Плазматрон, плазмотрон, плазменный генератор, газоразрядное устройство для получения «низкотемпературной» (Т » 10⁴ К) плазмы. Плазматрон используются главным образом в промышленности в технологических целях (см. Плазменная горелка, Плазменная металлургия, Плазменная обработка, Плазмохимия), но устройства, аналогичные Плазматрон, применяют и в качестве плазменных двигателей (см. также Электрореактивные двигатели). Начало широкого использования Плазматрон в промышленной и лабораторной практике (и появление самого термина «П.») относится к концу 50-х — началу 60-х гг. 20 в., когда были разработаны эффективные с инженерной точки зрения способы стабилизации высокочастотного разряда и дугового разряда, а также способы изоляции стенок камер, в которых происходят эти разряды, от их теплового действия. Соответственно, наиболее широкое распространение получили дуговые и высокочастотные (ВЧ) плазматроны.

  Дуговой Плазматрон постоянного тока состоит из следующих основных узлов: одного (катода) или двух (катода и анода) электродов, разрядной камеры и узла подачи плазмообразующего вещества; разрядная камера может быть совмещена с электродами — так называемыми Плазматрон с полым катодом. (Реже используются дуговые Плазматрон, работающие на переменном напряжении; при частоте этого напряжения » 10⁵гц их относят к ВЧ плазматронам.) Существуют дуговые Плазматрон с осевым и коаксиальным расположением электродов, с тороидальными электродами, с двусторонним истечением плазмы, с расходуемыми электродами (рис. 1) и т.д. Отверстие разрядной камеры, через которое истекает плазма, называется соплом Плазматрон (в некоторых типах дуговых Плазматрон границей сопла является кольцевой или тороидальный анод). Различают две группы дуговых Плазматрон— для создания внешней плазменной дуги (обычно называется плазменной дугой) и плазменной струи. В Плазматрон 1-й группы дуговой разряд горит между катодом Плазматрон и обрабатываемым телом, служащим анодом. Эти Плазматрон могут иметь как только катод, так и второй электрод вспомогательный анод, маломощный разряд на который с катода (кратковременный или постоянно горящий) «поджигает» основную дугу. В Плазматрон 2-й группы плазма, создаваемая в разряде между катодом и анодом, истекает из разрядной камеры в виде узкой длинной струи.

Рис. 1. Схема дуговых плазматронов: а — осевой; б — коаксиальный; в — с тороидальными электродами; г — двустороннего истечения; д — с внешней плазменной дугой; е — с расходуемыми электродами (эрозионный); 1 — источник электропитания; 2 — разряд; 3 — плазменная струя; 4 — электрод; 5 — разрядная камера; 6 — соленоид; 7 — обрабатываемое тело.

  Стабилизация разряда в дуговых Плазматрон осуществляется магнитным полем, потоками газа и стенками разрядной камеры и сопла. Один из распространённых способов магнитной стабилизации плазменноструйных Плазматрон с анодом в форме кольца или тора, коаксиального катоду, состоит в создании (с помощью соленоида) перпендикулярного плоскости анода сильного магнитного поля, которое вынуждает токовый канал дуги непрерывно вращаться, обегая анод. Поэтому перемещаются по кругу анодные и катодные пятна дуги, что предотвращает расплавление электродов (или их интенсивную эрозию, если они выполнены из тугоплавких материалов).

  К числу способов газовой стабилизации, теплоизоляции и сжатия дуги относится так называемая «закрутка» — газ подаётся в разрядную камеру по спиральным каналам, в результате чего образуется газовый вихрь, обдувающий столб дуги и генерируемую плазменную струю: слой более холодного газа под действием центробежных сил располагается у стенок камеры, предохраняя их от контакта с дугой. В случаях, когда не требуется сильного сжатия потока плазмы (например, в некоторых Плазматрон с плазменной дугой, используемых для плавки металла; см. Плазменная печь), стабилизирующий газовый поток не закручивают, направляя параллельно столбу дуги, и не обжимают соплом (катод располагают на самом срезе сопла). Очень часто стабилизирующий газ одновременно является и плазмообразующим веществом. Применяют также стабилизацию и сжатие дуги потоком воды (с «закруткой» или без неё).

  Плазма дуговых Плазматрон неизбежно содержит частицы вещества электродов вследствие их эрозии. Когда этот процесс по технологическим соображениям полезен, его интенсифицируют (Плазматрон с расходуемыми электродами); в др. случаях, напротив, минимизируют, изготовляя электроды из тугоплавких материалов (вольфрам, молибден, спец. сплавы) и (или) охлаждая их водой, что, кроме того, увеличивает срок службы электродов. Более «чистую» плазму дают ВЧ плазматроны (см. ниже).

  Плазматрон с плазменной струёй обычно используют при термической обработке металлов, для нанесения покрытий, получения порошков с частицами сферической формы, в плазмохимической технологии и пр.; Плазматрон с внешней дугой служат для обработки электропроводных материалов; Плазматрон с расходуемыми электродами применяют при работе на агрессивных плазмообразующих средах (воздухе, воде и др.) и при необходимости генерации металлической, углеродной и т.д. плазмы из материала электродов (например, при карботермическом восстановлении руд).

  Мощности дуговых Плазматрон 10²—10⁷ вт; температура струи на срезе сопла 3000—25 000 К; скорость истечения струи 1—10⁴м/сек; промышленное кпд 50—90%; ресурс работы (определяется эрозией электродов) достигает несколько сотен ч, в качестве плазмообразующих веществ используют воздух, N₂, Ar, H₂, NH₄, O₂, H₂O, жидкие и твёрдые углеводороды, металлы, пластмассы.

  Высокочастотный Плазматрон включает: электромагнитную катушку-индуктор или электроды, подключенные к источнику высокочастотной энергии, разрядную камеру, узел ввода плазмообразующего вещества. Различают индукционные, ёмкостные, факельные (см. Факельный разряд), Плазматрон на коронном разряде и с короной высокочастотной, а также сверхвысокочастотные (СВЧ) Плазматрон (рис. 2). Наибольшее распространение в технике получили индукционные ВЧ плазматроны, в которых плазмообразующий газ нагревается вихревыми токами. Т. к. индукционный высокочастотный разряд является безэлектродным, эти Плазматрон используют для нагрева активных газов (O₂, Cl₂, воздуха и др.), паров агрессивных веществ (хлоридов, фторидов и др.), а также инертных газов, если к плазменной струе предъявляются высокие требования по чистоте. С помощью индукционных Плазматрон получают тонкодисперсные и особо чистые порошковые материалы на основе нитридов, боридов, карбидов и др. химических соединений. В плазмохимических процессах объём разрядной камеры таких Плазматрон может быть совмещен с реакционной зоной (см. Плазменный реактор). Мощность Плазматрон достигает 1 Мвт, температура в центре разрядной камеры и на начальном участке плазменной струи ~ 10⁴ К, скорость истечения плазмы 0—10³м/сек, частоты — от нескольких десятков тыс. гц до десятков Мгц, промышленное кпд 50—80%, ресурс работы до 3000 ч. В СВЧ плазматроне рабочие частоты составляют тысячи и десятки тыс. Мгц; в качестве питающих их генераторов применяются магнетроны. ВЧ плазматроны всех типов, кроме индукционных, применяются (70-е гг. 20 в.) главным образом в лабораторной практике. В ВЧ плазматроне, как и в дуговых, часто используют газовую «закрутку», изолирующую разряд от стенок камеры. Это позволяет изготовлять камеры ВЧ плазматрона из материалов с низкой термостойкостью (например, из обычного или органического стекла).

Рис. 2. Схемы высокочастотных плазматронов: а — индукционный; б — ёмкостный; в — факельный; г — сверхвысокочастотный; 1 — источник электропитания; 2 — разряд; 3 — плазменная струя; 4 — индуктор; 5 — разрядная камера; 6 — электрод; 7 — волновод.

  Для пуска Плазматрон, т. е. возбуждения в нём разряда, применяют: замыкание электродов, поджиг вспомогательного дугового разряда, высоковольтный пробой межэлектродного промежутка, инжекцию в разрядную камеру плазмы и др. способы. Основные тенденции развития Плазматрон: разработка специализированных Плазматрон и плазменных реакторов для металлургической, химической промышленностей, повышение мощности в одном агрегате до 1—10 Мвт, увеличение ресурса работы и т.д.

 

  Лит.: Генераторы низкотемпературной плазмы, М., 1969; Жуков М. Ф., Смоляков В. Я., Урюков Б. А., Электродуговые нагреватели газа (Плазмотроны), М., 1973; Физика и техника низкотемпературной плазмы, под ред. С. В. Дресвина, М., 1972.

  А. В. Николаев. Л. М. Сорокин.