Încălzitor cu inducție. Încălzitor cu inducție Încălzitoare cu inducție de frecvență medie

Încălzirea prin inducție se realizează într-un câmp magnetic alternativ. Conductorii plasați într-un câmp sunt încălziți de curenții turbionari induși în ei conform legilor inducției electromagnetice.

Încălzirea intensă poate fi obținută numai în câmpuri magnetice de mare intensitate și frecvență, care sunt create de dispozitive speciale - inductoare (încălzitoare cu inducție) alimentate de la rețea sau generatoare individuale de curent frecventa inalta(Fig. 3.1). Inductorul este ca înfășurarea primară a unui transformator de aer, a cărui înfășurare secundară este corpul încălzit.

În funcție de frecvențele utilizate, instalațiile de încălzire prin inducție sunt împărțite astfel:

a) frecvență joasă (industrială) (50 Hz);

b) frecvență medie (înaltă) (până la 10 kHz);

c) înaltă frecvență (peste 10 kHz).

Împărțirea încălzirii prin inducție în intervale de frecvență este dictată de considerente tehnice și tehnologice. Esența fizică și modelele cantitative generale pentru toate frecvențele sunt aceleași și se bazează pe idei despre absorbția energiei de către un mediu conductor. câmp electromagnetic.

Frecvența are un impact semnificativ asupra intensității și naturii încălzirii. La o frecvență de 50 Hz și o intensitate a câmpului magnetic de 3000-5000 A/m, puterea specifică de încălzire nu depășește 10 W/cm 2 , iar la încălzirea de înaltă frecvență (HF) puterea ajunge la sute și mii de W/ cm 2 . În acest caz, se dezvoltă temperaturi care sunt suficiente pentru a topi cele mai refractare metale.

În același timp, cu cât frecvența este mai mare, cu atât adâncimea de pătrundere a curenților în metal este mai mică și, în consecință, stratul încălzit este mai subțire și invers. Încălzirea suprafeței se realizează la frecvențe înalte. Prin reducerea frecvenței și prin creșterea adâncimii de penetrare a curentului, este posibil să se realizeze o adâncime sau chiar prin încălzire, uniformă pe întreaga secțiune transversală a corpului. Astfel, prin alegerea frecventei se poate obtine caracterul de incalzire si intensitatea cerute de conditiile tehnologice. Capacitatea de a încălzi produse la aproape orice grosime este unul dintre principalele avantaje ale încălzirii prin inducție, care este utilizată pe scară largă pentru întărirea suprafețelor pieselor și sculelor.

Întărirea suprafeței după încălzirea prin inducție crește semnificativ rezistența la uzură a produselor în comparație cu tratamentul termic în cuptoare. Încălzirea prin inducție este, de asemenea, utilizată cu succes pentru topire, tratament termic, deformare a metalelor și alte procese.

Un inductor este o parte de lucru a unei instalații de încălzire prin inducție. Eficiența de încălzire este mai mare, cu atât tipul de energie emisă de inductor este mai aproape unde electromagnetice la forma suprafeţei încălzite. Tipul de undă (plată, cilindrică etc.) este determinat de forma inductorului.

Proiectarea inductoarelor depinde de forma corpurilor încălzite, de scopuri și de condițiile de încălzire. Cel mai simplu inductor este un conductor izolat plasat în interior teava metalica, alungit sau încolăcit. Când un curent de frecvență industrial este trecut printr-un conductor, curenți turbionari sunt induși în conductă și o încălzesc. În agricultură, s-a încercat utilizarea acestui principiu pentru a încălzi solul în teren închis, bibani de păsări etc.

În încălzitoarele de apă cu inducție și pasteurizatoarele de lapte (lucrarea la acestea nu a depășit încă sfera probelor experimentale), inductoarele sunt fabricate ca statoarele motoarelor electrice trifazate. Un vas metalic este plasat în interiorul inductorului cilindric. Câmpul magnetic rotativ (sau pulsatoriu în versiunea monofazată) creat de inductor induce curenți turbionari în pereții vasului și îi încălzește. Căldura este transferată de pe pereți în lichidul din vas.

La uscarea lemnului prin inducție, un teanc de scânduri este așezat cu plasă metalică și plasat (rulat pe un cărucior special) în interiorul unui inductor cilindric format din conductoare de secțiune mare înfășurate pe un cadru din material izolator. Plăcile sunt încălzite cu plase metalice în care sunt induși curenți turbionari.

Exemplele date explică principiul instalațiilor de încălzire indirectă prin inducție. Dezavantajele unor astfel de instalații includ niveluri scăzute de energie și intensitate scăzută de încălzire. Încălzirea prin inducție de joasă frecvență este destul de eficientă atunci când se încălzi direct piesele metalice masive și un anumit raport între dimensiunile acestora și adâncimea de penetrare a curentului (vezi mai jos).

Inductoarele instalațiilor de înaltă frecvență sunt realizate neizolate; sunt formate din două părți principale - un fir de inducție, cu ajutorul căruia se creează un câmp magnetic alternativ și cabluri de curent pentru conectarea firului de inductie la o sursă de energie electrică.

Designul inductorului poate fi foarte divers. Pentru a încălzi suprafețele plane, se folosesc inductori plate, piese de prelucrat cilindrice - inductori cilindric (solenoid) etc. (Fig. 3.1). Inductoarele pot avea o formă complexă (Fig. 3.2), datorită necesității de a concentra energia electromagnetică în direcția dorită, de a furniza apă de răcire și de stingere etc.

Pentru a crea câmpuri de mare intensitate, prin inductori trec curenți mari, în valoare de sute și mii de amperi. Pentru a reduce pierderile, inductoarele sunt realizate cu cea mai mică rezistență activă posibilă. În ciuda acestui fapt, ele încă se încălzesc intens atât prin propriul curent, cât și datorită transferului de căldură din piesele de prelucrat, astfel încât sunt echipate cu răcire forțată. Inductoarele sunt de obicei fabricate din tuburi de cupru rotund sau secțiune dreptunghiulară, in interiorul caruia se trece apa curenta pentru racire.

Puterea specifică de suprafață. Unda electromagnetică emisă de inductor cade pe un corp metalic și, fiind absorbită în acesta, provoacă încălzire. Puterea fluxului de energie care curge printr-o suprafață unitară a corpului este determinată de formula (11)

tinand cont de expresie

În calculele practice se utilizează dimensiunea D Rîn W/cm2, atunci

Înlocuind valoarea rezultată H 0 în formula (207), obținem

.

(3.7)

Astfel, puterea eliberată în produs este proporțională cu pătratul spirelor amperi ale inductorului și cu coeficientul de absorbție a puterii. Cu o intensitate constantă a câmpului magnetic, intensitatea de încălzire este mai mare, cu cât este mai mare rezistivitatea r, permeabilitatea magnetică a materialului m și frecvența curentului. f.

Formula (208) este valabilă pentru o undă electromagnetică plană (vezi § 2 din Capitolul I). Când corpurile cilindrice sunt încălzite în inductori solenoizi, imaginea propagării undelor devine mai complicată. Cu cât raportul este mai mic, cu atât abaterile de la relațiile pentru o undă plană sunt mai mari. r/z a, Unde r- raza cilindrului, z a- adâncimea de penetrare a curentului.

În calculele practice, ei folosesc încă dependența simplă (208), introducând factori de corecție în ea - funcții Birch, în funcție de raport r/z a(Fig. 43). Apoi

Formula (212) este valabilă pentru un inductor solid fără spații între spire. Dacă există goluri, pierderile în inductor cresc. Pe măsură ce frecvența funcției crește F a (r a, z a)Și F și (r și, z a) tind spre unitate (Fig. 43), iar raportul de putere tinde spre limită

Din expresia (3.13) rezultă că eficiența scade odată cu creșterea spațiului de aer și a rezistivității materialului inductor. Prin urmare, inductoarele sunt fabricate din tuburi masive de cupru sau bare colectoare. După cum reiese din expresia (214) și Figura 43, valoarea eficienței se apropie de limita deja la r/z a>5÷10. Acest lucru ne permite să găsim o frecvență care oferă o eficiență suficient de mare. Folosind inegalitatea de mai sus și formula (15) pentru adâncimea de penetrare z a , primim

.

(3.14)

Trebuie remarcat faptul că dependențele simple și vizuale (3.13) și (3.14) sunt valabile doar pentru un număr limitat de cazuri relativ simple de încălzire prin inducție.

Factorul de putere a inductorului. Factorul de putere al unui inductor de încălzire este determinat de raportul dintre rezistența activă și cea inductivă a sistemului inductor-produs. La frecvențe înalte, reactanțele inductive active și interne ale produsului sunt egale, deoarece unghiul de fază dintre vectori și este de 45° și |D R| = |D Q|. Prin urmare, valoarea factorului de putere maximă

Unde A - spațiu de aer între inductor și produs, m.

Astfel, factorul de putere depinde de proprietăți electrice materialul produsului, spațiul de aer și frecvența. Pe măsură ce spațiul de aer crește, inductanța de scurgere crește și factorul de putere scade.

Factorul de putere este invers proporțional cu rădăcina pătrată a frecvenței, prin urmare o creștere nerezonabilă a frecvenței reduce performanța energetică a instalațiilor. Ar trebui să vă străduiți întotdeauna să reduceți spațiul de aer, dar există o limită din cauza tensiunii de întrerupere a aerului. În timpul procesului de încălzire, factorul de putere nu rămâne constant, deoarece r și m (pentru feromagneți) se modifică cu temperatura. În condiții reale, factorul de putere al instalațiilor de încălzire prin inducție depășește rar 0,3, scăzând la 0,1-0,01. Pentru a descărca rețelele și generatorul de curenții reactivi și pentru a crește sofo-ul, condensatorii de compensare sunt de obicei conectați în paralel cu inductorul.

Parametrii principali care caracterizează modurile de încălzire prin inducție sunt frecvența curentă și eficiența.În funcție de frecvențele utilizate, se disting în mod convențional două moduri de încălzire prin inducție: încălzirea adâncă și încălzirea la suprafață.

Încălzirea profundă („frecvențe joase”) este efectuată la această frecvență f când adâncimea de penetrare z a aproximativ egală cu grosimea stratului încălzit (întărit). x k(Fig. 3.4, a). Încălzirea are loc imediat la toată adâncimea stratului x k viteza de încălzire este aleasă astfel încât transferul de căldură prin conductibilitatea termică adânc în corp să fie nesemnificativ.

Deoarece în acest mod adâncimea de pătrundere a curenţilor z a relativ mare ( z a » x k), apoi, după formula:

Încălzirea suprafeței („frecvențe înalte”) se realizează la frecvențe relativ înalte. În acest caz, adâncimea de penetrare a curenților z a semnificativ mai mică decât grosimea stratului încălzit x k(Fig. 3.4,6). Incalzire pe toata grosimea x k apare din cauza conductivității termice a metalului. La încălzirea în acest mod, este necesară mai puțină putere a generatorului (în Figura 3.4, puterea utilă este proporțională cu zonele dublu hașurate), dar timpul de încălzire și consumul specific de energie cresc. Acesta din urmă este asociat cu încălzirea datorită conductivității termice a straturilor profunde ale metalului. Eficienţă încălzire, proporțională cu raportul dintre zonele dublu hașurate și întreaga zonă delimitată de curbă tși axele de coordonate, în al doilea caz inferioare. În același timp, trebuie remarcat că încălzirea la o anumită temperatură a unui strat de metal cu grosimea b situat în spatele stratului de întărire și numit strat de tranziție este absolut necesară pentru conectarea fiabilă a stratului întărit cu metalul de bază. Cu încălzirea suprafeței, acest strat este mai gros și conexiunea este mai fiabilă.

Cu o scădere semnificativă a frecvenței, încălzirea devine complet imposibilă, deoarece adâncimea de penetrare va fi foarte mare, iar absorbția de energie în produs va fi nesemnificativă.

Metoda de inducție poate fi utilizată pentru a efectua atât încălzirea adâncă, cât și la suprafață. Cu sursele externe de căldură (încălzire cu plasmă, cuptoare electrice cu rezistență), încălzirea profundă este imposibilă.

Pe baza principiului de funcționare, există două tipuri de încălzire prin inducție: simultană și continuă-secvențială.

În timpul încălzirii simultane, aria firului inductiv îndreptată spre suprafața încălzită a produsului este aproximativ egală cu aria acestei suprafețe, ceea ce permite încălzirea simultană a tuturor zonelor sale. În timpul încălzirii secvențiale continue, produsul se mișcă în raport cu firul de inducție, iar încălzirea secțiunilor sale individuale are loc pe măsură ce trece zonă de muncă inductor.

Selectarea frecventei. Eficiența suficient de mare poate fi obținută numai cu un anumit raport între dimensiunea corpului și frecvența curentului. Alegerea frecvenței optime de curent a fost menționată mai sus. În practica încălzirii prin inducție, frecvența este selectată în funcție de dependențe empirice.

La încălzirea pieselor pentru întărirea suprafeței până la adâncime x k(mm) frecvența optimă (Hz) se găsește din următoarele dependențe: pentru părți de formă simplă (suprafețe plane, corpuri de rotație)

Când prin încălzirea semifabricatelor cilindrice din oțel cu un diametru d(mm) frecvența necesară este determinată de formulă

În timpul încălzirii, rezistivitatea metalelor r crește. Pentru feromagneți (fier, nichel, cobalt etc.), valoarea permeabilității magnetice m scade odată cu creșterea temperaturii. Când este atins punctul Curie, permeabilitatea magnetică a materialelor feromagnetice scade la 1, adică își pierd proprietățile magnetice. Temperatura obișnuită de încălzire pentru călire este de 800-1000° C, pentru tratarea sub presiune 1000 - 1200° C, adică deasupra punctului Curie. O modificare a proprietăților fizice ale metalelor cu o modificare a temperaturii duce la o modificare a coeficientului de absorbție a puterii și a puterii specifice de suprafață (3.8) care intră în produs în timpul procesului de încălzire (Fig. 3.5). Inițial, datorită creșterii lui r, puterea specifică D R crește și atinge valoarea maximă D P max= (1,2÷1,5) D R începe, iar apoi, din cauza pierderii proprietăților magnetice de către oțel, scade la un minim D Р min. Pentru a menține încălzirea într-un mod optim (cu o eficiență suficient de mare), instalațiile sunt echipate cu dispozitive pentru potrivirea parametrilor generatorului și ai sarcinii, adică capacitatea de a regla modul de încălzire.

Dacă comparăm încălzirea directă a pieselor de prelucrat pentru deformarea plastică folosind metoda inducției și metoda contactului electric (ambele se referă la încălzirea directă), atunci putem spune că în ceea ce privește consumul de energie, încălzirea prin contact electric este potrivită pentru piesele lungi de un secțiune transversală mică și încălzire prin inducție pentru piese scurte de prelucrat cu diametre relativ mari.

Un calcul riguros al inductorilor este destul de greoi și necesită utilizarea unor date semi-empirice suplimentare. Vom lua în considerare un calcul simplificat al inductoarelor cilindrice pentru călirea suprafeței, pe baza dependențelor obținute mai sus.

Calcul termic. Din luarea în considerare a modurilor de încălzire prin inducție rezultă că aceeași grosime a stratului întărit x k poate fi obținut la diferite valori ale puterii specifice D R si durata incalzirii t. Modul optim determinată nu numai de grosimea stratului x k, dar şi prin mărimea zonei de tranziţie b, legând stratul întărit cu straturile adânci ale metalului.

În absența dispozitivelor de control al puterii generatorului, natura modificării puterii specifice consumate de produsul din oțel este prezentată în graficul prezentat în Figura 3.5. In timpul procesului de incalzire, valoarea rc se modifica si spre finalul incalzirii, dupa trecerea prin punctul Curie, scade brusc. Produsul din oțel pare să se oprească automat, ceea ce asigură o întărire de înaltă calitate fără arderi. Dacă există dispozitive de control, alimentarea D R poate fi egală sau chiar mai mică decât D Р min(Fig. 3.5), care permite, prin prelungirea procesului de încălzire, să se reducă puterea specifică necesară pentru o anumită grosime a stratului întărit x k.

Graficele modurilor de încălzire pentru călirea suprafeței pentru oțelurile carbon și slab aliate cu o grosime a zonei de tranziție de 0,3-0,5 a stratului întărit sunt prezentate în figurile 3.6 și 3.7.

Prin alegerea valorii D R, nu este dificil să găsiți puterea furnizată inductorului,

unde h tr- randamentul transformatorului de inalta frecventa (stingere).

Putere consumată din rețea

determinat de consumul specific de energie A(kWh/t) și productivitate G(t/h):

pentru încălzirea suprafeței

,

(3.26)

unde D i- creșterea conținutului de căldură al piesei de prelucrat ca urmare a încălzirii, kJ/kg;

D- densitatea materialului piesei de prelucrat, kg/m 3 ;

M 3 - masa piesei de prelucrat, kg;

S 3- suprafata stratului intarit, m2;

b- deșeuri metalice (cu încălzire prin inducție 0,5-1,5%);

h tp- eficienta transferului de caldura datorita conductibilitatii termice in interiorul piesei de prelucrat (cu intarire la suprafata h tp = 0,50).

Notațiile rămase sunt explicate mai sus.

Valori aproximative ale consumului specific de energie pentru încălzire prin inducție: revenire - 120, călire - 250, carburare - 300, prin încălzire pentru prelucrare mecanică - 400 kWh/t.

Calcul electric. Calculul electric se bazează pe dependență (3.7). Să luăm în considerare cazul când adâncimea de penetrare z a semnificativ mai mici decât dimensiunile inductorului și piesei și distanța Aîntre inductor și produs este mică în comparație cu lățimea conductorului de inductie b(Fig. 3.1). În acest caz inductanța L cu sistemele inductor-produs pot fi exprimate prin formula

Înlocuind valoarea curentă în formula (3.7) și ținând cont de faptul că

Formula (3.30) oferă relația dintre puterea specifică, parametrii electriciși dimensiunile geometrice ale inductorului, caracteristicile fizice ale metalului încălzit. Luând în funcție dimensiunile inductorului, obținem

pentru starea încălzită

Factorul de putere a inductorului

unde P este puterea activă a inductorului, W;

U și- tensiunea la bobină, V;

f- frecventa Hz.

La conectarea condensatoarelor la circuitul primar al unui transformator de înaltă frecvență, capacitatea condensatoarelor trebuie mărită pentru a compensa reactivitatea transformatorului și a conductorilor de conectare.

Exemplu. Calculați inductorul și selectați o instalație de înaltă frecvență pentru călirea suprafeței pieselor de prelucrat cilindrice din oțel carbon cu un diametru de d a= 30 mm și înălțime h a= 90 mm. Adâncimea stratului întărit x k = 1mm, tensiune inductor U și = 100 V. Găsiți frecvența recomandată folosind formula (218):

Hz

Ne oprim la cea mai apropiată frecvență folosită f=67 kHz.

Din grafic (Fig. 3.7) luăm D R= 400 W/cm2.

Folosind formula (3.33) găsim al pentru stare rece:

cm 2.

Noi acceptam A= 0,5 cm, apoi diametrul inductorului

cm.

Lungimea conductorului inductiv

cm

Numărul de spire a inductorului

Înălțimea inductorului

Puterea furnizată inductorului, conform

kW

unde 0,66 este randamentul inductorului (Fig. 3.8).

Puterea oscilatoare a generatorului

kW.

Alegem o instalație de înaltă frecvență LPZ-2-67M, care are o putere de oscilație de 63 kW și o frecvență de funcționare de 67 kHz.

Tehnica de încălzire prin inducție folosește curenți de frecvență joasă (industrială) 50 Hz, frecvență medie 150-10000 Hz și frecvență înaltă de la 60 kHz la 100 MHz.

Curenții de medie frecvență se obțin folosind generatoare de mașini sau convertoare statice de frecvență. În intervalul 150-500 Hz, se folosesc generatoare de tip sincron obișnuit, iar mai sus (până la 10 kHz) se folosesc generatoare de mașini de tip inductor.

ÎN În ultima vreme generatoarele de mașini sunt înlocuite cu convertoare statice de frecvență mai fiabile bazate pe transformatoare și tiristoare.

Curenții de înaltă frecvență de la 60 kHz și mai sus sunt obținuți exclusiv folosind generatoare cu tuburi. Instalatiile cu generatoare de lampi sunt folosite pentru a efectua diverse operatii de tratament termic, calire a suprafetei, topire a metalelor etc.

Fără a atinge teoria problemei, prezentată în alte cursuri, vom lua în considerare doar câteva dintre caracteristicile generatoarelor de încălzire.

Generatoarele de încălzire sunt de obicei autoexcitate (autogeneratoare). În comparație cu generatoarele de excitație independente, acestea au un design mai simplu și au performanțe energetice și economice mai bune.

Circuitele generatoarelor cu tuburi pentru încălzire nu sunt fundamental diferite de cele de inginerie radio, dar au unele caracteristici. Aceste circuite nu trebuie să aibă o stabilitate strictă a frecvenței, ceea ce le simplifică foarte mult. Diagramă schematică Cel mai simplu generator pentru încălzirea prin inducție este prezentat în Figura 3.10.

Elementul principal al circuitului este lampa generatorului. Generatoarele de încălzire folosesc cel mai adesea lămpi cu trei electrozi, care sunt mai simple decât tetrodele și pentodele și oferă suficientă fiabilitate și stabilitate de generare. Sarcina lămpii generatorului este un circuit oscilant anodic, ai cărui parametri sunt inductanța L si capacitate CU sunt selectate din condițiile de funcționare ale circuitului în rezonanță la frecvența de funcționare:

Unde R- rezistență redusă la pierderea buclei.

Opțiuni de contur R, L, C sunt determinate ținând cont de modificările introduse de proprietățile electrofizice ale corpurilor încălzite.

Circuitele anodice ale lămpilor generatoare sunt alimentate cu curent continuu de la redresoare asamblate pe tiratroni sau gastroni (Fig. 3.10). Nutriție curent alternativ din motive economice se foloseste doar pentru puteri mici (pana la 5 kW). Tensiunea secundară a transformatorului de putere (anod) care alimentează redresorul este de 8 - 10 kV, tensiunea redresată este de 10 - 13 kV.

Oscilațiile neamortizate într-un auto-oscilator apar atunci când există suficient feedback pozitiv de la rețea la circuit și sunt îndeplinite anumite condiții care conectează parametrii lămpii și circuitului.

Coeficientul de feedback al grilei

Unde U cu , si tu , U a- tensiunea respectiv pe grila, circuitul oscilator si anodul lampii generatorului;

D- permeabilitatea lampii;

s d- panta dinamică a caracteristicilor anod-grilă ale lămpii.

Feedback-ul rețelei în generatoarele pentru încălzirea prin inducție se realizează cel mai adesea folosind un circuit în trei puncte, atunci când tensiunea rețelei este preluată din o parte a inductanței anodului sau a circuitului de încălzire. În figura 3.10, tensiunea este furnizată rețelei de la o parte din spirele bobinei de cuplare L2, care este un element inductiv al circuitului de încălzire.

Generatoarele de încălzire, spre deosebire de generatoarele radio, sunt cel mai adesea cu dublu circuit (Fig. 3.10) sau chiar cu un singur circuit. Generatoarele cu dublu circuit sunt mai ușor de reglat la rezonanță și sunt mai stabile în funcționare.

Oscilațiile de al doilea fel sunt excitate în generatoare. Curentul anodic trece prin lampă în impulsuri, doar pentru o parte (1/2-1/3) a perioadei. Din acest motiv, componenta constantă a curentului anodului este redusă, încălzirea anodului este redusă și eficiența generatorului crește. Curentul rețelei are, de asemenea, o formă de impuls. Tăierea curentului anodului (în unghiul de tăiere q = 70-90°) se realizează prin aplicarea unei polarizări negative constante rețelei, care este creată de căderea de tensiune pe rezistența gridlick. R g când circulă o componentă constantă a curentului rețelei.

Generatoarele de încălzire au o sarcină care se modifică în timpul procesului de încălzire, cauzată de modificări ale proprietăților electrice ale materialelor încălzite. Pentru a se asigura că generatorul funcționează în modul optim, caracterizat prin cele mai mari valori putere de ieșire și eficiență, instalațiile sunt echipate cu dispozitive de potrivire a sarcinii. Modul optim se realizează prin selectarea valorii corespunzătoare a coeficientului de feedback al rețelei k s si indeplinirea conditiei

Unde E a - tensiunea de alimentare;

E s - offset constant pe grilă;

eu a1-prima armonică a curentului anodic.

Pentru a se potrivi cu sarcina, circuitele oferă capacitatea de a regla rezistența rezonantă a circuitului R ași modificați tensiunea rețelei U s. Modificarea acestor valori se realizează prin introducerea capacităților sau inductanțelor suplimentare în circuit și comutarea clemelor (sondelor) ale anodului, catodului și rețelei care conectează circuitul la lampă.

Instalațiile de încălzire prin inducție sunt foarte frecvente la uzinele de reparații și la întreprinderile de utilaje agricole.

În industria reparațiilor, curenții de medie și înaltă frecvență sunt utilizați pentru încălzirea transversală și la suprafață a pieselor din fontă și oțel pentru călire, înainte de deformarea la cald (forjare, ștanțare), la restaurarea pieselor folosind metode de suprafață și metalizare de înaltă frecvență, la lipire, etc.

Întărirea la suprafață a pieselor ocupă un loc special. Capacitatea de a concentra puterea într-o locație dată a unei piese face posibilă obținerea unei combinații a unui strat exterior întărit cu plasticitatea straturilor adânci, ceea ce crește semnificativ rezistența la uzură și rezistența la sarcini alternative și la impact.

Avantajele călirii suprafeței prin încălzire prin inducție sunt următoarele:

1) capacitatea de a întări piesele și sculele la orice grosime cerută, dacă este necesar, prelucrând numai suprafețele de lucru;

2) accelerarea semnificativă a procesului de călire, care asigură o productivitate ridicată a instalațiilor și reduce costul tratamentului termic;

3) consumul specific de energie de obicei mai mic comparativ cu alte metode de încălzire datorită selectivității încălzirii (doar la o adâncime dată) și rapidității procesului;

4) calitate înaltă a întăririi și reducerea defectelor;

5) posibilitatea organizării fluxului de producție și automatizării proceselor;

6) standarde înalte de producție, îmbunătățirea condițiilor sanitare și igienice de lucru.

Instalațiile de încălzire prin inducție sunt selectate în funcție de următorii parametri principali: scop, putere oscilativă nominală, frecvență de funcționare. Unitățile produse industrial au o scară de putere standard cu următorii pași: 0,16; 0,25; 0,40; 0,63; 1,0 kW și mai departe prin înmulțirea acestor numere cu 10, 100 și 1000.

Instalațiile pentru încălzire prin inducție au puteri de la 1,0 la 1000 kW, inclusiv generatoare de lămpi de până la 250 kW și mai mari - cu generatoare de mașini. Frecvența de funcționare, determinată prin calcul, este specificată în funcție de scara de frecvență permisă pentru utilizare în aplicații electrotermale.

Instalațiile de înaltă frecvență pentru încălzirea prin inducție au o singură indexare: HF (inductie de înaltă frecvență).

După litere, o liniuță indică puterea de oscilație (kW) la numărător și frecvența (MHz) la numitor. După numere sunt scrise litere care indică scopul tehnologic. De exemplu: VCHI-40/0,44-ZP - unitate de încălzire prin inducție de înaltă frecvență, putere oscilantă 40 kW, frecvență 440 kHz; literele ZP - pentru întărirea suprafețelor (NS - pentru încălzire prin încălzire, ST - sudarea țevilor etc.).

1. Explicați principiul încălzirii prin inducție. Domeniul de aplicare a acestuia.

2. Enumerați elementele principale ale unei instalații de încălzire prin inducție și indicați scopul acestora.

3. Cum se face bobinarea încălzitorului?

4. Care sunt avantajele încălzitorului?

5. Care este fenomenul efectului de suprafață?

6. Unde poate fi aplicat încălzitorul de aer cu inducție?

7. Ce determină adâncimea pătrunderii curentului în materialul încălzit?

8. Ce determină eficiența unui inductor inel?

9. De ce este necesar să folosim tuburi feromagnetice pentru a face încălzitoare cu inducție la frecvență industrială?

10. Ce afectează cel mai semnificativ cosul unui inductor?

11. Cum se modifică viteza de încălzire odată cu creșterea temperaturii materialului încălzit?

12. Ce parametri ai oțelului sunt afectați de măsurarea temperaturii?

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 este un portal de informații comerciale 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 curent electric alternativ. 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 tipuri variate medii și lichide de răcire.

Incalzitor electric folosit in multe domenii:

• metalurgice (încălzitoare HDTV, cuptoare cu inducție);
• fabricarea de instrumente (lidura elementelor);
• medicale (producția și dezinfecția instrumentelor);
• bijuterii (producere de bijuterii);
• locuinte si servicii comunale (cazane cu inductie);
• 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. Inductorul 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 întărire, precum și prin încălzire pentru ștanțare.

Ușor de operat, cu eficiență de până la 100%, încălzitoare cu inducție de frecvență medie, utilizate pentru cerc mare tehnologii în metalurgie (și pentru topirea diferitelor 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 proprietățile chimice ale metalului.

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 dintre ele 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 de ultra-înaltă frecvență 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 tipuri diferite, aliaj și formă. Încălzitoarele de forjare prin inducție permit prelucrarea semifabricate cilindrice 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-automate. 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 constantă; adâncimea de întărire poate fi de fracțiuni de milimetri în adâncime.

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 instrumente optice vă permit să determinați rapid și ușor temperatura suprafețelor greu accesibile (din cauza căldurii mari, a probabilității 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 piesa (compoziția), frecvența este selectată; aceasta 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”; curenții turbionari 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. Pe acest moment Putem repara toate tipurile de încălzitoare. 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; reparațiile acestora trebuie efectuate de specialiști calificați, familiarizați cu principiu detaliat operarea unui astfel de echipament.

Video cu inducție în funcțiune încălzitoare de frecvență medie

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

Caracteristica principală a încălzirii prin inducție este conversia energiei electrice în căldură folosind un flux magnetic alternativ, adică inductiv. Dacă trece un curent alternativ printr-o bobină spirală cilindrică (inductor) electricitate I, 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 de mare viteză, 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 atât ca design, cât și proprietăți operaționale: unități de inducție cu și fără miez.

De scop 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 încălzire a pieselor de prelucrat înainte de deformarea plastică (forjare, ștanțare), pentru sudare, lipire și suprafață, pentru tratarea chimico-termică a produse etc. d.

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), alimentate de 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.

Trimiteți-vă munca bună în baza de cunoștințe este simplu. 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 descărcarea inductivă este cauzată și menținută de câmpul electric vortex care este creat. camp 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 ridicata(de ordinul presiunii atmosferice), la care plasma generată este aproape de echilibru și presiune scăzută, la care plasma generată este neechilibră.

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

Pentru a iniția și a menține o descărcare luminoasă 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 de depunere cu plasmă a acoperirilor 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 a reacțiilor 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. Cu o creștere a frecvenței, 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 de 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). Problema centrală în fizica descărcării inductive de joasă presiune este problema mecanismelor și eficienței absorbției de putere RF de către plasmă. Se știe că, cu excitarea pur inductivă a unei descărcări HF, 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 regimuri corespunzătoare inegalității (4), precum și a optimizării funcționării dispozitivelor cu plasmă, constă în modelele de modificări ale rezistenței plasmatice echivalente 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? Svetlana?. 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 din 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). ?Lovi cu pumnul? 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 folosind o metodă calorimetrică și au măsurat concentrațiile de electroni cu ajutorul sondelor. Curbele de aprindere pentru multe gaze au fost obținute și în Ref. 7. S-a încercat în Ref. 6 să se utilizeze descărcarea pentru spectroscopie ultravioletă. 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.Sursa de alimentare era un generator industrial de înaltă frecvență cu o putere maximă de ieșire de 10 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) Cu toate acestea, la debite mari de alimentare cu gaz este necesar să se ia măsuri pentru recircularea unei părți a plasmei. 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 balanța energetică 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 condițiile 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?un platou? 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 cu gaz și a debitului de gaz (cu alimentare tangenţială), descărcarea este din ce în ce mai presată departe de pereţi, iar raza de descărcare 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 putere 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 stratul 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 în mod 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 ele reprezintă modurile proprii ale oscilațiilor plasmei 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.

Zona 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 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 unic cvadruplu, 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.