Încălzirea prin inducție, principii și tehnologii de bază. Lanternă cu plasmă cu inducție de înaltă frecvență Controlul saturației cu încălzire prin inducție de înaltă frecvență

Și în dispozitive, căldura din dispozitivul încălzit este eliberată de curenții care apar în câmpul electromagnetic alternativ din interiorul unității. Se numesc inducție. Ca urmare a acțiunii lor, temperatura crește. Încălzirea prin inducție a metalelor se bazează pe două legi fizice principale:

• Faraday-Maxwell;
• Joule-Lenz.

În corpurile metalice, atunci când sunt plasate într-un câmp alternativ, încep să apară câmpuri electrice vortex.

Dispozitiv de încălzire prin inducție

Totul se întâmplă în felul următor. Sub influența unei variabile, forța electromotoare (EMF) a inducției se modifică.

EMF acționează în așa fel încât curenții turbionari curg în interiorul corpurilor, care eliberează căldură în deplină conformitate cu legea Joule-Lenz. EMF generează, de asemenea ACîn metal. În acest caz, se eliberează energie termică, ceea ce duce la creșterea temperaturii metalului.

Acest tip de încălzire este cel mai simplu, deoarece este fără contact. Îți permite să obții foarte temperaturi ridicate, la care se poate procesa

Pentru a asigura încălzirea prin inducție, este necesar să se creeze o anumită tensiune și frecvență în câmpurile electromagnetice. Acest lucru se poate face într-un dispozitiv special - un inductor. Este alimentat de la o rețea industrială la 50 Hz. Puteți utiliza surse individuale de alimentare pentru aceasta - convertoare și generatoare.

Cel mai simplu dispozitiv pentru un inductor de joasă frecvență este o spirală (conductor izolat), care poate fi plasată în interior teava metalica sau înfăşurat în jurul ei. Curenții de trecere încălzesc conducta, care la rândul său transferă căldura către mediu.

Utilizarea încălzirii prin inducție la frecvențe joase este destul de rară. Prelucrarea metalelor la frecvențe medii și înalte este mai frecventă.

Astfel de dispozitive se disting prin faptul că unda magnetică lovește suprafața, unde este atenuată. Corpul transformă energia acestui val în căldură. Pentru a obține un efect maxim, ambele componente trebuie să fie apropiate ca formă.

Unde sunt folosite?

Aplicarea încălzirii prin inducție în lumea modernă răspândită. Domeniu de utilizare:

• topirea metalelor, lipirea lor folosind o metodă fără contact;
• obtinerea de noi aliaje metalice;
• inginerie mecanică;
• fabricarea de bijuterii;
• fabricarea de piese mici care pot fi deteriorate la utilizarea altor metode;
• (iar piesele pot fi de cea mai complexa configuratie);
• tratament termic (prelucrarea pieselor de mașini, suprafețe întărite);
• medicament (dezinfectia aparatelor si instrumentelor).

Încălzire prin inducție: caracteristici pozitive

Această metodă are multe avantaje:

• Cu ajutorul acestuia, puteți încălzi și topi rapid orice material conducător de curent.
• Permite incalzirea in orice mediu: vid, atmosfera, lichid neconductor.
• Datorită faptului că numai materialul conductor este încălzit, pereții, care absorb slab valurile, rămân reci.
• În domeniile specializate ale metalurgiei, producția de aliaje ultra-pure. Acesta este un proces interesant, deoarece metalele sunt amestecate într-un înveliș de gaz protector.

• În comparație cu alte tipuri, inducția nu poluează mediul. Dacă în cazul arzatoare pe gaz contaminarea este prezentă, la fel ca în încălzirea cu arc, apoi inducția elimină acest lucru din cauza radiației electromagnetice „pure”.
• Dimensiuni mici ale dispozitivului inductor.
• Capacitatea de a produce un inductor de orice formă nu va duce la încălzire locală, dar va promova o distribuție uniformă a căldurii.
• Indispensabil dacă este necesar să încălziți doar o anumită zonă a suprafeței.
• Nu este dificil să configurați astfel de echipamente modul dorit si sa-l reglementeze.

Defecte

Sistemul are următoarele dezavantaje:

• Este destul de dificil să instalați și să reglați independent tipul de încălzire (inductie) și echipamentul acestuia. Este mai bine să contactați specialiști.
• Necesitatea de a potrivi cu precizie inductorul și piesa de prelucrat, altfel încălzirea prin inducție va fi insuficientă, puterea sa poate atinge valori mici.

Incalzire cu echipament de inductie

Pentru aranjare incalzire individuala Puteți lua în considerare o opțiune precum încălzirea prin inducție.

Unitatea va fi un transformator format din înfășurări de două tipuri: primar și secundar (care, la rândul său, este scurtcircuitat).

Cum funcționează

Principiul de funcționare al unui inductor convențional: fluxurile vortex trec în interior și direcționează câmpul electric către al doilea corp.

Pentru ca apa să treacă printr-un astfel de cazan, două conducte sunt conectate la acesta: pentru apa rece care intră și la ieșirea apei calde - a doua conductă. Datorită presiunii, apa circulă constant, ceea ce elimină posibilitatea încălzirii elementului inductor. Prezența scalei este exclusă aici, deoarece în inductor apar vibrații constante.

Un astfel de element va fi ieftin de întreținut. Principalul avantaj este că dispozitivul funcționează silențios. Poate fi instalat în orice cameră.

Faceți singur echipament

Instalarea încălzirii prin inducție nu este foarte dificilă. Chiar și cineva care nu are experiență va face față sarcinii după un studiu atent. Înainte de a începe, trebuie să vă aprovizionați cu următoarele articole necesare:

• Invertor. Poate fi folosit de la aparat de sudura, este ieftin și va avea frecvența înaltă necesară. O poți face singur. Dar aceasta este o activitate consumatoare de timp.
• Corpul încălzitorului (o bucată din teava de plastic, încălzirea prin inducție a conductei în acest caz va fi cea mai eficientă).
• Material (sârmă cu un diametru de cel mult șapte milimetri va face).
• Dispozitive pentru conectarea inductorului la rețeaua de încălzire.
• Plasă pentru ținerea firului în interiorul inductorului.
• Din bobină de inducție se poate realiza (trebuie emailată).
• Pompă (pentru a furniza apă la inductor).

Reguli pentru a face singur echipamentul

Pentru ca instalația de încălzire prin inducție să funcționeze corect, curentul pentru un astfel de produs trebuie să corespundă puterii (trebuie să fie de cel puțin 15 amperi, dacă este necesar, mai mult).

• Sârma trebuie tăiată în bucăți nu mai mari de cinci centimetri. Acest lucru este necesar pentru o încălzire eficientă într-un câmp de înaltă frecvență.
• Corpul nu trebuie să fie mai mic în diametru decât firul pregătit și să aibă pereți groși.
• Pentru atașarea la rețeaua de încălzire, pe o parte a structurii este atașat un adaptor special.
• O plasă trebuie plasată în partea de jos a țevii pentru a preveni căderea firului.
• Acesta din urmă este necesar într-o asemenea cantitate încât să umple întreg spațiul interior.
• Structura este închisă și adaptorul este instalat.
• Apoi, din această țeavă este construită o bobină. Pentru a face acest lucru, înfășurați-l cu sârmă deja pregătită. Trebuie respectat numărul de ture: minim 80, maxim 90.
• După conectarea la sistemul de încălzire, apa este turnată în dispozitiv. Bobina este conectată la invertorul pregătit.
• Este instalată o pompă de alimentare cu apă.
• Este instalat un regulator de temperatură.

Astfel, calculul încălzirii prin inducție va depinde de următorii parametri: lungime, diametru, temperatură și timp de procesare. Acordați atenție inductanței magistralelor care duc la inductor, care poate fi mult mai mare decât inductorul în sine.

Despre plite

O altă utilizare casnică în afară de sistemul de încălzire este acest tip incalzire gasita in plite plăci

Această suprafață arată ca un transformator obișnuit. Bobina sa este ascunsă sub suprafața panoului, care poate fi din sticlă sau ceramică. Curentul trece prin el. Aceasta este prima parte a bobinei. Dar al doilea sunt preparatele în care va fi gătită mâncarea. Curenții turbionari sunt creați în partea de jos a vaselor de gătit. Ei încălzesc mai întâi vasele, apoi mâncarea din ele.

Căldura va fi eliberată numai atunci când vasele sunt așezate pe suprafața panoului.

Dacă lipsește, nu are loc nicio acțiune. Zona de încălzire prin inducție va corespunde diametrului vaselor de gătit așezate pe ea.

Pentru astfel de sobe ai nevoie de preparate speciale. Majoritatea metalelor feromagnetice pot interacționa cu câmpul de inducție: aluminiu, oțel inoxidabil și emailat, fontă. Singurele care nu sunt potrivite pentru astfel de suprafete sunt: ​​cuprul, ceramica, sticla si ustensilele din metale neferomagnetice.

Desigur, se va porni numai atunci când pe el sunt instalate vase adecvate.

Sobele moderne sunt echipate cu o unitate de control electronică, care vă permite să recunoașteți vasele de gătit goale și necorespunzătoare. Principalele avantaje ale aragazelor sunt: ​​siguranța, ușurința de curățare, viteza, eficiența și rentabilitatea. Nu ar trebui să vă ardeți niciodată pe suprafața panoului.

Așadar, am aflat unde se folosește acest tip de încălzire (inducție).

Încălzitor cu INDUCȚIE- este electric încălzitor, care funcționează la modificarea fluxului de inducție magnetică într-o buclă conducătoare închisă. Acest fenomen se numește inducție electromagnetică. Vrei să știi cum funcționează un încălzitor cu inducție? ZAVODRR- aceasta este o tranzacție portal de informare, unde veți găsi informații despre încălzitoare.

Încălzitoare cu inducție Vortex

O bobină de inducție este capabilă să încălziți orice metal, încălzitoarele sunt asamblate folosind tranzistori și au o eficiență ridicată de peste 95%, au înlocuit mult timp încălzitoarele cu inducție a lămpii, a căror eficiență nu depășește 60%.

Un încălzitor cu inducție vortex pentru încălzire fără contact nu are pierderi în reglarea coincidenței rezonante a parametrilor de funcționare ai instalației cu parametrii circuitului oscilator de ieșire. Încălzitoarele de tip vortex asamblate pe tranzistoare sunt capabile să analizeze și să ajusteze perfect frecvența de ieșire în modul automat.

Încălzitoare metalice cu inducție

Încălzitoarele pentru încălzirea prin inducție a metalului au o metodă fără contact datorită acțiunii unui câmp de vortex. Diferite tipuri de încălzitoare pătrund în metal la o anumită adâncime de la 0,1 la 10 cm, în funcție de frecvența selectată:

• frecventa inalta;
• frecventa medie;
• frecvență ultra înaltă.

Încălzitoare metalice cu inducție vă permit să procesați piese nu numai în zone deschise, ci și să plasați obiecte încălzite în camere izolate în care puteți crea orice mediu, precum și un vid.

Încălzitor electric cu inducție

Încălzitor electric cu inducție de înaltă frecvențăÎn fiecare zi capătă noi modalități de aplicare. Încălzitorul funcționează pe AC curent electric. Cel mai adesea, încălzitoarele electrice cu inducție sunt folosite pentru a aduce metalele la temperaturile necesare în timpul următoarelor operațiuni: forjare, lipire, sudare, îndoire, călire etc. Încălzitoarele electrice cu inducție funcționează la frecvență înaltă 30-100 kHz și sunt folosite pentru încălzire diverse tipuri medii și lichide de răcire.

Încălzitor electric folosit in multe domenii:

• metalurgice (încălzitoare HDTV, cuptoare cu inducție);
• fabricarea de instrumente (lidura elementelor);
• medicale (producția și dezinfecția instrumentelor);
• bijuterii (producție bijuterii);
• locuinte si servicii comunale ( cazane cu inductieîncălzire);
• alimente (cazane cu abur cu inducție).

Încălzitoare cu inducție de frecvență medie

Când este necesară o încălzire mai profundă, se folosesc încălzitoare cu inducție de tip frecvență medie, care funcționează la frecvențe medii de la 1 la 20 kHz. Inductor compact pentru toate tipurile de încălzitoare poate fi cel mai forme diferite, care este selectat astfel încât să asigure încălzirea uniformă a probelor de o mare varietate de forme, în timp ce este, de asemenea, posibil să se efectueze o încălzire locală dată. Tipul cu frecvență medie va prelucra materiale pentru forjare și călire, precum și prin încălzire pentru ștanțare.

Ușor de operat, cu o eficiență de până la 100%, încălzitoarele cu inducție cu frecvență medie sunt utilizate pentru o gamă largă de tehnologii din metalurgie (și pentru topire diverse metale), inginerie mecanică, fabricare de instrumente și alte domenii.

Încălzitoare cu inducție de înaltă frecvență

Cea mai largă gamă de aplicații este pentru încălzitoarele cu inducție de înaltă frecvență. Încălzitoarele se caracterizează printr-o frecvență înaltă de 30-100 kHz și o gamă largă de puteri de 15-160 kW. Tipul de înaltă frecvență oferă încălzire superficială, dar acest lucru este suficient pentru a îmbunătăți proprietăți chimice metal

Încălzitoarele cu inducție de înaltă frecvență sunt ușor de operat și economice, iar eficiența lor poate ajunge la 95%. Toate tipurile funcționează continuu pentru o lungă perioadă de timp, iar versiunea cu două blocuri (când transformatorul de înaltă frecvență este plasat într-un bloc separat) permite funcționarea non-stop. Încălzitorul are 28 de tipuri de protecție, fiecare fiind responsabil pentru propria sa funcție. Exemplu: monitorizarea presiunii apei într-un sistem de răcire.

Încălzitoare cu inducție de ultra-înaltă frecvență

Încălzitoarele cu inducție cu microunde funcționează la superfrecvențe (100-1,5 MHz) și pătrund până la o adâncime de încălzire (până la 1 mm). Tipul cu frecvență ultra-înaltă este indispensabil pentru prelucrarea pieselor subțiri, mici, cu diametru mic. Utilizarea unor astfel de încălzitoare permite evitarea deformărilor nedorite asociate cu încălzirea.

Încălzitoarele cu inducție de ultra-înaltă frecvență bazate pe module JGBT și tranzistoare MOSFET au limite de putere de 3,5-500 kW. Sunt utilizate în electronică, în producția de instrumente de înaltă precizie, ceasuri, bijuterii, pentru producția de sârmă și în alte scopuri care necesită precizie și filigran deosebite.

Forge încălzitoare cu inducție

Scopul principal al încălzitoarelor cu inducție de tip forjare (IH) este încălzirea pieselor sau părților acestora, înainte de forjarea ulterioară. Spațiile goale pot fi cele mai multe diferite tipuri, aliaj și formă. Încălzitoarele de forjare prin inducție vă permit să procesați piese cilindrice de orice diametru în modul automat:

• economice, deoarece durează doar câteva secunde să se încălzească și au o eficiență ridicată de până la 95%;
• ușor de utilizat, permite: control complet al procesului, încărcare și descărcare semi-automată. Există opțiuni cu automatizare completă;
• sunt fiabile și pot funcționa continuu pentru o lungă perioadă de timp.

Încălzitoare cu arbore cu inducție

Încălzitoare cu inducție pentru călirea arborilor lucrează împreună cu complexul de întărire. Piesa de prelucrat este în poziție verticală și se rotește în interiorul unui inductor staționar. Încălzitorul permite utilizarea tuturor tipurilor de arbori pentru o încălzire locală consistentă, adâncimea de întărire poate fi de fracțiuni de milimetri.

Ca urmare a încălzirii prin inducție a arborelui pe toată lungimea sa cu răcire instantanee, rezistența și durabilitatea acestuia crește de multe ori.

Încălzitoare cu conducte de inducție

Toate tipurile de țevi pot fi tratate cu încălzitoare cu inducție. Încălzitorul pentru țevi poate fi răcit cu aer sau apă, cu o putere de 10-250 kW, cu următorii parametri:

• Încălzire prin inducție cu tub răcit cu aer produs folosind un inductor flexibil și o pătură termică. Temperatura de incalzire pana la temperatura 400 °C și folosiți țevi cu diametrul de 20 - 1250 mm cu orice grosime de perete.
• Conductă răcită cu apă de încălzire prin inducție are o temperatură de încălzire de 1600 °C și se folosește pentru „îndoirea” țevilor cu diametrul de 20 - 1250 mm.

Fiecare opțiune de tratament termic este utilizată pentru a îmbunătăți calitatea oricărei țevi de oțel.

Pirometru pentru controlul încălzirii

Unul dintre cei mai importanți parametri de funcționare ai încălzitoarelor cu inducție este temperatura. Pentru o monitorizare mai atentă a acestuia, pe lângă senzorii încorporați, sunt adesea folosite pirometre cu infraroșu. Aceste dispozitive optice vă permit să determinați rapid și ușor temperatura suprafețelor greu accesibile (din cauza căldurii mari, a posibilității de expunere la electricitate etc.).

Dacă conectați un pirometru la un încălzitor cu inducție, nu puteți doar să monitorizați regim de temperatură, dar și menține automat temperatura de încălzire pentru un timp specificat.

Principiul de funcționare al încălzitoarelor cu inducție

În timpul funcționării, în inductor se formează un câmp magnetic, în care este plasată piesa. În funcție de sarcină (adâncimea de încălzire) și de parte (compoziție), frecvența poate fi de la 0,5 la 700 kHz.

Principiul de funcționare a încălzitorului conform legilor fizicii prevede: atunci când un conductor se află într-un câmp electromagnetic alternativ, în el se formează o EMF (forță electromotoare). Graficul de amplitudine arată că se mișcă proporțional cu modificarea vitezei fluxului magnetic. Din acest motiv, în circuit se formează curenți turbionari, a căror mărime depinde de rezistența (materialul) conductorului. Conform legii Joule-Lenz, curentul duce la încălzirea unui conductor care are rezistență.

Principiul de funcționare al tuturor tipurilor de încălzitoare cu inducție este similar cu un transformator. Piesa de prelucrat conductoare, care este situată în inductor, este similară cu un transformator (fără miez magnetic). Înfășurarea primară este un inductor, inductanța secundară a piesei, iar sarcina este rezistența metalului. În timpul încălzirii de înaltă frecvență, se formează un „efect de piele” care se formează în interiorul piesei de prelucrat deplasează curentul principal pe suprafața conductorului, deoarece încălzirea metalului la suprafață este mai puternică decât în ​​interior.

Avantajele încălzitoarelor cu inducție

Un încălzitor cu inducție are avantaje neîndoielnice și este lider între toate tipurile de dispozitive. Acest avantaj este după cum urmează:

• Consumă mai puțină energie electrică și nu poluează spațiul din jur.
• Ușor de utilizat, oferă lucru de înaltă calitate și vă permite să controlați procesul.
• Încălzirea prin pereții camerei asigură o puritate deosebită și capacitatea de a obține aliaje ultra-pure, în timp ce topirea poate fi efectuată în diferite atmosfere, inclusiv gaze inerte și vid.
• Cu ajutorul acestuia, este posibilă încălzirea uniformă a pieselor de orice formă sau încălzirea selectivă
• În cele din urmă, încălzitoarele cu inducție sunt universale, ceea ce le permite să fie utilizate peste tot, înlocuind instalațiile învechite, consumatoare de energie și ineficiente.

Reparația încălzitoarelor cu inducție se realizează folosind piese de schimb din depozitul nostru. Momentan putem repara toate tipurile de radiatoare. Încălzitoarele cu inducție sunt destul de fiabile dacă urmați cu strictețe instrucțiunile de utilizare și nu permiteți condiții excesive de funcționare - în primul rând, monitorizați temperatura și răcirea adecvată a apei.

Subtilitățile de funcționare ale tuturor tipurilor de încălzitoare cu inducție nu sunt adesea publicate pe deplin în documentația producătorului.

Video cu inducție în funcțiune încălzitoare de frecvență medie

Puteți viziona videoclipul de funcționare a încălzitorului cu inducție cu frecvență medie produse metalice. Un încălzitor cu frecvență medie este un echipament fiabil și modern care funcționează non-stop în beneficiul întreprinderii dumneavoastră.

Invenția se referă la inginerie electrică și are ca scop creșterea duratei de viață a pistoletelor cu plasmă RF și creșterea eficienței termice a acestora. Problema este rezolvată prin faptul că lanterna cu plasmă HF conține o cameră de descărcare cilindrică realizată sub formă de secțiuni metalice profilate longitudinale răcite cu apă, plasate într-o carcasă dielectrică de protecție, un inductor care acoperă carcasa și unități de intrare pentru principal și termic. gaze de protecție instalate în interiorul camerei de descărcare la partea sa de capăt. Unitatea de intrare a gazului de protecție termică este realizată sub forma unuia sau mai multor rânduri inelare coaxiale de tuburi metalice longitudinale cu o cantitate pe fiecare rând, egală cu numărul secțiuni metalice profilate longitudinale. Tuburile de pe partea inductorului au un spațiu profilat pentru evacuarea gazului, precum și un spațiu longitudinal față de tuburile adiacente într-un rând la o distanță de cel puțin un diametru interior al camerei de descărcare, numărând de la cea mai apropiată tură a inductorului. Tuburile sunt conectate de-a lungul suprafeței laterale prin lipire sau sudare cu tuburi metalice longitudinale amplasate radial ale rândului inel coaxial adiacent, iar tuburile metalice longitudinale ale rândului cel mai apropiat de secțiunile metalice profilate longitudinale sunt conectate de-a lungul suprafeței laterale la secțiunea adiacentă. prin lipire sau sudare. Unitatea principală de intrare a gazului pe partea inductorului este echipată cu o diafragmă situată la o distanță de cel puțin un diametru interior al camerei de descărcare de cea mai apropiată tură a inductorului și având cel puțin o gaură pentru trecerea gazului. Capetele tuburilor metalice longitudinale pentru ieșirea de gaz din fiecare rând sunt situate în afara zonei inductorului și sunt echidistante de cea mai apropiată tură a acesteia, iar distanța capetelor tuburilor metalice longitudinale pentru ieșirea de gaz de cea mai apropiată tură a inductorului. crește odată cu distanța rândului de inele coaxiale față de secțiunile metalice profilate longitudinale. Tuburile metalice longitudinale sunt situate pe suprafața tuburilor metalice longitudinale adiacente, situate radial, iar tuburile metalice longitudinale ale rândului inelar coaxial cel mai apropiat de secțiunile metalice profilate longitudinale sunt situate pe suprafața secțiunilor adiacente. Diafragma de pe partea inductorului formează un spațiu inelar pentru trecerea gazului cu tuburile metalice longitudinale ale celui mai apropiat rând inel coaxial, iar înălțimea spațiului inelar pentru trecerea gazului este realizată înălțime mai mică gol profilat pentru ieșirea de gaz a tuburilor metalice longitudinale ale celui mai apropiat rând de inele coaxiale. Utilizarea proiectării propuse a unei torțe cu plasmă RF ca generator de plasmă la temperatură joasă în procesele cu jet-plasmă pentru prelucrarea materialelor dispersate a făcut posibilă crearea de dispozitive eficiente de reactoare cu plasmă pentru deschiderea materiilor prime minereu fin măcinate, sferoidizarea materialelor dispersate și obţinerea de pulberi de oxid foarte dispersate prin generarea de jeturi de plasmă nerăsucite la eficienţa termică a torţelor cu plasmă RFID de peste 80%. 15 salariu f-ly, 5 ill.

Este ușor să trimiți munca ta bună la baza de cunoștințe. Utilizați formularul de mai jos

Studenții, studenții absolvenți, tinerii oameni de știință care folosesc baza de cunoștințe în studiile și munca lor vă vor fi foarte recunoscători.

Postat pe http://www.allbest.ru/

HF - descărcare prin inducție: condiții de ardere, proiectare și domeniul de aplicare

Introducere

Una dintre cele mai importante probleme în organizarea plasmei procese tehnologice este dezvoltarea surselor de plasmă cu proprietăți optime pentru această tehnologie, de exemplu: omogenitate ridicată, dată fiind densitatea plasmei, energia particulelor încărcate, concentrația de radicali activi chimic. Analiza arată că cele mai promițătoare pentru utilizare în tehnologiile industriale sunt sursele de plasmă de înaltă frecvență (HF), deoarece, în primul rând, pot fi utilizate pentru a prelucra atât materiale conductoare, cât și dielectrice, și în al doilea rând, nu numai gazele inerte, ci și gazele active chimic pot fi folosite ca gaze de lucru. Astăzi sunt cunoscute sursele de plasmă bazate pe descărcări RF capacitive și inductive. O caracteristică a descărcării capacitive RF, cel mai adesea folosită în tehnologiile cu plasmă, este existența unor straturi de încărcare spațială la electrod, în care se formează o scădere medie în timp a potențialului, accelerând ionii în direcția electrodului. Acest lucru face posibilă procesarea probelor de material situate pe electrozii unei descărcări capacitive RF folosind ioni accelerați. Dezavantajul surselor de descărcare RF capacitive este concentrația relativ scăzută de electroni în volumul principal al plasmei. O concentrație semnificativ mai mare de electroni la aceleași puteri RF este caracteristică descărcărilor RF inductive.

Descărcarea inductivă RF este cunoscută de mai bine de o sută de ani. Aceasta este o descărcare excitată de un curent care curge printr-un inductor situat pe suprafața laterală sau de capăt a unei surse de plasmă de obicei cilindrice. În 1891, J. Thomson a sugerat că o descărcare inductivă este cauzată și menținută de un vortex. câmp electric, care este creat câmp magnetic, la rândul său, indus de curentul care trece prin antenă. În 1928-1929, argumentând cu J. Thomson, D. Townsend și R. Donaldson au exprimat ideea că descărcarea inductivă HF este susținută nu de câmpuri electrice vortex, ci de câmpuri potențiale care apar datorită prezenței unei diferențe de potențial între spire ale inductorului. În 1929, K. McKinton a demonstrat experimental posibilitatea existenței a două moduri de ardere prin descărcare. La amplitudini joase ale tensiunii HF, descărcarea a avut loc de fapt sub influența câmpului electric dintre spirele bobinei și a avut caracterul unei străluciri longitudinale slabe de-a lungul întregului tub cu descărcare în gaz. Pe măsură ce amplitudinea tensiunii RF a crescut, strălucirea a devenit mai strălucitoare și în cele din urmă a apărut o descărcare de inel strălucitoare. Strălucirea cauzată de câmpul electric longitudinal a dispărut. Ulterior, aceste două forme de descărcare s-au numit E-H - descărcare, respectiv.

Zonele de existență a unei descărcări inductive pot fi împărțite în două mari zone: aceasta presiune mare(de ordinul presiunii atmosferice), la care plasma generată este aproape de echilibru, și presiuni scăzute, la care plasma generată este neechilibră.

Descărcări periodice. Descărcări RF cu plasmă și microunde. Tipuri de descărcări de înaltă frecvență

Pentru a excita și a menține o descărcare de strălucire DC Este necesar ca doi electrozi conductivi (metalici) să fie în contact direct cu zona de plasmă. Din punct de vedere tehnologic, o astfel de proiectare a unui reactor chimic cu plasmă nu este întotdeauna convenabilă. În primul rând, atunci când se efectuează procese aplicarea cu plasmăÎn acoperirile dielectrice, pe electrozi se poate forma și o peliculă neconductoare. Acest lucru va duce la o instabilitate crescută a descărcării și în cele din urmă la atenuarea acesteia. În al doilea rând, în reactoarele cu electrozi interni există întotdeauna problema contaminării procesului țintă cu materiale îndepărtate de pe suprafața electrodului în timpul pulverizării fizice sau reactii chimice cu particule de plasmă. Pentru a evita aceste probleme, inclusiv abandonarea completă a utilizării electrozilor interni, permite utilizarea descărcărilor periodice excitate nu de o constantă, ci de un câmp electric alternativ.

Principalele efecte care apar în descărcările periodice sunt determinate de relațiile dintre frecvențele caracteristice proceselor cu plasmă și frecvența câmpului aplicat. Este recomandabil să luați în considerare trei cazuri tipice:

Frecvențe joase. La frecvențe de câmp extern de până la 10 2 - 10 3 Hz situația este apropiată de cea realizată în constantă. câmp electric. Totuși, dacă frecvența caracteristică a distrugerii sarcinii v d este mai mică decât frecvența câmpului w(v d ? w), încărcăturile, după schimbarea semnului câmpului, reușesc să dispară înainte ca intensitatea câmpului să atingă o valoare suficientă pentru a menține descărcarea. Apoi descărcarea va fi stinsă și aprinsă de două ori în timpul perioadei de schimbare a câmpului. Tensiunea de reaprindere la descărcare ar trebui să depindă de frecvență. Cu cât frecvența este mai mare, cu atât fracțiunea de electroni va avea timp să dispară mai mică în timpul existenței unui câmp insuficient pentru a menține descărcarea, cu atât potențialul de reaprindere este mai mic. La frecvențe joase după defecțiune, relația dintre curent și tensiunea de ardere corespunde caracteristicii curent-tensiune statică a descărcării (Fig. 1, curba 1). Parametrii de descărcare „urmează” schimbările de tensiune.

Frecvențe intermediare. Pe măsură ce frecvența crește, când frecvențele caracteristice ale proceselor cu plasmă sunt comparabile și puțin mai mici decât frecvența câmpului (v d ? w), starea de descărcare nu are timp să „urmărească” modificarea tensiunii de alimentare. Histerezisul apare în caracteristica dinamică curent-tensiune a descărcării (Fig. 1, curba 2).

Frecvențe înalte. Când condiția este îndeplinită< v d <

Orez. 1. Caracteristicile curent-tensiune ale descărcărilor periodice: 1 - caracteristică curent-tensiune statică, 2 - caracteristică curent-tensiune în regiunea frecvenței de tranziție, 3 - caracteristică curent-tensiune dinamică în stare constantă

Există multe tipuri de descărcări electrice în gaz, în funcție de natura câmpului aplicat (câmp electric constant, alternant, pulsat, (HF), frecvență ultra înaltă (micunde)), presiunea gazului, forma și amplasarea electrozilor etc.

Pentru descărcările HF, există următoarele metode de excitare: 1) capacitiv la frecvențe mai mici de 10 kHz, 2) inductiv la frecvențe în intervalul 100 kHz - 100 MHz. Aceste metode de excitare implică utilizarea generatoarelor din aceste intervale. Cu metoda excitației capacitive, electrozii pot fi instalați în interiorul camerei de lucru sau în exterior dacă camera este realizată din dielectric (Fig. 2 a, b). Pentru metoda de inducție se folosesc bobine speciale, al căror număr de spire depinde de frecvența utilizată (Fig. 2 c).

Descărcare prin inducție HF

Descărcările prin inducție de înaltă frecvență (fără electrozi) în gaze sunt cunoscute încă de la sfârșitul secolului trecut. Cu toate acestea, nu a fost imediat posibil să o înțelegem pe deplin. O descărcare prin inducție este ușor de observat dacă un vas evacuat este plasat în interiorul unui solenoid prin care circulă un curent de înaltă frecvență suficient de puternic. Sub influența unui câmp electric vortex, care este indus de un flux magnetic alternativ, are loc o defalcare a gazului rezidual și se aprinde o descărcare. Menținerea descărcării (ionizarea) necesită căldura Joule a curenților de inducție inelului care circulă în gazul ionizat de-a lungul liniilor de câmp electric vortex (liniile de câmp magnetic din interiorul unui solenoid lung sunt paralele cu axa; Fig. 3).

Fig. 3 Diagrama de câmp în solenoid

Dintre lucrările vechi despre descărcarea fără electrozi, cea mai amănunțită cercetare îi aparține lui J. Thomson 2, care, în special, a demonstrat experimental natura inductivă a descărcării și a derivat condițiile teoretice de aprindere: dependența câmpului magnetic de prag pentru defalcare de presiunea gazului. (și frecvența). La fel ca curbele Paschen pentru defalcarea decalajului de descărcare într-un câmp electric constant, curbele de aprindere au un minim. Pentru un interval practic de frecvență (de la zecimi la zeci de megaherți), minimele se află în regiunea de joasă presiune; prin urmare, evacuarea a fost observată de obicei numai în gazele foarte rarefiate.

Condițiile de ardere ale descărcării prin inducție HF

O descărcare inductivă RF este o descărcare excitată de un curent care curge printr-un inductor situat pe partea laterală sau pe suprafața de capăt a unei surse de plasmă de obicei cilindrice (Fig. 4a, b). Întrebarea centrală în fizica descărcării inductive de joasă presiune este problema mecanismelor și eficienței absorbției de putere RF de către plasmă. Se știe că, cu o excitare pur inductivă a unei descărcări RF, circuitul său echivalent poate fi reprezentat în forma prezentată în Fig. 1 an Generatorul RF este încărcat pe un transformator, a cărui înfășurare primară este formată dintr-o antenă prin care curge curentul generat de generator, iar înfășurarea secundară este curentul indus în plasmă. Înfășurările primare și secundare ale transformatorului sunt conectate prin coeficientul de inducție reciprocă M. Circuitul transformatorului poate fi ușor redus la un circuit care reprezintă rezistența activă și inductanța antenei, rezistența echivalentă și inductanța plasmei conectate în serie ( Fig. 4d), astfel încât puterea generatorului RF P gen este conectată cu puterea Pan t eliberată în antenă și puterea P p1 eliberată în plasmă, expresii

unde I este curentul care curge prin antenă, P ant este rezistența activă a antenei, R p 1 este rezistența echivalentă a plasmei.

Din formulele (1) și (2) este clar că atunci când sarcina este corelată cu generatorul, puterea activă RF Pgen furnizată de generator circuitului extern este distribuită între două canale, și anume: o parte din putere merge către încălzirea antenei, iar cealaltă parte este plasmă absorbită. Anterior, majoritatea covârșitoare a lucrărilor presupuneau a priori că în condiții experimentale

R pl > R antvv (3)

iar proprietățile plasmei sunt determinate de puterea generatorului RF, care este complet absorbit de plasmă. La mijlocul anilor 1990, V. Godyak și colegii săi au arătat în mod convingător că în descărcări de joasă presiune, relația (3) poate fi încălcată. Evident, cu condiția

Rpi? rătăcire (4)

comportamentul descărcării RF inductive se modifică radical.

Orez. 4. Circuite ale (a, b) surse de plasmă inductivă și (c) surse de plasmă inductivă cu o componentă capacitivă, (d, e) circuite echivalente ale unei descărcări pur inductive.

Acum, parametrii plasmei depind nu numai de puterea generatorului RF, ci și de rezistența echivalentă a plasmei, care, la rândul său, depinde de parametrii de plasmă și de condițiile de întreținere a acestuia. Acest lucru duce la apariția de noi efecte asociate cu redistribuirea autonomă a puterii în circuitul de descărcare externă. Acesta din urmă poate afecta semnificativ eficiența surselor de plasmă. Evident, cheia înțelegerii comportamentului descărcării în moduri corespunzătoare inegalității (4), precum și a optimizării funcționării dispozitivelor cu plasmă, constă în modelele de modificări ale rezistenței echivalente a plasmei la modificarea parametrilor plasmei și a condițiilor de menținere. scurgerea.

Proiectarea descărcării prin inducție HF

Bazele cercetării și aplicațiilor moderne ale descărcărilor fără electrozi au fost puse prin munca lui G.I Babat, care a fost efectuată chiar înainte de război la Uzina de lampă electrică din Leningrad? Aceste lucrări au fost publicate în 1942 3 și au devenit cunoscute în străinătate după publicarea în Anglia în 1947. 4. Babat a creat generatoare cu tuburi de înaltă frecvență cu puteri de ordinul sutelor de kilowați, ceea ce i-a permis să obțină descărcări puternice fără electrozi în aer la presiuni. până la atmosferică. Babat a lucrat în intervalul de frecvență 3-62 MHz, inductoarele constau din mai multe spire cu un diametru de aproximativ 10 cm O putere uriașă de la acea vreme, de până la câteva zeci de kilowați, a fost introdusă în descărcarea de înaltă presiune (totuși, astfel de valori sunt ridicate pentru instalațiile moderne). ? Pumn? aerul sau alt gaz la presiunea atmosferică, desigur, nu era posibil chiar și cu cei mai mari curenți din inductor, așa că trebuiau luate măsuri speciale pentru a aprinde descărcarea. Cea mai ușoară modalitate a fost de a excita descărcarea la presiune joasă, atunci când câmpurile de defalcare sunt mici, și apoi de a crește treptat presiunea, aducând-o la presiunea atmosferică. Babat a remarcat că atunci când gazul curge prin descărcare, acesta din urmă poate fi stins dacă explozia este prea intensă. La presiuni mari, a fost descoperit efectul contracției, adică separarea debitului de pereții camerei de descărcare. În anii 50, au apărut mai multe lucrări pe descărcarea fără electrozi 5~7. Cabanne 5 a studiat descărcările în gaze inerte la presiuni joase de la 0,05 la 100 mm Hg. Artă. și puteri mici de până la 1 kW la frecvențe de 1--3 MHz, au determinat curbele de aprindere, au măsurat puterea introdusă în descărcare prin metoda calorimetrică și au măsurat concentrațiile de electroni cu ajutorul sondelor. Curbele de aprindere pentru multe gaze au fost obținute și în Ref 7. În Ref. 6 s-a încercat să se utilizeze descărcarea pentru spectroscopie cu ultraviolete. Lanterna cu plasmă fără electrod, de care instalațiile actuale sunt foarte aproape, a fost proiectată de Reed în 1960. 8. O diagramă și o fotografie a acesteia sunt prezentate în Fig. 2. Un tub de cuarț cu diametrul de 2,6 cm a fost acoperit de un inductor cu cinci ture realizat dintr-un tub de cupru cu o distanță între spire de 0,78 cm kW; frecventa de operare 4 MHz. A fost folosită o tijă mobilă de grafit pentru a aprinde descărcarea. O tijă împinsă în inductor se încălzește într-un câmp de înaltă frecvență și emite electroni. Gazul din jur se încălzește și se extinde, provocând defecțiune. După aprindere, tija este îndepărtată și descărcarea continuă să ardă. Cel mai important punct al acestei instalații a fost utilizarea alimentării tangenţiale cu gaz. Reed a subliniat că plasma rezultată ar trebui să se răspândească destul de repede împotriva fluxului de gaz care tinde să o ducă departe. În caz contrar, descărcarea se va stinge, așa cum se întâmplă cu flăcările nestabilizate. La debite scăzute, plasma poate fi menținută prin conductivitate termică obișnuită. (Rolul conductivității termice în descărcările de înaltă presiune a fost remarcat și de Cabanne5). O soluție satisfăcătoare la această problemă a fost stabilizarea vortexului folosită de Reed, în care gazul este introdus tangenţial în tub și curge prin acesta, efectuând o mișcare elicoidală. Datorită expansiunii centrifuge a gazului, în partea axială a tubului se formează o coloană de joasă presiune. Aici nu există aproape nici un flux axial, iar o parte din plasmă este aspirată în amonte. Cu cât viteza de alimentare este mai mare, cu atât plasma luminoasă pătrunde mai mult împotriva fluxului. În plus, cu această metodă de alimentare, gazul curge de-a lungul tubului în principal pe pereții acestuia, presează descărcarea departe de pereți și izolează pe acesta din urmă de efectele distructive ale temperaturilor ridicate, ceea ce face posibilă lucrul la puteri crescute. Aceste considerații calitative, exprimate pe scurt de Reed, sunt foarte importante pentru înțelegerea fenomenelor, deși s-ar putea să nu reflecte complet cu exactitate esența problemei. Vom reveni la problema întreținerii plasmei, care pare a fi cea mai serioasă atunci când se consideră o descărcare staționară stabilizată într-un flux de gaz, mai jos, în Cap. IV.

Reed a lucrat cu argon și amestecuri de argon cu heliu, hidrogen, oxigen și aer. El a remarcat că este cel mai ușor să mențineți o descărcare în argon pur. Debitul de argon a fost de 10-20 l/min (viteza medie a gazului pe secțiunea transversală a tubului a fost de 30-40 cm/sec) când a fost introdusă în descărcare o putere de 1,5-3 kW, care era aproximativ jumătate din puterea consumată de generator. Reed a determinat echilibrul energetic în plasmatron și a măsurat distribuția spațială a temperaturii în plasmă folosind o metodă optică.

A publicat mai multe articole: despre descărcări puternice de inducție la presiuni joase9, despre măsurători ale transferului de căldură către sonde introduse în diferite puncte ale unei pistolețe cu plasmă10, despre creșterea cristalelor de materiale refractare folosind o torță de inducție etc.

O lanternă cu plasmă cu inducție, similară ca design cu cea a lui Reed, a fost descrisă ceva mai târziu în lucrările lui Rebu4 5 „4 6. Rebu a folosit-o pentru creșterea cristalelor și producerea de particule sferice de materiale refractare.

Din aproximativ 1963, în presa noastră și străină au apărut numeroase lucrări dedicate studiului experimental al descărcărilor de inducție de înaltă presiune atât în ​​vase închise, cât și într-un flux de gaz1 2-3 3 ЃE 4 0-4 4-5 3 ЃE 8 0.

Se măsoară distribuțiile spațiale ale temperaturii în regiunea de descărcare și în penul de plasmă, precum și distribuțiile concentrațiilor de electroni. Aici, de regulă, sunt utilizate metode optice, spectrale și de sondă binecunoscute, utilizate de obicei în studiul plasmei cu descărcare cu arc. Puterile introduse în descărcare sunt măsurate la tensiuni diferite pe inductor, debite diferite de gaz, dependențe diferite ale parametrilor pentru diferite gaze, frecvențe etc. Este dificil de stabilit vreo dependență uniformă, de exemplu, a temperaturii plasmei de puterea introdusă în descărcare, deci cum totul depinde de condiții specifice: diametrul tubului, geometria inductorului, viteza de alimentare cu gaz etc. Rezultatul general al multor lucrări este concluzia că, cu o putere de ordinul a mai multor sau zeci de kilowați, temperatura plasmei de argon ajunge la aproximativ 9000-10000°K.

Distribuția temperaturii are în principal un caracter de platou. în mijlocul tubului și cade brusc lângă pereți, totuși? nu destul de nivel, în partea centrală există o mică adâncime, de obicei de câteva sute de grade. În alte gaze, temperaturile sunt și ele de ordinul a 10.000°, în funcție de tipul de gaz și de alte condiții. În aer, temperaturile sunt mai scăzute decât în ​​argon la aceeași putere și, invers, pentru a obține aceleași temperaturi, sunt necesare puteri de câteva ori mai mari 31. Temperatura crește ușor odată cu creșterea puterii și depinde slab de fluxul de gaz. În fig. 3 și 4 sunt date pentru a ilustra distribuția temperaturii de-a lungul razei, câmpul de temperatură (izoterme) și distribuția concentrațiilor de electroni. Experimentele27 au arătat că odată cu creșterea vitezei de alimentare și a debitului de gaz (cu alimentare tangenţială), descărcarea este din ce în ce mai presată departe de pereţi, iar raza de evacuare se modifică de la aproximativ 0,8 la 0,4 din raza tubului. Pe măsură ce debitul de gaz crește, puterea introdusă în descărcare scade, de asemenea, oarecum, ceea ce este asociat cu o scădere a razei de descărcare, adică debitul sau consumul de plasmă. În timpul descărcărilor în vase închise, fără flux de gaz, zona luminoasă a descărcării se apropie de obicei foarte de pereții laterali ai vasului. Măsurătorile concentrațiilor de electroni au arătat că starea plasmei la presiunea atmosferică este apropiată de echilibrul termodinamic. Concentrațiile și temperaturile măsurate se potrivesc cu ecuația Saha cu o acuratețe satisfăcătoare.

Descărcare HF prin inducție

În prezent sunt cunoscute surse de plasmă de joasă presiune, al căror principiu de funcționare se bazează pe o descărcare inductivă HF în absența unui câmp magnetic, precum și pe o descărcare inductivă HF plasată într-un câmp magnetic extern cu o inducție corespunzătoare condițiile rezonanței ciclotronilor electronici (ECR) și condițiile excitației elicoanelor și undelor Trivelpiece-Gold (TG) (denumite în continuare surse helicon).

Se știe că în plasma unei descărcări inductive, câmpurile electrice HF sunt jupuite, adică. Electronii sunt încălziți într-un strat de perete îngust. Când o descărcare inductivă HF a unui câmp magnetic extern este aplicată plasmei, apar regiuni de transparență în care câmpurile HF pătrund adânc în plasmă și electronii sunt încălziți în întregul volum al acesteia. Acest efect este utilizat în sursele de plasmă, al căror principiu de funcționare se bazează pe ECR. Asemenea surse funcționează în principal în intervalul de microunde (2,45 GHz). Radiația cu microunde este introdusă, de regulă, printr-o fereastră de cuarț într-o cameră cilindrică de descărcare în gaz, în care se formează un câmp magnetic neuniform cu ajutorul magneților. Câmpul magnetic este caracterizat prin prezența uneia sau mai multor zone rezonante în care sunt îndeplinite condițiile ECR și este introdusă puterea RF în plasmă. În domeniul de frecvență radio, ECR este utilizat în așa-numitele surse de plasmă cu buclă neutră. Un rol semnificativ în generarea plasmei și formarea structurii de descărcare îl joacă circuitul neutru, care este o secvență continuă de puncte cu un câmp magnetic zero. Un circuit magnetic închis este format folosind trei electromagneți. Curenții din înfășurările bobinelor superioare și inferioare au aceeași direcție. Curentul din bobina de mijloc circulă în sens opus. O descărcare de inducție RF cu un circuit neutru se caracterizează printr-o densitate mare a plasmei (10 11 - 10 12 cm~ 3) și o temperatură scăzută a electronilor (1 -4 eV).

Descărcare inductivă fără câmp magnetic extern

Variabila independentă pe axa absciselor este puterea P pi absorbită de plasmă. Este firesc să presupunem că densitatea plasmei n e este proporțională cu P pi , dar trebuie remarcat că pentru diferite surse de plasmă coeficienții de proporționalitate dintre P pi și n e vor diferi. După cum se poate observa, tendința generală a comportamentului rezistenței echivalente R pi este creșterea acesteia în regiunea unor valori relativ mici ale puterii de intrare și apoi saturația acesteia.

Dimpotrivă, în regiunea cu concentrații mari de electroni, unde predomină absorbția fără coliziune, i.e. în zona efectului anormal al pielii, dependenţa R pl (n e) este apropiată de cea obţinută pentru mediile cu dispersie spaţială puternică. În general, dependența nemonotonă a rezistenței echivalente de densitatea plasmei se explică prin competiția a doi factori: pe de o parte, absorbția puterii RF crește odată cu creșterea concentrației de electroni, pe de altă parte, adâncimea stratului de piele, care determină lățimea regiunii de absorbție a puterii RF, scade odată cu creșterea p e.

Modelul teoretic al unei surse de plasmă excitată de o antenă spirală situată pe suprafața sa superioară prezice că rezistența echivalentă a plasmei nu depinde de lungimea sursei de plasmă, cu condiția ca adâncimea pielii să fie mai mică decât lungimea sursei de plasmă. Din punct de vedere fizic, acest rezultat este evident, deoarece absorbția puterii RF are loc în stratul pielii. În condiții experimentale, adâncimea stratului de piele este evident mai mică decât lungimea surselor de plasmă, așa că nu este surprinzător faptul că rezistența echivalentă a plasmei a surselor echipate cu o antenă superioară nu depinde de lungimea acestora. Dimpotrivă, dacă antena este amplasată pe suprafața laterală a surselor, o creștere a lungimii sursei, însoțită de o creștere simultană a lungimii antenei, duce la o creștere a zonei în care este puterea RF. absorbit, adică la alungirea stratului de piele, prin urmare, în cazul unei antene laterale, rezistența echivalentă crește odată cu creșterea lungimii sursei.

Experimentele și calculele au arătat că la presiuni scăzute valorile absolute ale rezistenței echivalente a plasmei sunt mici. O creștere a presiunii gazului de lucru duce la o creștere semnificativă a rezistenței echivalente. Acest efect a fost observat de multe ori atât în ​​lucrările teoretice, cât și în cele experimentale. Motivul fizic pentru creșterea capacității plasmei de a absorbi puterea RF odată cu creșterea presiunii constă în mecanismul de absorbție a puterii RF. După cum se poate observa din fig. 5, la presiunea minimă considerată, p -- 0,1 mTorr, predomină mecanismul de disipare Cherenkov. Ciocnirile electron-atom nu au practic niciun efect asupra valorii rezistenței echivalente, iar ciocnirile electron-ion duc doar la o ușoară creștere a rezistenței echivalente la n e > 3 x 10 11 cm-- 3. Creșterea presiunii, de ex. frecvența coliziunilor electron-atom duce la o creștere a rezistenței echivalente datorită rolului crescut al mecanismului de coliziune de absorbție a puterii RF. Acest lucru se poate observa din Fig. 5, care arată raportul dintre rezistența echivalentă calculată ținând cont de mecanismele de absorbție prin coliziune și fără coliziune și rezistența echivalentă calculată ținând cont doar de coliziuni.

Orez.5 . Dependența raportului dintre rezistența echivalentă Rpi, calculată ținând cont de mecanismele de absorbție de coliziune și fără coliziune, față de rezistența echivalentă Rpi, calculată doar ținând cont de coliziuni, de densitatea plasmei. Calculul a fost efectuat pentru surse plate în formă de disc cu o rază de 10 cm la o presiune neutră a gazului de 0,3 mTorr (1), 1 mTorr (2), 10 mTorr (3), 100 mTorr (7), 300 mTorr (5). ).

Descărcare inductivă cu câmp magnetic extern

Experimentele au folosit surse de plasmă echipate cu antene spiralate situate pe suprafețele laterale și de capăt ale surselor, precum și antene Nagoya III. Pentru o frecvență de funcționare de 13,56 MHz, regiunea de câmp magnetic B « 0,4-1 mT corespunde condițiilor ECR, iar regiunea B > 1 mT corespunde condițiilor de excitare a elicoanelor și undelor Trivelpiece-Gold.

La presiuni scăzute ale gazului de lucru (p < 5 mTorr), rezistența echivalentă a plasmei fără câmp magnetic este semnificativ mai mică ca magnitudine decât în ​​regiunea „helicon”. Valorile lui R pl obținute pentru regiunea ECR ocupă o poziție intermediară, iar aici rezistența echivalentă crește monoton cu creșterea câmpului magnetic. Regiunea „helicon” se caracterizează printr-o dependență nemonotonă a rezistenței echivalente de câmpul magnetic, iar nonmonotonitatea lui R pl (B) în cazul antenei elicoidale de capăt și a antenei Nagoya III este mult mai pronunțată decât în ​​cazul a antenei elicoidale laterale. Poziția și numărul maximelor locale ale curbei ^pi(B) depind de puterea RF de intrare, lungimea și raza sursei de plasmă, tipul de gaz și presiunea acestuia.

Creșterea puterii de intrare, de ex. concentrația de electroni n e, duce la o creștere a rezistenței echivalente și o deplasare a maximului principal al funcției ^pi(B) către regiunea câmpurilor magnetice mai mari și, în unele cazuri, la apariția unor maxime locale suplimentare. Un efect similar este observat cu creșterea lungimii sursei de plasmă.

Creșterea presiunii este în intervalul 2-5 mTorr, așa cum se poate observa din Fig. 4b, nu duce la modificări semnificative ale naturii dependenței ^ pl (B), cu toate acestea, la presiuni care depășesc 10 mTorr, dispare nemonotonitatea dependenței rezistenței echivalente de câmpul magnetic, valorile absolute rezistența echivalentă scade și devine mai mică decât valorile obținute fără câmp magnetic.

Analiza mecanismelor fizice de absorbție a puterii RF de către o plasmă cu descărcare inductivă în condiții ECR și condiții de excitare a elicoanelor și undelor TG a fost realizată în multe lucrări teoretice. Considerarea analitică a problemei excitației elicoanelor și undelor TG în cazul general este asociată cu dificultăți semnificative, deoarece este necesar să se descrie două unde interconectate. Să ne amintim că eliconul este o undă transversală rapidă, iar unda TG este o undă longitudinală lentă. Heliconurile și undele TG se dovedesc a fi independente doar în cazul unei plasme nelimitate spațial, în care reprezintă modurile proprii ale oscilațiilor plasmatice magnetizate. În cazul unei surse de plasmă cilindrice limitate, problema poate fi rezolvată doar numeric. Cu toate acestea, principalele caracteristici ale mecanismului fizic de absorbție a puterii RF la B > 1 mT pot fi ilustrate folosind aproximarea helicon dezvoltată, care descrie procesul de excitare a undelor în plasmă cu condiția ca inegalitățile să fie satisfăcute.

Domeniul de aplicare

plasmă magnetică cu ardere de înaltă frecvență

Reactoarele cu plasmă și sursele de ioni, al căror principiu de funcționare se bazează pe descărcarea RF inductivă de joasă presiune, au fost o componentă critică a tehnologiilor terestre și spațiale moderne de câteva decenii. Răspândirea largă a aplicațiilor tehnice ale descărcării RF inductive este facilitată de principalele sale avantaje: posibilitatea de a obține o concentrație mare de electroni la un nivel relativ scăzut de putere RF, absența contactului plasmei cu electrozii metalici, temperatura scăzută a electronii și, în consecință, potențialul scăzut al plasmei în raport cu pereții care limitează descărcarea. Acesta din urmă, pe lângă reducerea la minimum a pierderilor de putere pe pereții sursei de plasmă, permite evitarea deteriorarii suprafeței probelor atunci când acestea sunt tratate într-o descărcare cu ioni de mare energie.

Exemple tipice de surse de plasmă care funcționează pe o descărcare RF inductivă fără câmp magnetic sunt reactoarele de plasmă concepute pentru gravarea substraturilor, sursele de ioni destinate implementării tehnologiilor cu fascicul ionic terestre și funcționarea în spațiu ca motoare de corectare a orbitei navelor spațiale, sursele de lumină. O caracteristică comună de proiectare a dispozitivelor enumerate este prezența unei camere de descărcare în gaz (GDC), pe suprafața exterioară a cărei sau în interiorul acesteia se află un inductor sau o antenă. Folosind o antenă conectată la un generator de înaltă frecvență, puterea RF este introdusă în volumul GDC și se aprinde o descărcare fără electrod. Curenții care curg prin antenă induc un câmp electric turbionar în plasmă, care încălzește electronii la energiile necesare pentru ionizarea eficientă a gazului de lucru. Densitățile tipice de plasmă în reactoarele cu plasmă sunt 10 11 - 3 x 10 12 cm~ 3, iar în sursele de ioni - 3 x 10 10 - 3 x 10 11 cm~ 3. Presiunea caracteristică a gazului neutru în reactoarele cu plasmă variază de la 1 la 30 mTorr, în sursele de ioni este de 0,1 mTorr, în sursele de lumină este de 0,1-10 torr.

Reactoarele cu plasmă și sursele de ioni, al căror principiu de funcționare se bazează pe descărcarea RF inductivă de joasă presiune, au fost o componentă critică a tehnologiilor terestre și spațiale moderne de câteva decenii. Răspândirea largă a aplicațiilor tehnice ale descărcării RF inductive este facilitată de principalele sale avantaje - posibilitatea de a obține o concentrație mare de electroni la un nivel relativ scăzut de putere RF, absența contactului plasmei cu electrozii metalici, temperatura scăzută a electronii și, în consecință, potențialul scăzut al plasmei în raport cu pereții care limitează descărcarea. Acesta din urmă, pe lângă reducerea la minimum a pierderilor de putere pe pereții sursei de plasmă, permite evitarea deteriorarii suprafeței probelor atunci când acestea sunt tratate într-o descărcare cu ioni de mare energie.

Rezultatele obținute în ultimii ani, atât experimentale cât și teoretice, arată că parametrii de plasmă ai unei descărcări RF inductive depind de pierderile de putere în circuitul extern și de cantitatea de putere care intră în descărcare prin canalele inductiv și capacitiv. Parametrii plasmei, pe de o parte, sunt determinați de valorile puterii absorbite, iar pe de altă parte, ei înșiși determină atât raportul puterilor care intră în diferite canale, cât și, în cele din urmă, puterea absorbită de plasmă. . Aceasta determină natura auto-consecventă a descărcării. Autoconsistența se manifestă cel mai clar în nemonotonitatea puternică a dependenței parametrilor plasmei de câmpul magnetic și întreruperile de descărcare. Pierderile semnificative de putere în circuitul extern și dependența nemonotonă a capacității plasmei de a absorbi puterea RF de densitatea plasmei conduc la saturarea densității plasmei cu creșterea puterii generatorului RF și apariția histerezii în dependența de parametrii plasmei privind puterea generatorului RF și câmpul magnetic extern.

Prezența unei componente capacitive a descărcării determină o modificare a fracției de putere introdusă în plasmă prin canalul inductiv. Acest lucru determină o schimbare a poziției tranziției de descărcare de la modul scăzut la modul ridicat în regiunea cu puteri mai mici a generatorului RF. În timpul trecerii de la un mod de descărcare scăzut la unul ridicat, prezența unei componente capacitive se manifestă printr-o schimbare mai lină a densității plasmei odată cu creșterea puterii generatorului și prin dispariția histerezii. O creștere a concentrației de electroni datorită contribuției de putere prin canalul capacitiv la valori care depășesc valoarea la care rezistența echivalentă atinge un maxim duce la o scădere a contribuției de putere RF prin canalul inductiv. Nu este justificată din punct de vedere fizic să se compare modurile unei descărcări RF inductive cu concentrații scăzute și mari de electroni cu moduri capacitive și inductive, deoarece prezența unui canal pentru introducerea energiei în plasmă duce la o modificare a fracției de putere care intră în plasmă. printr-un alt canal.

Clarificarea imaginii proceselor fizice într-o descărcare RF inductivă de joasă presiune face posibilă optimizarea parametrilor dispozitivelor cu plasmă care funcționează pe baza acesteia.

Postat pe Allbest.ru

...

Documente similare

Dispozitiv de vid electric cu descărcare în gaz ionic conceput pentru a stabiliza tensiunea. Principiul de funcționare al unei diode Zener cu descărcare luminoasă. Legile fizice de bază. Zona de stabilizare a tensiunii. Funcționarea stabilizatorului parametric.

test, adaugat 28.10.2011


Parametrii descărcărilor parțiale și dependențele lor determinante. Fundamentele dezvoltării descărcărilor parțiale, diagnosticarea liniilor de cablu. Elaborarea unei scheme analitice de evaluare a stării liniilor de cablu pe baza măsurării caracteristicilor descărcărilor parțiale.

teză, adăugată 07.05.2017


Istoria dezvoltării sistemelor laser pulsate. Mecanismul de creare a inversiunii. O trăsătură caracteristică a unei descărcări strălucitoare auto-susținute cu un catod rece. Sisteme de preionizare cu descărcare în gaz. Elementele de bază ale unui laser pulsat și domeniile sale de aplicare.

lucrare de curs, adăugată 20.03.2016


Creșterea numărului total de biți cu creșterea multiplicității erorii corectate. Modificare a numărului mediu de biți distorsionați cu o modificare liniară a abaterii pătrate. Determinarea frecvenței pierderii mesajului. Reprezentarea grafică a unei funcții.

munca de laborator, adaugat 12.01.2014


Tipuri de condensatoare de înaltă frecvență. Capacitate specifică. Utilizarea condensatoarelor de capacitate nominală mare. Condensatoare variabile de aer. Condensatoare semivariabile. Condensatoare speciale. Condensatorii circuitelor integrate.

rezumat, adăugat la 01.09.2009


Caracteristicile instrumentelor electromecanice pentru măsurarea curentului continuu, alternativ și a tensiunii. Designul lor, principiul de funcționare, domeniul de aplicare, avantaje și dezavantaje. Definirea si clasificarea voltmetrelor electronice, circuitelor instrumentelor.

lucrare de curs, adăugată 26.03.2010


Caracteristicile și domeniul de aplicare al semnalelor în sistemele de procesare digitală. Procesor de semnal digital specializat SPF SM: dezvoltatori și istoric, structură și caracteristici, domeniul de aplicare, algoritmi și software.

lucrare de curs, adăugată 12.06.2010


Senzor de presiune rezistent la deformare. Diagrama de calibrare a senzorului. Verificarea influenței interferențelor electromagnetice asupra citirilor dispozitivului. Schema schematică a aprinderii prin descărcare. Ecuația presiunii în funcție de tensiune la senzor. impactul descărcării asupra citirilor.

lucrare curs, adaugat 29.12.2012


Principalele tipuri de cabluri pentru rețelele telefonice rurale, domeniul lor, temperaturile de funcționare admise și instalațiile. Cerințe tehnice pentru dimensiunile de proiectare ale cablurilor de comunicații rurale de înaltă frecvență cu un singur patru, caracteristici electrice.

rezumat, adăugat 30.08.2009


Parametrii de bază și principiile comutării. Scheme de conectare cheie. Comutatoare mecanice și electronice de înaltă frecvență. Tranzistoare cu efect de câmp cu structură de poartă MOS și circuite integrate monolitice cu microunde. Actuatori de microsisteme.

Caracteristica principală a încălzirii prin inducție este conversia energiei electrice în căldură folosind un flux magnetic alternativ, adică inductiv. Dacă un curent electric alternativ I este trecut printr-o bobină spirală cilindrică (inductor), atunci se formează un câmp magnetic alternativ F m în jurul bobinei, așa cum se arată în Fig. 1-17, c. Densitatea fluxului magnetic este cea mai mare în interiorul bobinei. Când un conductor metalic este plasat în cavitatea inductorului, în material apare o forță electromotoare, a cărei valoare instantanee este egală cu:

Sub influența emf. într-un metal plasat într-un câmp magnetic alternant rapid, apare un curent electric, a cărui mărime depinde în primul rând de mărimea fluxului magnetic care traversează conturul materialului încălzit și de frecvența curentului f, formând fluxul magnetic.

Eliberarea de căldură în timpul încălzirii prin inducție are loc direct în volumul materialului încălzit, iar cea mai mare parte a căldurii este eliberată în straturile de suprafață ale părții încălzite (efect de suprafață). Grosimea stratului în care are loc cea mai activă degajare de căldură este:

unde ρ este rezistivitatea, ohm*cm; μ - permeabilitatea magnetică relativă a materialului; f - frecvență, Hz.

Din formula de mai sus se poate observa că grosimea stratului activ (adâncimea de penetrare) scade pentru un metal dat cu o frecvență crescândă. Alegerea frecvenței depinde în principal de cerințele tehnologice. De exemplu, la topirea metalelor, va fi necesară o frecvență de 50 - 2500 Hz, la încălzire - până la 10.000 Hz, la întărirea suprafeței - 30.000 Hz sau mai mult.

La topirea fontei se folosește frecvența industrială (50 Hz), ceea ce face posibilă creșterea eficienței generale. instalații, deoarece pierderile de energie datorate conversiei de frecvență sunt eliminate.

Încălzirea prin inducție este rapidă, deoarece căldura este eliberată direct în grosimea metalului încălzit, ceea ce permite metalului să fie topit în cuptoarele electrice cu inducție de 2-3 ori mai rapid decât în ​​cuptoarele cu flacără reflectorizante.

Încălzirea folosind curenți de înaltă frecvență poate fi efectuată în orice atmosferă; unitățile termice cu inducție nu necesită timp pentru a se încălzi și sunt ușor de integrat în liniile automate și de producție. Folosind încălzirea prin inducție, pot fi atinse temperaturi de până la 3000 °C sau mai mult.

Datorită avantajelor sale, încălzirea de înaltă frecvență este utilizată pe scară largă în industria metalurgică, mecanică și prelucrare a metalelor, unde este utilizată pentru topirea metalului, tratarea termică a pieselor, încălzirea pentru ștanțare etc.

PRINCIPIUL DE FUNCȚIONARE AL CUPTORULUI INDUCȚIE. PRINCIPIUL ÎNCĂLZIRII POR INDUCȚIE

Principiul încălzirii prin inducție este de a converti energia câmpului electromagnetic absorbită de un obiect încălzit conducător de electricitate în energie termică.

În instalațiile de încălzire prin inducție, câmpul electromagnetic este creat de un inductor, care este o bobină cilindrică cu mai multe spire (solenoid). Un curent electric alternativ trece prin inductor, rezultând un câmp magnetic alternativ care variază în timp în jurul inductorului. Aceasta este prima transformare a energiei câmpului electromagnetic, descrisă de prima ecuație a lui Maxwell.

Obiectul încălzit este plasat în interiorul sau lângă inductor. Fluxul în schimbare (în timp) al vectorului de inducție magnetică creat de inductor pătrunde în obiectul încălzit și induce un câmp electric. Liniile electrice ale acestui câmp sunt situate într-un plan perpendicular pe direcția fluxului magnetic și sunt închise, adică câmpul electric din obiectul încălzit este de natură vortex. Sub influența unui câmp electric, conform legii lui Ohm, apar curenți de conducere (curenți turbionari). Aceasta este a doua transformare a energiei câmpului electromagnetic, descrisă de a doua ecuație a lui Maxwell.

Într-un obiect încălzit, energia câmpului electric alternant indus se transformă ireversibil în energie termică. O astfel de disipare termică a energiei, care are ca rezultat încălzirea obiectului, este determinată de existența curenților de conducere (curenți turbionari). Aceasta este a treia transformare a energiei câmpului electromagnetic, iar relația energetică a acestei transformări este descrisă de legea Lenz-Joule.

Transformările descrise ale energiei câmpului electromagnetic fac posibile:
1) transferați energia electrică a inductorului către obiectul încălzit fără a recurge la contacte (spre deosebire de cuptoarele cu rezistență)
2) eliberează căldură direct în obiectul încălzit (așa-numitul „cuptor cu o sursă de încălzire internă”, conform terminologiei Prof. N.V. Okorokov), drept urmare utilizarea energiei termice este cea mai perfectă și încălzirea rata crește semnificativ (comparativ cu așa-numitele „cuptoare cu sursă externă de încălzire”).

Mărimea intensității câmpului electric într-un obiect încălzit este influențată de doi factori: mărimea fluxului magnetic, adică numărul de linii magnetice de forță care străpunge obiectul (sau cuplate cu obiectul încălzit) și frecvența curent de alimentare, adică frecvența modificărilor (în timp) fluxul magnetic cuplat la obiectul încălzit.

Acest lucru face posibilă crearea a două tipuri de instalații de încălzire prin inducție, care diferă prin design și proprietăți operaționale: instalații cu inducție cu și fără miez.

În funcție de scopul tehnologic, instalațiile de încălzire prin inducție se împart în cuptoare de topire pentru topirea metalelor și instalații de încălzire pentru tratament termic (călire, revenire), pentru încălzirea prin intermediul pieselor de prelucrat înainte de deformarea plastică (forjare, ștanțare), pentru sudare, lipire și suprafață, pentru produse de tratament chimico-termic etc.

În funcție de frecvența modificărilor curentului care alimentează instalația de încălzire prin inducție, acestea se disting:
1) instalatii industriale de frecventa (50 Hz), alimentate din retea direct sau prin transformatoare descendente;
2) instalații de înaltă frecvență (500-10000 Hz), care primesc energie de la mașini electrice sau convertoare de frecvență cu semiconductor;
3) instalații de înaltă frecvență (66.000-440.000 Hz și peste), alimentate de generatoare electronice cu tuburi.