poštovati broj okreta: najmanje 80, najviše 90.
  • Nakon spajanja na sustav grijanja, voda se ulijeva u uređaj. Zavojnica je spojena na pripremljeni pretvarač.
  • Ugrađena je pumpa za dovod vode.
  • Instaliran je regulator temperature.

Dakle, izračun indukcijskog grijanja ovisit će o sljedećim parametrima: duljini, promjeru, temperaturi i vremenu obrade. Obratite pozornost na induktivitet sabirnica koje vode do induktora, koji može biti puno veći od samog induktora.

O pločama za kuhanje

Još jedna kućna upotreba osim sustava grijanja je ovaj tip grijanje pronađeno u ploče za kuhanje ploče

Ova površina izgleda kao obični transformator. Njegova zavojnica je skrivena ispod površine ploče, koja može biti staklena ili keramička. Kroz njega prolazi struja. Ovo je prvi dio zavojnice. Ali drugo je posuđe u kojem će se hrana kuhati. Na dnu posuđa stvaraju se vrtložna strujanja. Prvo zagrijavaju posuđe, a zatim hranu u njima.

Toplina će se osloboditi samo kada se posuđe stavi na površinu ploče.

Ako nedostaje, ne događa se nikakva radnja. Zona indukcijskog grijanja će odgovarati promjeru posuđa postavljenog na nju.

Za takve peći potrebno je posebno posuđe. Većina feromagnetskih metala može komunicirati s indukcijskim poljem: aluminij, nehrđajući i emajlirani čelik, lijevano željezo. Jedini koji nisu prikladni za takve površine su: bakar, keramika, staklo i posuđe od neferomagnetskih metala.

Naravno, uključit će se samo ako su na njemu postavljene odgovarajuće posude.

Moderni štednjaci opremljeni su elektroničkom upravljačkom jedinicom koja vam omogućuje prepoznavanje praznog i neprikladnog posuđa. Glavne prednosti štednjaka su: sigurnost, lakoća čišćenja, brzina, učinkovitost i isplativost. Nikada se ne smijete opeći na površini ploče.

Dakle, saznali smo gdje se koristi ova vrsta grijanja (indukcija).

INDUKCIJSKI GRIJAČ- električna je grijač, koji djeluje pri promjeni toka magnetske indukcije u zatvorenoj vodljivoj petlji. Taj se fenomen naziva elektromagnetska indukcija. Želite li znati kako radi indukcijski grijač? ZAVODRR- ovo je trgovanje informativni portal, gdje ćete pronaći informacije o grijačima.

Vortex indukcijski grijači

Indukcijska zavojnica može zagrijati bilo koji metal, grijači su sastavljeni pomoću tranzistora i imaju visoku učinkovitost veću od 95%; dugo su zamijenili indukcijske grijače lampe, čija učinkovitost nije prelazila 60%.

Vrtložni indukcijski grijač za bezkontaktno grijanje nema gubitaka u podešavanju rezonantne podudarnosti radnih parametara instalacije s parametrima izlaznog oscilatornog kruga. Grijači tipa Vortex sastavljeni na tranzistorima mogu savršeno analizirati i prilagoditi izlaznu frekvenciju u automatskom načinu rada.

Metalni indukcijski grijači

Grijači za indukcijsko zagrijavanje metala imaju beskontaktnu metodu zbog djelovanja vrtložnog polja. Različite vrste grijača prodiru u metal do određene dubine od 0,1 do 10 cm, ovisno o odabranoj frekvenciji:

  • visoka frekvencija;
  • prosječna učestalost;
  • ultra visoke frekvencije.

Metalni indukcijski grijači omogućuju vam obradu dijelova ne samo na otvorenim prostorima, već i postavljanje grijanih predmeta u izolirane komore u kojima možete stvoriti bilo koje okruženje, kao i vakuum.

Električni indukcijski grijač

Visokofrekventni električni indukcijski grijač Svakim danom dobiva nove načine primjene. Grijalica radi na AC električna struja. Najčešće se indukcijski električni grijači koriste za dovođenje metala na potrebne temperature tijekom sljedećih operacija: kovanje, lemljenje, zavarivanje, savijanje, kaljenje itd. Električni indukcijski grijači rade na visokoj frekvenciji 30-100 kHz i koriste se za grijanje različite vrste medija i rashladnih sredstava.

Električni grijač koristi se u mnogim područjima:

  • metalurški (HDTV grijači, indukcijske peći);
  • izrada instrumenata (lemljenje elemenata);
  • medicinski (proizvodnja i dezinfekcija instrumenata);
  • nakit (proizvodnja nakit);
  • stambene i komunalne usluge ( indukcijski kotlovi grijanje);
  • hrana (indukcijski parni kotlovi).

Indukcijski grijači srednje frekvencije

Kada je potrebno dublje zagrijavanje, koriste se indukcijski grijači srednje frekvencije, koji rade na srednjim frekvencijama od 1 do 20 kHz. Kompaktni induktor za sve vrste grijača može biti najviše različite oblike, koji je odabran tako da osigura ravnomjerno zagrijavanje uzoraka najrazličitijih oblika, a moguće je provesti i određeno lokalno zagrijavanje. Tip srednje frekvencije će obrađivati ​​materijale za kovanje i kaljenje, kao i kroz zagrijavanje za štancanje.

Jednostavni za rukovanje, s učinkovitošću do 100%, indukcijski srednjofrekventni grijači koriste se za širok raspon tehnologija u metalurgiji (također za taljenje razni metali), strojarstvo, izrada instrumenata i druga područja.

Visokofrekventni indukcijski grijači

Najširi raspon primjene je za visokofrekventne indukcijske grijače. Grijači se odlikuju visokom frekvencijom od 30-100 kHz i širokim rasponom snage od 15-160 kW. Visokofrekventni tip osigurava plitko zagrijavanje, ali to je dovoljno za poboljšanje Kemijska svojstva metal

Visokofrekventni indukcijski grijači jednostavni su za rukovanje i ekonomični, a njihova učinkovitost može doseći 95%. Svi tipovi rade kontinuirano dugo vremena, a dvoblok verzija (kada je visokofrekventni transformator smješten u zasebnom bloku) omogućuje 24-satni rad. Grijač ima 28 vrsta zaštite, od kojih je svaka odgovorna za svoju funkciju. Primjer: praćenje tlaka vode u rashladnom sustavu.

Indukcijski grijači ultra visoke frekvencije

Mikrovalni indukcijski grijači rade na superfrekvencijama (100-1,5 MHz) i prodiru do dubine zagrijavanja (do 1 mm). Ultra-visokofrekventni tip je nezamjenjiv za obradu tankih, malih dijelova malog promjera. Korištenje takvih grijača omogućuje izbjegavanje neželjenih deformacija povezanih s zagrijavanjem.

Ultravisokofrekventni indukcijski grijači temeljeni na JGBT modulima i MOSFET tranzistorima imaju ograničenja snage od 3,5-500 kW. Koriste se u elektronici, u proizvodnji visokopreciznih instrumenata, satova, nakita, za izradu žice i za druge namjene koje zahtijevaju posebnu preciznost i filigran.

Kovački indukcijski grijači

Glavna namjena indukcijskih grijača (IH) kovačkog tipa je zagrijavanje dijelova ili njihovih dijelova prije naknadnog kovanja. Praznine mogu biti najviše različiti tipovi, legura i oblik. Indukcijski grijači za kovanje omogućuju vam obradu cilindričnih izradaka bilo kojeg promjera u automatskom načinu rada:

  • ekonomični, jer im je potrebno samo nekoliko sekundi da se zagriju i imaju visoku učinkovitost do 95%;
  • jednostavan za korištenje, omogućuje: potpunu kontrolu procesa, poluautomatski utovar i istovar. Postoje opcije s potpunom automatizacijom;
  • su pouzdani i mogu raditi kontinuirano dugo vremena.

Grijači indukcijskih osovina

Indukcijski grijači za kaljenje osovina raditi zajedno s kompleksom za stvrdnjavanje. Radni komad je u okomitom položaju i rotira unutar stacionarnog induktora. Grijač omogućuje korištenje svih vrsta osovina za dosljedno lokalno zagrijavanje, dubina kaljenja može biti frakcija milimetara.

Kao rezultat indukcijskog zagrijavanja osovine po cijeloj dužini uz trenutno hlađenje, njena čvrstoća i trajnost se višestruko povećava.

Indukcijski grijači cijevi

Sve vrste cijevi mogu se tretirati indukcijskim grijačima. Grijač za cijevi može biti zračno ili vodeno hlađen, snage 10-250 kW, sljedećih parametara:

  • Indukcijsko grijanje cijevi hlađeno zrakom proizveden pomoću fleksibilnog induktora i toplinske deke. Temperatura grijanja do temperatura 400 °C, te koristiti cijevi promjera 20 - 1250 mm s bilo kojom debljinom stijenke.
  • Vodeno hlađena cijev za indukcijsko grijanje ima temperaturu zagrijavanja od 1600 °C i koristi se za “savijanje” cijevi promjera 20 - 1250 mm.

Svaka opcija toplinske obrade koristi se za poboljšanje kvalitete bilo koje čelične cijevi.

Pirometar za kontrolu grijanja

Jedan od najvažnijih radnih parametara indukcijskih grijača je temperatura. Za njegovo pažljivije praćenje, osim ugrađenih senzora, često se koriste i infracrveni pirometri. Ovi optički uređaji omogućuju brzo i jednostavno određivanje temperature teško dostupnih (zbog velike topline, mogućnosti izloženosti struji i sl.) površina.

Ako spojite pirometar na indukcijski grijač, ne možete samo pratiti temperaturni režim, ali i automatski održava temperaturu grijanja određeno vrijeme.

Princip rada indukcijskih grijača

Tijekom rada, u induktoru se stvara magnetsko polje u koje se dio postavlja. Ovisno o zadatku (dubina zagrijavanja) i dijelu (sastav), odabire se frekvencija, može biti od 0,5 do 700 kHz.

Princip rada grijača prema zakonima fizike kaže: kada je vodič u izmjeničnom elektromagnetskom polju, u njemu se formira EMF (elektromotorna sila). Grafikon amplitude pokazuje da se ona pomiče proporcionalno promjeni brzine magnetskog toka. Zbog toga se u krugu stvaraju vrtložne struje čija veličina ovisi o otporu (materijalu) vodiča. Prema Joule-Lenzovom zakonu, struja dovodi do zagrijavanja vodiča koji ima otpor.

Princip rada svih vrsta indukcijskih grijača sličan je transformatoru. Vodljivi radni komad, koji se nalazi u induktoru, sličan je transformatoru (bez magnetske jezgre). Primarni namot je induktor, sekundarni induktivitet dijela, a opterećenje je metalni otpor. Tijekom visokofrekventnog zagrijavanja stvara se "efekt kože"; vrtložne struje koje se formiraju unutar obratka istiskuju glavnu struju na površinu vodiča, jer je zagrijavanje metala na površini jače nego iznutra.


Prednosti indukcijskih grijača

Indukcijski grijač ima nedvojbene prednosti i vodeći je među svim vrstama uređaja. Ova prednost je sljedeća:

  • Troši manje električne energije i ne zagađuje okolni prostor.
  • Jednostavan za korištenje, pruža visoku kvalitetu rada i omogućuje kontrolu procesa.
  • Zagrijavanje kroz stijenke komore osigurava posebnu čistoću i mogućnost dobivanja ultra čistih legura, dok se taljenje može provoditi u različitim atmosferama, uključujući inertne plinove i vakuum.
  • Uz njegovu pomoć moguće je ravnomjerno zagrijavanje dijelova bilo kojeg oblika ili selektivno zagrijavanje
  • Konačno, indukcijske grijalice su univerzalne, što im omogućuje svugdje korištenje, istiskujući zastarjele energetski trošeće i neučinkovite instalacije.


Popravak indukcijskih grijača vrši se pomoću rezervnih dijelova iz našeg skladišta. Trenutno možemo popraviti sve vrste grijača. Indukcijski grijači su prilično pouzdani ako se strogo pridržavate uputa za uporabu i ne dopuštate pretjerane uvjete rada - prije svega, pratite temperaturu i pravilno hlađenje vode.

Suptilnosti rada svih vrsta indukcijskih grijača često nisu u potpunosti objavljene u dokumentaciji proizvođača; njihove popravke trebaju obavljati kvalificirani stručnjaci koji su dobro upoznati s detaljnim principom rada takve opreme.


Video rada indukcijskih srednjofrekventnih grijača

Možete pogledati video rada srednjofrekventnog indukcijskog grijača.Srednjefrekventni služi za dubinski prodor u sve vrste metalni proizvodi. Srednjefrekventni grijač je pouzdana i moderna oprema koja radi 24 sata dnevno za dobrobit vašeg poduzeća.

Izum se odnosi na elektrotehniku ​​i usmjeren je na povećanje radnog vijeka RF plazma baklji i povećanje njihove toplinske učinkovitosti. Problem je riješen činjenicom da HF plazma baklja sadrži cilindričnu komoru za pražnjenje izrađenu u obliku vodom hlađenih uzdužnih profiliranih metalnih dijelova smještenih u zaštitnom dielektričnom kućištu, induktor koji pokriva kućište i ulazne jedinice za glavni i toplinski zaštitni plinovi ugrađeni unutar komore za pražnjenje na njenom krajnjem dijelu. Jedinica za dovod toplinskog zaštitnog plina izrađena je u obliku jednog ili više koaksijalnih prstenastih nizova uzdužnih metalnih cijevi s količinom u svakom redu, jednak broju uzdužni profilirani metalni profili. Cijevi sa strane induktora imaju profilirani raspor za izlaz plina, kao i uzdužni razmak u odnosu na susjedne cijevi u nizu do udaljenosti od najmanje jednog unutarnjeg promjera komore za pražnjenje, računajući od najbližeg zavoja induktora. Cijevi su spojene uzduž bočne površine lemljenjem ili zavarivanjem s radijalno smještenim uzdužnim metalnim cijevima susjednog koaksijalnog prstenastog reda, a uzdužne metalne cijevi reda koji je najbliži uzdužnim profiliranim metalnim dijelovima spojene su duž bočne površine sa susjednim dijelom. lemljenjem ili zavarivanjem. Glavna jedinica za unos plina na strani induktora opremljena je dijafragmom koja se nalazi na udaljenosti od najmanje jednog unutarnjeg promjera komore za pražnjenje od najbližeg zavoja induktora i ima najmanje jednu rupu za prolaz plina. Krajevi uzdužnih metalnih cijevi za izlaz plina u svakom redu nalaze se izvan zone induktora i jednako su udaljeni od njegovog najbližeg zavoja, a udaljenost krajeva uzdužnih metalnih cijevi za izlaz plina od najbližeg zavoja induktora raste s udaljenošću koaksijalnog prstenastog niza od uzdužnih profiliranih metalnih presjeka. Uzdužne metalne cijevi nalaze se na površini susjednih, radijalno postavljenih uzdužnih metalnih cijevi, a uzdužne metalne cijevi koaksijalnog prstenastog niza najbliže uzdužnim profiliranim metalnim profilima nalaze se na površini susjednih profila. Dijafragma na strani induktora tvori prstenasti raspor za prolaz plina s uzdužnim metalnim cijevima najbližeg koaksijalnog prstenastog reda, a visina prstenastog raspora za prolaz plina je manje visine profilirani raspor za izlaz plina uzdužnih metalnih cijevi najbližeg koaksijalnog prstenastog reda. Korištenje predloženog dizajna RF plazma baklje kao generatora niskotemperaturne plazme u mlazno-plazma procesima za obradu dispergiranih materijala omogućilo je stvaranje učinkovitih plazma reaktorskih uređaja za otvaranje fino mljevenih rudnih sirovina, sferoidizaciju dispergiranih materijala i dobivanje visoko dispergiranih oksidnih prahova generiranjem neuvijenih mlazova plazme pri toplinskoj učinkovitosti RFID-plazma baklji većoj od 80%. 15 plaća f-ly, 5 ilustr.

Pošaljite svoj dobar rad u bazu znanja jednostavno je. Koristite obrazac u nastavku

Studenti, diplomanti, mladi znanstvenici koji koriste bazu znanja u svom studiju i radu bit će vam vrlo zahvalni.

Objavljeno na http://www.allbest.ru/

VF - indukcijsko pražnjenje: uvjeti izgaranja, izvedba i područje primjene

Uvod

Jedno od najvažnijih pitanja u organiziranju plazme tehnološki procesi je razvoj izvora plazme sa svojstvima optimalnim za ovu tehnologiju, na primjer: visoka homogenost, zadana gustoća plazme, energija nabijenih čestica, koncentracija kemijski aktivnih radikala. Analiza pokazuje da su visokofrekventni (HF) izvori plazme najperspektivniji za upotrebu u industrijskim tehnologijama, budući da se, prvo, mogu koristiti za obradu vodljivih i dielektričnih materijala, a Drugo, ne samo inertni plinovi, već i kemijski aktivni plinovi mogu se koristiti kao radni plinovi. Danas su poznati izvori plazme temeljeni na kapacitivnim i induktivnim RF pražnjenjima. Značajka kapacitivnog RF izboja, koji se najčešće koristi u plazma tehnologijama, je postojanje slojeva prostornog naboja na elektrodi, u kojima se formira vremenski prosječan pad potencijala, ubrzavajući ione u smjeru elektrode. To omogućuje obradu uzoraka materijala koji se nalaze na elektrodama RF kapacitivnog pražnjenja pomoću ubrzanih iona. Nedostatak kapacitivnih RF izvora izboja je relativno niska koncentracija elektrona u glavnom volumenu plazme. Znatno veća koncentracija elektrona pri istim RF snagama karakteristična je za induktivna RF pražnjenja.

Induktivno RF pražnjenje poznato je više od sto godina. Ovo je pražnjenje pobuđeno strujom koja teče kroz induktor smješten na bočnoj ili krajnjoj površini obično cilindričnog izvora plazme. Još 1891. godine J. Thomson je sugerirao da induktivno pražnjenje uzrokuje i održava vrtlog električno polje, koji se stvara magnetsko polje, pak, izazvan strujom koja teče kroz antenu. Godine 1928.-1929., raspravljajući s J. Thomsonom, D. Townsend i R. Donaldson izrazili su ideju da induktivno VF pražnjenje nije podržano vrtložnim električnim poljima, već potencijalnim poljima koja se pojavljuju zbog prisutnosti potencijalne razlike između okretaja induktora. Godine 1929. K. McKinton eksperimentalno je pokazao mogućnost postojanja dvaju načina izgaranja pražnjenjem. Pri niskim amplitudama VF napona, pražnjenje se zapravo dogodilo pod utjecajem električnog polja između zavoja zavojnice i imalo je karakter slabog uzdužnog sjaja duž cijele plinskoizvodne cijevi. Kako se amplituda RF napona povećavala, sjaj je postajao svjetliji i konačno se pojavilo svijetlo prstenasto pražnjenje. Sjaj izazvan uzdužnim električnim poljem je nestao. Kasnije su ova dva oblika pražnjenja nazvana E-H - pražnjenje.

Područja postojanja induktivnog pražnjenja mogu se podijeliti u dva velika područja: ovo visokotlačni(reda atmosferskog tlaka), pri kojem je stvorena plazma blizu ravnoteže, i niske tlakove, pri kojima je stvorena plazma neravnotežna.

Periodična pražnjenja. Plazma RF i mikrovalna pražnjenja. Vrste visokofrekventnih pražnjenja

Za pobuđivanje i održavanje sjajnog pražnjenja istosmjerna struja Potrebno je da dvije vodljive (metalne) elektrode budu u izravnom kontaktu sa zonom plazme. S tehnološkog gledišta, takav dizajn plazma-kemijskog reaktora nije uvijek prikladan. Prvo, prilikom izvođenja procesa primjena plazme U dielektričnim prevlakama na elektrodama se također može stvoriti nevodljivi film. To će dovesti do povećane nestabilnosti pražnjenja i konačno do njegovog slabljenja. Drugo, u reaktorima s unutarnjim elektrodama uvijek postoji problem kontaminacije ciljnog procesa materijalima uklonjenim s površine elektrode tijekom fizičkog prskanja ili kemijske reakcije s česticama plazme. Kako bi se izbjegli ovi problemi, uključujući potpuno napuštanje uporabe unutarnjih elektroda, dopušta korištenje periodičnih pražnjenja pobuđenih ne konstantnim, već izmjeničnim električnim poljem.

Glavni učinci koji se javljaju kod periodičnih pražnjenja određeni su odnosima između karakterističnih frekvencija plazma procesa i frekvencije primijenjenog polja. Preporučljivo je razmotriti tri tipična slučaja:

Niske frekvencije. Na frekvencijama vanjskog polja do 10 2 - 10 3 Hz situacija je bliska onoj ostvarenoj u konstantnom električno polje. Međutim, ako je karakteristična frekvencija uništenja naboja v d manja od frekvencije polja w(v d ? w), naboji nakon promjene predznaka polja uspiju nestati prije nego što jakost polja dosegne vrijednost dovoljnu za održavanje pražnjenja. Tada će se pražnjenje ugasiti i zapaliti dva puta tijekom razdoblja promjene polja. Napon ponovnog paljenja pražnjenja trebao bi ovisiti o frekvenciji. Što je viša frekvencija, to će manji udio elektrona imati vremena nestati tijekom postojanja polja nedostatnog za održavanje pražnjenja, niži je potencijal ponovnog paljenja. Na niskim frekvencijama nakon proboja, odnos između struje i napona izgaranja odgovara statičkoj strujno-naponskoj karakteristici pražnjenja (slika 1, krivulja 1). Parametri pražnjenja "prate" promjene napona.

Međufrekvencije. S povećanjem frekvencije, kada su karakteristične frekvencije plazma procesa usporedive i nešto manje od frekvencije polja (v d ? w), stanje pražnjenja nema vremena "pratiti" promjenu napona napajanja. Histereza se pojavljuje u dinamičkoj strujno-naponskoj karakteristici pražnjenja (slika 1, krivulja 2).

Visoke frekvencije. Kada je uvjet ispunjen< v d <

Riža. 1. Strujno-naponske karakteristike periodičnih pražnjenja: 1 - statička strujno-naponska karakteristika, 2 - strujno-naponska karakteristika u prijelaznom frekvencijskom području, 3 - stacionarna dinamička strujno-naponska karakteristika

Postoje mnoge vrste električnih pražnjenja u plinu, ovisno o prirodi primijenjenog polja (konstantno električno polje, izmjenično, pulsirajuće, (HF), ultra visoke frekvencije (mikrovalno)), tlaku plina, obliku i položaju elektroda itd.

Za VF pražnjenja postoje sljedeće metode pobude: 1) kapacitivne na frekvencijama manjim od 10 kHz, 2) induktivne na frekvencijama u području 100 kHz - 100 MHz. Ove metode uzbude uključuju upotrebu generatora ovih raspona. Kod kapacitivne metode pobude elektrode se mogu postaviti unutar radne komore ili izvan nje ako je komora dielektrična (sl. 2 a, b). Za indukcijsku metodu koriste se posebne zavojnice čiji broj zavoja ovisi o korištenoj frekvenciji (slika 2 c).

HF indukcijsko pražnjenje

Visokofrekventno indukcijsko (bezelektrodno) pražnjenje u plinovima poznato je od kraja prošlog stoljeća. Međutim, nije ga bilo moguće odmah u potpunosti razumjeti. Indukcijsko pražnjenje lako je uočiti ako se vakuumirana posuda stavi unutar solenoida kroz koji teče dovoljno jaka visokofrekventna struja. Pod utjecajem vrtložnog električnog polja, koje je inducirano izmjeničnim magnetskim tokom, dolazi do proboja zaostalog plina i paljenja pražnjenja. Održavanje pražnjenja (ionizacija) zahtijeva Jouleovu toplinu indukcijskih struja prstena koje teku u ioniziranom plinu duž linija vrtložnog električnog polja (crte magnetskog polja unutar dugog solenoida paralelne su s osi; slika 3).

Slika 3 Dijagram polja u solenoidu

Među starim radovima o bezelektrodnom pražnjenju, najtemeljitija istraživanja pripadaju J. Thomsonu 2, koji je, osobito, eksperimentalno dokazao induktivnu prirodu pražnjenja i izveo teorijske uvjete paljenja: ovisnost praga magnetskog polja za proboj o tlaku plina. (i učestalost). Poput Paschenovih krivulja za proboj pražnjera u konstantnom električnom polju, krivulje paljenja imaju minimum. Za praktično frekvencijsko područje (od desetina do desetaka megaherca), minimumi leže u području niskog tlaka; stoga se pražnjenje obično opažalo samo u jako razrijeđenim plinovima.

Uvjeti gorenja VF indukcijskog pražnjenja

Induktivno RF pražnjenje je pražnjenje pobuđeno strujom koja teče kroz induktor smješten na bočnoj ili krajnjoj površini obično cilindričnog izvora plazme (sl. 4a, b). Središnje pitanje u fizici niskotlačnog induktivnog pražnjenja je pitanje mehanizama i učinkovitosti apsorpcije RF snage od strane plazme. Poznato je da se s čisto induktivnom pobudom VF pražnjenja njegov ekvivalentni krug može prikazati u obliku prikazanom na Sl. 1 godina RF generator je napunjen na transformator čiji se primarni namot sastoji od antene kroz koju teče struja koju stvara generator, a sekundarni namot je struja inducirana u plazmi. Primarni i sekundarni namot transformatora povezani su koeficijentom međusobne indukcije M. Strujni krug transformatora lako se svede na strujni krug koji predstavlja aktivni otpor i induktivitet antene, ekvivalentni otpor i induktivitet plazme spojene u seriju ( Slika 4d), tako da je snaga RF generatora P gen povezana sa snagom Pan t oslobođenom u anteni i snagom P p1 oslobođenom u plazmi, izrazi

gdje je I struja koja teče kroz antenu, P ant je aktivni otpor antene, R p 1 je ekvivalentni otpor plazme.

Iz formula (1) i (2) jasno je da kada je opterećenje usklađeno s generatorom, aktivna RF snaga Pgen koju generator dovodi vanjskom krugu raspoređuje se između dva kanala, naime: jedan dio snage ide na zagrijavanje antene, a drugi dio je apsorbirana plazma. Prethodno je velika većina radova a priori pretpostavljala da pod eksperimentalnim uvjetima

R pl > R antvv (3)

a svojstva plazme određena su snagom RF generatora koju plazma u potpunosti apsorbira. Sredinom 1990-ih V. Godyak i njegovi kolege uvjerljivo su pokazali da se kod niskotlačnih pražnjenja relacija (3) može narušiti. Očito, pod uvjetom

Rpi? Rant (4)

ponašanje induktivnog RF pražnjenja radikalno se mijenja.

Riža. 4. Krugovi (a, b) induktivnih izvora plazme i (c) induktivnog izvora plazme s kapacitivnom komponentom, (d, e) ekvivalentni krugovi čisto induktivnog izboja.

Sada parametri plazme ne ovise samo o snazi ​​RF generatora, već io ekvivalentnom otporu plazme, koji pak ovisi o parametrima plazme i uvjetima za njegovo održavanje. To dovodi do pojave novih učinaka povezanih sa samostalnom preraspodjelom snage u vanjskom krugu pražnjenja. Ovo posljednje može značajno utjecati na učinkovitost izvora plazme. Očito, ključ za razumijevanje ponašanja pražnjenja u režimima koji odgovaraju nejednakosti (4), kao i za optimizaciju rada plazma uređaja, leži u obrascima promjena ekvivalentnog otpora plazme pri promjeni parametara plazme i uvjeta održavanja iscjedak.

Dizajn VF indukcijskog pražnjenja

Temelje za suvremena istraživanja i primjenu pražnjenja bez elektroda postavio je rad G. I. Babata, koji je izveden neposredno prije rata u Lenjingradskoj tvornici električnih svjetiljki "Svetlana". Ti su radovi objavljeni 1942. 3 i postali su naširoko poznati u inozemstvu nakon objavljivanja u Engleskoj 1947. 4. Babat je stvorio visokofrekventne cijevne generatore snage reda stotina kilovata, što mu je omogućilo dobivanje snažnih izboja bez elektroda u zraku pod tlakom do atmosferskog . Babat je radio u frekvencijskom rasponu 3-62 MHz, induktori su se sastojali od nekoliko zavoja promjera oko 10 cm. U visokotlačno pražnjenje uvedena je ogromna snaga tog vremena, do nekoliko desetaka kilovata (međutim, takve su vrijednosti visoke za moderne instalacije). ?Bušiti? zraka ili drugog plina pri atmosferskom tlaku, naravno, nije bilo moguće ni uz najveće struje u induktoru, pa je trebalo poduzeti posebne mjere za paljenje pražnjenja. Najlakši način je bio pobuditi pražnjenje pri niskom tlaku, kada su probojna polja mala, a zatim postupno povećavati tlak, dovodeći ga do atmosferskog tlaka. Babat je primijetio da kada plin teče kroz ispust, potonji se može ugasiti ako je eksplozija prejaka. Pri visokim tlakovima otkriven je efekt kontrakcije, odnosno odvajanja iscjetka od stijenki ispusne komore. U 50-ima se pojavilo nekoliko radova o pražnjenju bez elektroda 5~7. Cabanne 5 proučavao je pražnjenja u inertnim plinovima pri niskim tlakovima od 0,05 do 100 mm Hg. Umjetnost. i male snage do 1 kW na frekvencijama od 1--3 MHz, određivali krivulje paljenja, mjerili snagu unesenu u pražnjenje kalorimetrijskom metodom i mjerili koncentracije elektrona pomoću sondi. Krivulje paljenja za mnoge plinove također su dobivene u Ref. 7. U Ref. 6 je napravljen pokušaj korištenja pražnjenja za ultraljubičastu spektroskopiju. Plazma baklju bez elektroda, kojoj su sadašnje instalacije vrlo blizu, dizajnirao je Reed 1960. 8. Dijagram i fotografija prikazani su na sl. 2. Kvarcna cijev promjera 2,6 cm bila je prekrivena induktorom od pet zavoja izrađenim od bakrene cijevi s razmakom između zavoja 0,78 cm Izvor struje bio je industrijski visokofrekventni generator maksimalne izlazne snage 10 kW; radna frekvencija 4 MHz. Za paljenje pražnjenja korištena je pomična grafitna šipka. Šipka gurnuta u induktor zagrijava se u polju visoke frekvencije i emitira elektrone. Okolni plin se zagrijava i širi, uzrokujući kvar. Nakon paljenja, šipka se uklanja i iscjedak nastavlja gorjeti. Najvažnija točka u ovoj instalaciji bila je uporaba tangencijalne opskrbe plinom. Reed je istaknuo da bi se nastala plazma trebala prilično brzo širiti protiv protoka plina koji je teži odnijeti. Inače će se iscjedak ugasiti, kao što se događa s nestabiliziranim plamenom. Pri niskim brzinama protoka plazma se može održavati običnom toplinskom vodljivošću. (Ulogu toplinske vodljivosti u visokotlačnim pražnjenjima također je primijetio Cabanne5.) Međutim, pri visokim brzinama opskrbe plinom potrebno je poduzeti mjere za recirkulaciju dijela plazme. Zadovoljavajuće rješenje ovog problema bila je vrtložna stabilizacija koju je koristio Reed, u kojoj se plin dovodi u cijev tangencijalno i teče kroz nju, izvodeći spiralno gibanje. Uslijed centrifugalnog širenja plina u aksijalnom dijelu cijevi nastaje stupac niskog tlaka. Ovdje gotovo da nema aksijalnog strujanja, a dio plazme se usisava uzvodno. Što je veća brzina dodavanja, svjetleća plazma više prodire suprotno struji. Osim toga, ovim načinom opskrbe plin teče duž cijevi uglavnom na njezinim zidovima, odvaja iscjedak od zidova i izolira ga od destruktivnih učinaka visokih temperatura, što omogućuje rad s povećanim snagama. Ova kvalitativna razmatranja, koja je ukratko iznio Reed, vrlo su važna za razumijevanje fenomena, iako ne moraju potpuno točno odražavati bit stvari. Vratit ćemo se na pitanje održavanja plazme, koje se čini najozbiljnijim kada se razmatra stacionarno stabilizirano pražnjenje u protoku plina, u nastavku, u Pogl. IV.

Reed je radio s argonom i mješavinama argona s helijem, vodikom, kisikom i zrakom. Napomenuo je da je najlakše održavati pražnjenje u čistom argonu. Protok argona iznosio je 10-20 l/min (prosječna brzina plina po presjeku cijevi 30-40 cm/s) kada je u pražnjenje uvedena snaga od 1,5-3 kW, što je približno upola snaga koju troši generator. Reed je odredio energetsku ravnotežu u plazmatronu i optičkom metodom izmjerio prostornu raspodjelu temperature u plazmi.

Objavio je još nekoliko članaka: o snažnim indukcijskim pražnjenjima pri niskim tlakovima9, o mjerenjima prijenosa topline na sonde uvedene u različite točke plazma plamenika10, o uzgoju kristala vatrostalnih materijala pomoću indukcijskog plamenika itd.

Indukcijska plazma baklja, po dizajnu slična Reedovoj, opisana je nešto kasnije u radovima Rebu4 5 "4 6. Rebu ju je koristio za uzgoj kristala i proizvodnju sferičnih čestica vatrostalnih materijala.

Otprilike od 1963. godine u našem i inozemnom tisku pojavili su se mnogi radovi posvećeni eksperimentalnom proučavanju visokotlačnih indukcijskih pražnjenja kako u zatvorenim posudama tako iu struji plina1 2-3 3 ǴE 4 0-4 4-5 3 ǴE 8 0.

Mjere se prostorne raspodjele temperature u području pražnjenja i u pramenu plazme, te raspodjele koncentracija elektrona. Ovdje se u pravilu koriste dobro poznate optičke, spektralne i sonde metode, koje se obično koriste u proučavanju plazme lučnog pražnjenja. Snage unesene u pražnjenje mjere se pri različitim naponima na induktoru, različitim brzinama protoka plina, različitim ovisnostima parametara za različite plinove, frekvencijama itd. Teško je uspostaviti bilo kakve jednolike ovisnosti, recimo, temperature plazme o snaga unesena u pražnjenje, pa kako sve ovisi o konkretnim uvjetima: promjeru cijevi, geometriji induktora, brzini dovoda plina itd. Opći rezultat mnogih radova je zaključak da uz snagu reda veličine nekoliko ili desetaka kilovata, temperatura argonske plazme doseže približno 9000-10 000 °K.

Raspodjela temperature uglavnom ima plato karakter. u sredini cijevi i naglo se spušta u blizini zidova, ali plato? nije sasvim ravno, u središnjem dijelu postoji mali uron, obično veličine nekoliko stotina stupnjeva. U drugim plinovima, temperature su također reda veličine 10 000°, ovisno o vrsti plina i drugim uvjetima. U zraku su temperature niže nego u argonu pri istoj snazi ​​i, obrnuto, za postizanje istih temperatura potrebne su nekoliko puta veće snage 31. Temperatura lagano raste s povećanjem snage i slabo ovisi o protoku plina. Na sl. Slike 3 i 4 dane su da ilustriraju raspodjelu temperature duž polumjera, temperaturno polje (izoterme) i raspodjelu koncentracija elektrona. Eksperimenti27 su pokazali da se s povećanjem brzine dovoda plina i brzine protoka plina (s tangencijalnim dovodom), pražnjenje sve više odvaja od stijenki i radijus pražnjenja se mijenja od približno 0,8 do 0,4 polumjera cijevi. Kako se protok plina povećava, snaga uložena u pražnjenje se također nešto smanjuje, što je povezano sa smanjenjem radijusa pražnjenja, odnosno protoka plazme ili potrošnje. Tijekom pražnjenja u zatvorenim posudama, bez protoka plina, svijetleće područje pražnjenja obično dolazi vrlo blizu bočnih stijenki posude. Mjerenja koncentracija elektrona pokazala su da je stanje plazme pri atmosferskom tlaku blizu termodinamičke ravnoteže. Izmjerene koncentracije i temperature odgovaraju Sahinoj jednadžbi sa zadovoljavajućom točnošću.

Indukcijsko VF pražnjenje

Trenutno su poznati niskotlačni izvori plazme, čiji se princip rada temelji na induktivnom HF pražnjenju u odsutnosti magnetskog polja, kao i na induktivnom HF pražnjenju postavljenom u vanjsko magnetsko polje s indukcijom koja odgovara uvjeti elektronske ciklotronske rezonancije (ECR) i uvjeti ekscitacije helikona i Trivelpiece-Gold (TG) valova (u daljnjem tekstu izvori helikona).

Poznato je da su u plazmi induktivnog pražnjenja VF električna polja skinirana, tj. Elektroni se zagrijavaju u uskom sloju stijenke. Kada se na plazmu primijeni induktivno VF pražnjenje vanjskog magnetskog polja, pojavljuju se područja prozirnosti u kojima VF polja prodiru duboko u plazmu, a elektroni se zagrijavaju u cijelom njezinom volumenu. Ovaj se učinak koristi u izvorima plazme, čiji se princip rada temelji na ECR. Takvi izvori rade prvenstveno u mikrovalnom području (2,45 GHz). Mikrovalno zračenje uvodi se, u pravilu, kroz kvarcni prozor u cilindričnu komoru za pražnjenje plina, u kojoj se pomoću magneta formira nejednoliko magnetsko polje. Magnetsko polje karakterizira prisutnost jedne ili više rezonantnih zona u kojima su ispunjeni ECR uvjeti i RF snaga se uvodi u plazmu. U radiofrekvencijskom području ECR se koristi u takozvanim izvorima plazme s neutralnom petljom. Značajnu ulogu u stvaranju plazme i formiranju strukture pražnjenja ima neutralni krug, koji je kontinuirani niz točaka s nultim magnetskim poljem. Zatvoreni magnetski krug formiran je pomoću tri elektromagneta. Struje u namotima gornjeg i donjeg svitka imaju isti smjer. Struja u srednjem svitku teče u suprotnom smjeru. RF indukcijsko pražnjenje s neutralnim krugom karakterizira visoka gustoća plazme (10 11 - 10 12 cm~ 3) i niska temperatura elektrona (1 -4 eV).

Induktivno pražnjenje bez vanjskog magnetskog polja

Neovisna varijabla na apscisnoj osi je snaga P pi koju apsorbira plazma. Prirodno je pretpostaviti da je gustoća plazme n e proporcionalna P pi, ali treba napomenuti da će se za različite izvore plazme koeficijenti proporcionalnosti između P pi i n e razlikovati. Kao što se može vidjeti, opća tendencija ponašanja ekvivalentnog otpora R pi je njegov porast u području relativno malih vrijednosti ulazne snage, a zatim njegovo zasićenje.

Naprotiv, u području visokih koncentracija elektrona, gdje prevladava apsorpcija bez sudara, tj. u području anomalnog skin efekta ovisnost R pl (n e) je bliska onoj dobivenoj za medije s jakom prostornom disperzijom. Općenito, nemonotona ovisnost ekvivalentnog otpora o gustoći plazme objašnjava se konkurencijom dva čimbenika: s jedne strane, apsorpcija RF snage raste s povećanjem koncentracije elektrona, s druge strane, dubina sloja kože, koja određuje širinu područja apsorpcije RF snage, smanjuje se s povećanjem p e.

Teorijski model izvora plazme pobuđenog spiralnom antenom smještenom na njegovoj gornjoj krajnjoj površini predviđa da ekvivalentni otpor plazme ne ovisi o duljini izvora plazme, pod uvjetom da je dubina sloja plazme manja od duljine izvora plazme. Fizički, ovaj rezultat je očit, budući da se apsorpcija RF snage događa unutar sloja kože. Pod eksperimentalnim uvjetima, dubina skin sloja očito je manja od duljine izvora plazme, stoga ne čudi da ekvivalentni otpor plazme izvora opremljenih antenom na gornjem kraju ne ovisi o njihovoj duljini. Naprotiv, ako se antena nalazi na bočnoj površini izvora, povećanje duljine izvora, popraćeno istodobnim povećanjem duljine antene, dovodi do povećanja područja u kojem se nalazi RF snaga. apsorbiran, tj. na izduženje sloja skin-a, dakle, u slučaju bočne antene, ekvivalentni otpor raste s povećanjem duljine izvora.

Eksperimenti i proračuni su pokazali da su pri niskim tlakovima apsolutne vrijednosti ekvivalentnog otpora plazme male. Povećanje tlaka radnog plina dovodi do značajnog povećanja ekvivalentnog otpora. Ovaj učinak je mnogo puta uočen u teorijskim i eksperimentalnim radovima. Fizikalni razlog povećanja sposobnosti plazme da apsorbira RF snagu s povećanjem tlaka leži u mehanizmu apsorpcije RF snage. Kao što se može vidjeti sa Sl. 5, pri minimalnom razmatranom tlaku, p -- 0,1 mTorr, prevladava Čerenkovljev mehanizam rasipanja. Sudari elektron-atom nemaju praktički nikakvog utjecaja na vrijednost ekvivalentnog otpora, a sudari elektron-ion dovode do samo blagog povećanja ekvivalentnog otpora pri n e > 3 x 10 11 cm-- 3. Povećanje pritiska, tj. učestalost sudara elektrona i atoma dovodi do povećanja ekvivalentnog otpora zbog povećane uloge kolizionog mehanizma apsorpcije RF snage. To se može vidjeti iz Sl. 5, koja prikazuje omjer ekvivalentnog otpora izračunatog uzimajući u obzir kolizijske i bezsudarne mehanizme apsorpcije prema ekvivalentnom otporu izračunatom samo uzimajući u obzir sudare.

Riža.5 . Ovisnost omjera ekvivalentnog otpora Rpi, izračunatog uzimajući u obzir mehanizme apsorpcije sudara i bez sudara, i ekvivalentnog otpora Rpi, izračunatog samo uzimajući u obzir sudare, o gustoći plazme. Proračun je obavljen za ravne izvore u obliku diska polumjera 10 cm pri tlaku neutralnog plina od 0,3 mTorr (1), 1 mTorr (2), 10 mTorr (3), 100 mTorr (7), 300 mTorr (5). ).

Induktivno pražnjenje s vanjskim magnetskim poljem

U eksperimentima su korišteni izvori plazme opremljeni spiralnim antenama smještenim na bočnim i čeonim površinama izvora, kao i antene Nagoya III. Za radnu frekvenciju od 13,56 MHz, područje magnetskog polja B « 0,4-1 mT odgovara ECR uvjetima, a područje B > 1 mT odgovara uvjetima za pobuđivanje helikona i Trivelpiece-Gold valova.

Pri niskim tlakovima radnog plina (p < 5 mTorr), ekvivalentni otpor plazme bez magnetskog polja značajno je manji po veličini nego u području "helikona". Vrijednosti R pl dobivene za ECR područje zauzimaju srednji položaj, a ovdje se ekvivalentni otpor monotono povećava s povećanjem magnetskog polja. Područje "helikona" karakterizira nemonotona ovisnost ekvivalentnog otpora o magnetskom polju, a nemonotonost R pl (B) u slučaju krajnje spiralne antene i antene Nagoya III mnogo je izraženija nego u slučaju bočne spiralne antene. Položaj i broj lokalnih maksimuma krivulje ^pi(B) ovise o ulaznoj RF snazi, duljini i polumjeru izvora plazme, vrsti plina i njegovom tlaku.

Povećanje ulazne snage, tj. koncentracija elektrona n e, dovodi do porasta ekvivalentnog otpora i pomaka glavnog maksimuma funkcije ^pi(B) u područje viših magnetskih polja, a u nekim slučajevima i do pojave dodatnih lokalnih maksimuma. Sličan se učinak opaža s povećanjem duljine izvora plazme.

Porast tlaka je u rasponu od 2-5 mTorr, kao što se može vidjeti na sl. 4b, ne dovodi do značajnih promjena u prirodi ovisnosti ^ pl (B), međutim, pri pritiscima većim od 10 mTorr, nemonotonost ovisnosti ekvivalentnog otpora o magnetskom polju nestaje, apsolutne vrijednosti ekvivalentnog otpora padaju i postaju manji od vrijednosti dobivenih bez magnetskog polja.

Analiza fizikalnih mehanizama apsorpcije RF snage plazmom induktivnog izboja u ECR uvjetima i uvjetima pobude helikona i TG valova provedena je u mnogim teorijskim radovima. Analitičko razmatranje problema pobude helikona i TG valova u općem slučaju povezano je sa značajnim poteškoćama, budući da je potrebno opisati dva međusobno povezana vala. Podsjetimo, helikon je brzi transverzalni val, a TG val spori longitudinalni val. Helikoni i TG valovi pokazuju se neovisnima samo u slučaju prostorno neograničene plazme, u kojoj oni predstavljaju vlastite modove oscilacija magnetizirane plazme. U slučaju ograničenog cilindričnog izvora plazme, problem se može riješiti samo numerički. Međutim, glavne značajke fizičkog mehanizma apsorpcije RF snage pri B > 1 mT mogu se ilustrirati korištenjem razvijene aproksimacije helikona, koja opisuje proces pobuđivanja valova u plazmi pod uvjetom da su zadovoljene nejednakosti

Područje primjene

visokofrekventna magnetska plazma izgaranja

Plazma reaktori i ionski izvori, čiji se princip rada temelji na niskotlačnom induktivnom RF pražnjenju, kritična su komponenta modernih zemaljskih i svemirskih tehnologija već nekoliko desetljeća. Široku rasprostranjenost tehničke primjene induktivnog RF pražnjenja olakšavaju njegove glavne prednosti: mogućnost dobivanja visoke koncentracije elektrona pri relativno niskoj razini RF snage, odsutnost kontakta plazme s metalnim elektrodama, niska temperatura elektrona, i, posljedično, nizak potencijal plazme u odnosu na stijenke koje ograničavaju pražnjenje. Potonji, osim minimiziranja gubitaka snage na stijenkama izvora plazme, omogućuje izbjegavanje oštećenja površine uzoraka kada se tretiraju pražnjenjem s ionima visoke energije.

Tipični primjeri izvora plazme koji rade na induktivnom RF pražnjenju bez magnetskog polja su plazma reaktori namijenjeni jetkanju supstrata, ionski izvori namijenjeni implementaciji zemaljskih tehnologija ionskog snopa i rad u svemiru kao motori za korekciju orbite svemirskih letjelica, izvori svjetlosti. Zajednička značajka dizajna navedenih uređaja je prisutnost komore za plinsko pražnjenje (GDC), na čijoj se vanjskoj površini ili unutar nje nalazi induktor ili antena. Pomoću antene spojene na visokofrekventni generator, RF snaga se uvodi u volumen GDC i pali se pražnjenje bez elektroda. Struje koje teku kroz antenu induciraju vrtložno električno polje u plazmi, koje zagrijava elektrone do energije potrebne za učinkovitu ionizaciju radnog plina. Tipične gustoće plazme u plazma reaktorima su 10 11 - 3 x 10 12 cm~ 3, a u izvorima iona - 3 x 10 10 - 3 x 10 11 cm ~ 3. Karakteristični tlak neutralnog plina u plazma reaktorima varira od 1 do 30 mTorr, u ionskim izvorima je 0,1 mTorr, u izvorima svjetlosti je 0,1-10 torr.

Plazma reaktori i ionski izvori, čiji se princip rada temelji na niskotlačnom induktivnom RF pražnjenju, kritična su komponenta modernih zemaljskih i svemirskih tehnologija već nekoliko desetljeća. Široko širenje tehničke primjene induktivnog RF pražnjenja olakšavaju njegove glavne prednosti - mogućnost dobivanja visoke koncentracije elektrona pri relativno niskoj razini RF snage, odsutnost kontakta plazme s metalnim elektrodama, niska temperatura elektrona, i, posljedično, nizak potencijal plazme u odnosu na stijenke koje ograničavaju pražnjenje. Potonji, osim minimiziranja gubitaka snage na stijenkama izvora plazme, omogućuje izbjegavanje oštećenja površine uzoraka kada se tretiraju pražnjenjem s ionima visoke energije.

Rezultati dobiveni posljednjih godina, kako eksperimentalni tako i teorijski, pokazuju da parametri plazme induktivnog RF izboja ovise o gubicima snage u vanjskom krugu i količini energije koja ulazi u izboj kroz induktivni i kapacitivni kanal. Parametri plazme, s jedne strane, određeni su vrijednostima apsorbirane snage, as druge strane, oni sami određuju i omjer snaga koje ulaze u različite kanale i, u konačnici, snagu koju plazma apsorbira. . To određuje samodosljednu prirodu iscjetka. Samostalnost se najjasnije očituje u jakoj nemonotonosti ovisnosti parametara plazme o magnetskom polju i poremećajima pražnjenja. Značajni gubici snage u vanjskom krugu i nemonotona ovisnost sposobnosti plazme da apsorbira RF snagu o gustoći plazme dovode do zasićenja gustoće plazme s povećanjem snage RF generatora i pojave histereze u ovisnosti parametri plazme na snagu RF generatora i vanjsko magnetsko polje.

Prisutnost kapacitivne komponente pražnjenja uzrokuje promjenu udjela snage unesene u plazmu kroz induktivni kanal. To uzrokuje pomak u položaju prijelaza pražnjenja iz niskog u visoki mod u područje nižih snaga RF generatora. Tijekom prijelaza s niskog na visoki način pražnjenja, prisutnost kapacitivne komponente očituje se glatkijom promjenom gustoće plazme s povećanjem snage generatora i nestankom histereze. Povećanje koncentracije elektrona zbog doprinosa snage kroz kapacitivni kanal do vrijednosti koje prelaze vrijednost pri kojoj ekvivalentni otpor doseže maksimum dovodi do smanjenja doprinosa RF snage kroz induktivni kanal. Fizički nije opravdano uspoređivati ​​načine induktivnog RF pražnjenja s niskim i visokim koncentracijama elektrona s kapacitivnim i induktivnim načinima, budući da postojanje jednog kanala za uvođenje energije u plazmu dovodi do promjene udjela snage koja ulazi u plazmu. preko drugog kanala.

Razjašnjavanje slike fizičkih procesa u induktivnom RF pražnjenju niskog tlaka omogućuje optimizaciju parametara plazma uređaja koji rade na njegovoj osnovi.

Objavljeno na Allbest.ru

...

Slični dokumenti

    Ionski električni vakuumski uređaj s izbojem u plinu dizajniran za stabilizaciju napona. Princip rada zener diode s tinjajućim pražnjenjem. Osnovni fizikalni zakoni. Područje stabilizacije napona. Rad parametarskog stabilizatora.

    test, dodan 28.10.2011

    Parametri parcijalnih pražnjenja i njihove određujuće ovisnosti. Osnove razvoja parcijalnih pražnjenja, dijagnostika kabelskih vodova. Izrada analitičke sheme za ocjenu stanja kabelskih vodova na temelju mjerenja karakteristika parcijalnih pražnjenja.

    diplomski rad, dodan 05.07.2017

    Povijest razvoja pulsirajućih laserskih sustava. Mehanizam za stvaranje inverzije. Karakteristična značajka užarenog samoodrživog pražnjenja s hladnom katodom. Predionizacijski sustavi s izbojem u plinu. Osnovni elementi pulsnog lasera i područja njegove primjene.

    kolegij, dodan 20.03.2016

    Povećanje ukupnog broja bitova s ​​povećanjem višestrukosti ispravljene pogreške. Promjena prosječnog broja iskrivljenih bitova s ​​linearnom promjenom kvadratnog odstupanja. Određivanje učestalosti gubitka poruka. Grafički prikaz funkcije.

    laboratorijski rad, dodan 01.12.2014

    Vrste visokofrekventnih kondenzatora. Specifični kapacitet. Primjena kondenzatora velikog nazivnog kapaciteta. Promjenjivi zračni kondenzatori. Poluvarijabilni kondenzatori. Kondenzatori posebne namjene. Kondenzatori integriranih krugova.

    sažetak, dodan 01.09.2009

    Karakteristike elektromehaničkih instrumenata za mjerenje istosmjerne, izmjenične struje i napona. Njihov dizajn, princip rada, opseg primjene, prednosti i nedostaci. Definicija i klasifikacija elektroničkih voltmetara, strujni krugovi instrumenata.

    kolegij, dodan 26.03.2010

    Karakteristike i opseg signala u sustavima digitalne obrade. Specijalizirani digitalni procesor signala SPF SM: razvijači i povijest, struktura i karakteristike, područje primjene, algoritmi i softver.

    kolegij, dodan 06.12.2010

    Senzor tlaka otporan na naprezanje. Dijagram kalibracije senzora. Provjera utjecaja elektromagnetskih smetnji na očitanja uređaja. Shematski dijagram paljenja pražnjenjem. Jednadžba tlaka prema naponu na senzoru. utjecaj pražnjenja na očitanja.

    kolegij, dodan 29.12.2012

    Glavne vrste kabela za ruralne telefonske mreže, njihov opseg, dopuštene radne temperature i instalacije. Tehnički uvjeti za konstrukcijske dimenzije jednostrukih visokofrekventnih ruralnih komunikacijskih kabela, električne karakteristike.

    sažetak, dodan 30.08.2009

    Osnovni parametri i principi komutacije. Dijagrami povezivanja ključeva. Mehanički i elektronički visokofrekventni prekidači. Tranzistori s efektom polja s MOS strukturom vrata i monolitni mikrovalni integrirani krugovi. Aktuatori mikrosustava.

Glavna značajka indukcijskog grijanja je pretvorba električne energije u toplinu pomoću izmjeničnog magnetskog toka, tj. indukcijskim putem. Ako se izmjenična električna struja I propusti kroz cilindrični spiralni svitak (induktor), tada se oko svitka formira izmjenično magnetsko polje F m, kao što je prikazano na sl. 1-17, c. Gustoća magnetskog toka je najveća unutar zavojnice. Kada se metalni vodič postavi u šupljinu induktora, u materijalu se javlja elektromotorna sila čija je trenutna vrijednost jednaka:

Pod utjecajem emf. u metalu koji se nalazi u brzo izmjeničnom magnetskom polju nastaje električna struja, čija veličina ovisi prvenstveno o veličini magnetskog toka koji prelazi konturu zagrijanog materijala i frekvenciji struje f, tvoreći magnetski tok.

Oslobađanje topline pri indukcijskom zagrijavanju događa se izravno u volumenu grijanog materijala, a najveći dio topline oslobađa se u površinskim slojevima grijanog dijela (površinski efekt). Debljina sloja u kojem dolazi do najaktivnijeg oslobađanja topline je:

gdje je ρ otpornost, ohm * cm; μ - relativna magnetska permeabilnost materijala; f - frekvencija, Hz.

Iz gornje formule može se vidjeti da se debljina aktivnog sloja (dubina prodiranja) smanjuje za dati metal s povećanjem frekvencije. Izbor frekvencije ovisi uglavnom o tehnološkim zahtjevima. Na primjer, kod taljenja metala bit će potrebna frekvencija od 50 - 2500 Hz, kod zagrijavanja - do 10 000 Hz, kod površinskog otvrdnjavanja - 30 000 Hz ili više.

Pri taljenju lijevanog željeza koristi se industrijska frekvencija (50 Hz), što omogućuje povećanje ukupne učinkovitosti. instalacijama, jer se eliminiraju gubici energije uslijed pretvorbe frekvencije.

Indukcijsko grijanje je brzo jer se toplina oslobađa izravno u debljinu zagrijanog metala, što omogućuje taljenje metala u indukcijskim električnim pećima 2-3 puta brže nego u pećima s reflektirajućim plamenom.

Grijanje visokofrekventnim strujama može se provesti u bilo kojoj atmosferi; indukcijskim toplinskim jedinicama nije potrebno vrijeme za zagrijavanje i lako se integriraju u automatske i proizvodne linije. Korištenjem indukcijskog grijanja mogu se postići temperature do 3000 °C ili više.

Zbog svojih prednosti, visokofrekventno zagrijavanje ima široku primjenu u metalurškoj, strojarskoj i metaloprerađivačkoj industriji, gdje se koristi za taljenje metala, toplinsku obradu dijelova, zagrijavanje za štancanje itd.

PRINCIP RADA INDUKCIJSKE PEĆNICE. PRINCIP INDUKCIJSKOG GRIJANJA



Princip indukcijskog zagrijavanja je pretvaranje energije elektromagnetskog polja koju apsorbira električni vodljivi grijani objekt u toplinsku energiju.

U indukcijskim grijaćim instalacijama, elektromagnetsko polje stvara induktor, koji je cilindrična zavojnica s više zavoja (solenoid). Izmjenična električna struja prolazi kroz induktor, što rezultira vremenski promjenjivim magnetskim poljem oko induktora. Ovo je prva transformacija energije elektromagnetskog polja, opisana prvom Maxwellovom jednadžbom.

Zagrijani predmet se postavlja unutar ili pored induktora. Promjenjivi (u vremenu) tok vektora magnetske indukcije koji stvara induktor prodire u zagrijani objekt i inducira električno polje. Električne linije ovog polja nalaze se u ravnini okomitoj na smjer magnetskog toka i zatvorene su, odnosno električno polje u zagrijanom objektu je vrtložne prirode. Pod utjecajem električnog polja, prema Ohmovom zakonu, nastaju vodljive struje (vrtložne struje). Ovo je druga transformacija energije elektromagnetskog polja, opisana drugom Maxwellovom jednadžbom.

U zagrijanom objektu energija induciranog izmjeničnog električnog polja nepovratno prelazi u toplinsku energiju. Takvo toplinsko rasipanje energije, koje rezultira zagrijavanjem objekta, uvjetovano je postojanjem vodljivih struja (vrtložnih struja). Ovo je treća transformacija energije elektromagnetskog polja, a energetski odnos te transformacije opisuje Lenz-Jouleov zakon.

Opisane transformacije energije elektromagnetskog polja omogućuju:
1) prenesite električnu energiju induktora na grijani objekt bez pribjegavanja kontaktima (za razliku od otpornih peći)
2) oslobađanje topline izravno u grijanom objektu (tzv. „peć s unutarnjim izvorom grijanja“ prema terminologiji prof. N.V. Okorokova), zbog čega je korištenje toplinske energije najsavršenije, a grijanje brzina se značajno povećava (u usporedbi s tzv. "pećnicama s vanjskim izvorom grijanja").



Na veličinu jakosti električnog polja u zagrijanom objektu utječu dva čimbenika: veličina magnetskog toka, tj. broj magnetskih linija sile koje probijaju objekt (ili spojene s zagrijanim objektom) i frekvencija struja napajanja, tj. učestalost promjena (tijekom vremena) magnetskog toka spojenog na grijani objekt.

To omogućuje stvaranje dvije vrste instalacija indukcijskog grijanja, koje se razlikuju po dizajnu i radnim svojstvima: indukcijske instalacije sa i bez jezgre.

Prema tehnološkoj namjeni postrojenja za indukcijsko grijanje dijele se na peći za taljenje metala i postrojenja za toplinsku obradu (kaljenje, popuštanje), za zagrijavanje izradaka prije plastične deformacije (kovanje, štancanje), za zavarivanje, lemljenje i navarivanje, za proizvode kemijsko-toplinske obrade itd.

Prema učestalosti promjena struje koja napaja instalaciju indukcijskog grijanja razlikuju se:
1) instalacije industrijske frekvencije (50 Hz), napajane iz mreže izravno ili preko silaznih transformatora;
2) visokofrekventne instalacije (500-10000 Hz), koje napaja električni stroj ili poluvodički pretvarači frekvencije;
3) visokofrekventne instalacije (66.000-440.000 Hz i više), koje napajaju cijevni elektronički generatori.

Svidio vam se članak? Podijeli
Ispiši ovaj članak
Vrh