Изучение физических основ работы плазмотрона с продольной прокачкой (алплаз-04)

ПЛАЗМОТРОНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Одним из широко распространенных технических устройств применяемых для получения потоков плазмы являются электродуговые плазмотроны (ЭДП) постоянного тока. В них, через область электрической дуги прогоняют рабочий газ, который в результате, разогревается до плазменного состояния. Различают разряды свободные и пространственно стабилизированные. Стабилизируют разряды потоком плазмообразующего газа, охлаждаемыми стенками разрядной камеры, дополнительным магнитным полем соленоида. Особенно большое применение получили разряды, стабилизированные в канале с потоком газа. Таким генератором плазмы является портативный аппарат АЛПЛАЗ–04.

Назначение и области применения.

Портативный плазмотрон предназначен для резки любых материалов толщиной до 5 мм (в том числе и тугоплавких), для сварки или пайки черных и цветных металлов толщиной до 5 мм. Портативный плазмотрон незаменим в домашних условиях, и условиях небольших мастерских или лабораторий.

В условиях непрерывного производственного цикла, например – при конвейерной сборке, данная модификация портативного плазмотрона неприменима из-за ограничений по времени, связанных с дозаправкой плазменной горелки рабочей жидкостью.

Технология проведения сварочных работ с использованием плазмотрона сходна с технологией использования обычных сварочных аппаратов. Отличие состоит в том, что для получения высокотемпературного факела необходимы электричество и вода, а не газовые баллоны. При плазменной сварке или пайке, применяются те же присадки, флюсы и припои, что и при обычной газовой сварке.

Рис.1.

К – катод, А – анод, ВК – вихревая камера с тангенциальной подачей рабочего газа, G – расход газа, РК – разрядная камера, СП - струя плазмы, Н₂О – охлаждающая элементы плазмотрона вода, ИП – источник питания плазмотрона, А – амперметр и V₁ и V₂ - вольтметры.

Закон Она для электрической цепи питания плазмотрона записывается в виде

, (1)

где и r - электродвижущая сила и внутреннее сопротивление источника; R_Б и R_Д – сопротивление балластного реостата и электрической дуги.

Уравнение (1) может быть представлено в более удобном для анализа виде:

. (2)

Здесь - напряжение источника тока U_ИП; JR_Б = U _Б - падение напряжения на балластном сопротивлении R_Б; JR_Д = U _Д - напряжение горения электрической дуги.

Типичные зависимости U _ИП, U _Б, U _Д от силы тока J приведены на рисунке 2.

Приведенные зависимости представляют собой законы Ома для отдельных участков электрической цепи, показанной на рисунке 1. Участок 1-2 составляет источник тока, где сосредоточена э.д.с. цепи. Сила тока на этом участке согласно закону Ома определяется уравнением

(3)

Рис. 2.

Из уравнения (3) следует

. (4)

Э.д.с. источника тока не зависит от силы тока, следовательно, зависимость U_ИП = f (J) является линейной. Однако в нашем случае, когда в качестве источника используется выпрямитель трехфазного переменного тока, зависимость U_ИП = f (J) является более сложной. В первом приближении можно принять в виде

. (5)

Таким образом, ВАХ источника тока (рис.2а) имеет нелинейный падающий характер.

На участке 2-3 электрической цепи установлен балластный реостат, который служит для регулирования тока в цепи.

По конструкции балластный реостат представляет собой сосуд, наполненный слабым водным раствором солей (например, NaCl). К сосуду на шарнире с рукояткой прикреплен стальной лист. При вращении рукоятки изменяется глубина погружения листа и это влечет за собой соответствующее изменение сопротивления. Так как R_Б является чисто активным сопротивлением, то зависимость U_Б = f (J) имеет линейный характер (рис.2б).

На участке 4 - 5 (рис.1) расположен плазмотрон.

Физика формирования падающей вольтамперной характеристики дуги U_Д = f (J) (рис.2в) может быть представлена следующим образом. Электрическая дуга - это самоподдерживающийся разряд, способный обеспечивать протекание неограниченно больших токов за счет своих внутренних процессов. С физической точки зрения можно выделить внутренние процессы, происходящие на катоде, аноде и в пространстве между ними. Соответственно различают три характерные области падения потенциала по длине дугового разряда.

Непосредственно к катоду прилегает область катодного падения потенциала U_K, которая характеризуется напряженностью электрического поля 10⁶ - 10⁷В/м. Вследствие малой протяженности l _K (порядка средней длины свободного пробега электронов) падение потенциала в ней равно потенциалу ионизации молекул рабочего газа.

К положительному электроду примыкает область анодного падания потенциала U_А. Протяженность области l _А порядка нескольких длин свободного пробега электронов. Значение U_А составляет несколько вольт.

Приэлектродные области разряда соединяются однородным по структуре проводящим каналом, который называется положительным столбом электрической дуги. Для всех видов электрических разрядов положительный столб характеризуется относительно низкой и приблизительно постоянной напряженностью электрического поля по длине канала. Поэтому напряжение горения дуги в первом приближении может быть определено уравнением

U_Д = U_K + U_А + E l _ПС, (6)

где Е и l _ПС - напряженность электрического поля и длина положительного столба дуги.

Уравнение (6) c учетом закона Ома принимает вид

, (7)

где и S - электропроводность и площадь поперечного сечения положительного столба разрядной камеры (РК).

Для дуги, стабилизированной потоком газа, сумма (U_K + U_А) и l _ПС слабо зависят от тока, поэтому вид вольтамперной характеристики в основном определяется зависимостью и S от J.

При увеличении силы тока диаметр столба и температура газа возрастают. Газ становится электропроводным при температуре около 5000К. В дальнейшем его электропроводность резко возрастает. Начиная с температуры 10 000К, электропроводность газа растет при увеличении температуры в меньшей степени. Из приведенных формул и графиков следует, что с ростом силы тока напряжение горения дуги уменьшается, т.е. формируется падающая ВАХ. При дальнейшем увеличении J рост диаметра положительного столба ограничивается стенками канала плазмотрона и потоком газа. Поэтому ври высоких значениях плотности тока создаются условия для формирования восходящей вольтамперной характеристики плазмотрона.

Рис.3.

U_ИП = U_Д + U_Б. (8)

На рисунке 3 построены графики зависимости U_Б =(J), U_Д = f (J), U = f (J), U_ИП = f (J). Как видно из рисунка, условию (8) удовлетворяют точки А и В, соответствующие J_A и J_B.

Рассмотрим состояние, соответствующее точке А. В процессе горения дуги возможны значительные флуктуации тока, обусловленные эмиссией заряженных частиц на катоде. Так, при уменьшении силы тока менее J_A напряжение источника тока U_ИП становится меньше напряжения, необходимого для устойчивого горения дуги. Это приводит к дальнейшему снижению тока вплоть до полного прекращения дуги. И, наоборот, при случайном увеличении силы тока более J_А, требуемое для горения напряжение убывает, поэтому в цепи дуги создается избыток напряжения. За счет этого избыточного напряжения сила тока продолжает расти до значения J_B, соответствующего точке В. При дальнейшем увеличении тока напряжение U_ИП для поддержания этого роста станет недостаточным и ток уменьшится до значения J_B. В случае уменьшения тока возникает избыток напряжения и ток восстанавливается до значения J_B. Таким образом, непрерывное горение дуги реализуется при значении силы тока J_B, а состояние, соответствующее точке А, является неустойчивым.

Недостатком рассмотренной системы питания плазмотронов является то, что на балластном сопротивлении теряется значительная (от 23 до 42%) часть мощности источника тока, следовательно, снижается к.п.д. плазменной установки, что не всегда приемлемо по экономическим показателям. Поэтому для питания плазмотронов конкретного технологического назначения (плазменная резка, сварка) преимущественное применение получили источники постоянного тока с круто падающими вольтамперными характеристиками. Они представляют собой выпрямители, собранные на тиристорах, с регулируемым углом открывания тиристоров относительно начала синусоиды напряжения. Тиристоры одновременно выполняют функции выпрямления и регулирования силы тока, а при введении обратных связей формируют необходимые вольтамперные характеристики источника питания. Условия непрерывности горения дуги в плазмотроне реализуется при U_ИСТ = U_Д и не отличаются от вышеописанного случая.

 

 

Плазма и ее получение

1. Плазмой называют частично или полностью ионизованный газ, содержащий равное количество свободных отрицательных и положительных зарядов. Каждая заряженная частица плазмы испытывает действие кулоновских сил притяжения или отталкивания со стороны окружающих ее зарядов. Эти силы убывают срасстоянием гораздо медленнее, чем силы взаимодействия нейтральных молекул газа. Поэтому в плазме определяющую роль играют коллективные взаимодействия большого числа частиц.

Такое состояние вещества, характеризуется высокой ионизацией его частиц, доходящей до полной ионизации. В зависимости от степени ионизации c, т.е. отношения концентрации заряженных частиц к полной концентрации частиц, различают плазму: слабо ионизованную (c - доли %), умеренно ионизованную (c - несколько %), полностью ионизованную (c - близко к 100%).

Плазма в основном состоит из частиц трех видов: нейтральных атомов и молекул, положительно заряженных ионов и свободных электронов. При столкновениях обмен энергией между частицами с близкой массой происходит быстрее, чем между частицами с существенно разными массами. Поэтому внутри каждой подсистемы одинаковых частиц может устанавливаться свое равновесное распределение по энергиям. В этих условиях различают электронную температуру Т _е, температуру ионов Т_iи температуру нейтральных частиц Т _а.

Электроны и положительные ноны быстро рекомбинируют, образуя нейтральные атомы. Для поддержания постоянной ионизации газа необходимо внешнее воздействие, непрерывно вновь расщепляющее нейтральные атомы и молекулы на электроны и ионы. От интенсивности этого воздействия зависит установившаяся концентрация свободных зарядов в плазме.

В природных условиях слабоионизованная плазма наблюдается в ионосфере. Солнце, горячие звезды, а также некоторые межзвездные облака являются примерами полностью ионизованной плазмы, образующейся при очень высоких температурах (высокотемпературная плазма – свыше 10⁶ К ). Искусственно плазма создается в газовых разрядах, газоразрядных лампах, плазмотронах и т.д. Управление движением плазмы лежит в основе ее использования как рабочего тела в различных двигателях, для прямого превращения внутренней энергии в электрическую (магнитогидродинамические генераторы, плазменные источники электрической энергии), световую (лазерах), для обработки материалов потоком плазмы и т.д.

Большая электропроводность плазмы приближает ее свойства к свойствам проводников. Случайно возникающие в плазме, не подверженной внешним воздействиям, разности концентраций заряженных частиц и разности потенциалов сглаживаются, как в проводниках, на которые не действуют внешние э.д.с.

В лабораторной работе исследуются общие свойства тлеющего электрического разряда, переводящего газ, заполняющий разрядную трубку, в состояние плазмы. Экспериментально исследуются структура и вольтамперная характеристика самостоятельного газового разряда. Исследуется зависимость этих величин от электрической энергии, вводимой в тлеющий разряд.

Электропроводность газов

Газы состоят из электрически нейтральных атомов и молекул и в нормальных условиях являются изоляторами. Электропроводность газов возникает при их ионизации — отщеплении от атомов и молекул газов электронов. Атомы (молекулы) превращаются при этом в положительные ионы. Отрицательные ионы возникают в газах при соединении нейтральных атомов (молекул) со свободными электронами.

При ионизации атома (молекулы) совершается работа ионизации A_i против сил взаимодействия между вырываемым электроном и другими частицами атома (молекулы). А_i зависит от химической природы газа и энергетического состояния электрона в атоме (молекуле). A_i возрастает с увеличением кратности ионизации, т.е. числа электронов, вырванных из атома.

Потенциалом ионизации φ_i называется разность потенциалов, которую должен пройти электрон в ускоряющем электрическом поле для того, чтобы увеличение его кинетической энергии равнялось работе ионизации: φ _i = A_i/e, где е = 1,6 10^-19 Кл —абсолютная величина заряда электрона.

Ионизация газа происходит в результате внешних воздействий: сильного нагревания, воздействия рентгеновских лучей, радиоактивных излучений, при бомбардировке молекул (атомов) газа быстро движущимися электронами или ионами. Интенсивность ионизации измеряется числом пар противоположных по знаку заряженных частиц, возникающих в единице объема газа за единицу времени.

Ударная ионизация одноатомного газа электронами или ионами происходит при кинетической энергии ионизирующей частицы (массой m и скоростью n) равной

(1)

где А_i - работа ионизации, М - масса атома молекулы газа.

Для осуществления ударной ионизации одновалентные ионы должны пройти в ускоряющем поле большую разность потенциалов, чем электроны. Это справедливо для ионизации молекул, состоящих из любого числа атомов.

1.3. Несамостоятельный газовый разряд

Если электропроводность газа вызывается внешними ионизаторами, то процесс прохождения электрического тока через газ называется несамостоятельным газовым разрядом. Кривая зависимости силы тока при несамостоятельном газовом разряде от напряжения V между электродами изображена на рисунке 1. При небольших напряжениях плотность тока j в разряде пропорциональна напряженности поля Е:

j = еn₀(u₊ + u_-)Е, (2)

где u₊ и u_ - подвижности положительных и отрицательных ионов, n₀ - число пар электронов и одновалентных положительных ионов в единице объема. В интервале давлений р от 10^-4 до 10² атм u ₊ и и_ обратно пропорциональны давлению газа. При дальнейшем увеличении напряженности поля Е концентрация ионов в разряде убывает и линейная зависимость силы тока от напряжения нарушается.

Рис.1.

Максимальная сила тока I, возможная при данной интенсивности ионизации, называется током насыщения. При этом все ионы, возникающие в газе, достигают электродов: I_н = eN ₀, где N ₀- максимальное число парэлектронов и одновалентных ионов, образующихся в 1 сек в газе под действием ионизатора.

Самостоятельный газовый разряд

Электрический разряд в газе, продолжающийся после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным газовым разрядом. Свободные электрические заряды, необходимые для поддержания такого разряда, возникают, главным образом, в результате ударной ионизации молекул газа под действием электронов (объемная ионизация) и выбивания электронов из катода при бомбардировке его положительными ионами (поверхностная ионизация). Ударную ионизацию молекул газа положительными ионами нужно учитывать только в случае достаточно сильных полей. Вырывание электронов из катода может также происходить вследствие его нагрева (термоэлектронная эмиссия) и внешнего фотоэффекта, связанного со свечением разряда (фотоэлектронная эмиссия).

Переход несамостоятельного газового разряда в самостоятельный называется электрическим пробоем газа и происходит при напряжении зажигания U_З (напряжение пробоя). Согласно приближенной теории Таунсенда условие зажигания самостоятельного разряда в газе между плоскими электродами имеет вид

γ(е^αd - 1) = 1, (3)

где d- расстояние между электродами, α- коэффициент объемной ионизации газа электронами, равный среднему значению количества актов ионизации, производимых одним электроном на пути единичной длины, γ— коэффициент поверхностной ионизации, равный среднему числу электронов, выбиваемых из катода одним положительным ионом. Для данного газа и материала катода

и , (4)

Рис.2. Рис.3.

где р - давление газа, U - напряжение между электродами. Таким образом, напряжение зажигания U _Ззависит от произведения pd (закон Пашена). Характер этой зависимости показан на рисунке 2. С уменьшением потенциала ионизации и работы выхода электронов из катода, при прочих равных условиях, U _Зуменьшается.

Рис.4.

Вольтамперная характеристика различных видов разряда в неоне с медными электродами (р=1 мм рт.ст., длина разрядной трубки l =50 см) 1 - темный, или таунсендовский самостоятельный разряд, 2 – переход к тлеющему разряду, 3– нормальный тлеющий разряд, 4-аномальный тлеющий разряд, 5 - переход к дуге, 6 - дуга. (Зависимость разрядного тока от напряжения, приложенного к электродам в разряде, называют вольтамперной характеристикой разряда).

Особенности тлеющего разряда в газе иллюстрирует рисунок 4, где представлена вольтамперная характеристика разряда в неоне с холодными электродами из меди при давлении газа р =1 мм рт. ст. в осях lg(i=I)– U как принято в физике электрических разрядов.

При малых разрядных токах (I < 10^-5 А) наблюдают так называемый таунсендовский разряд, характерными чертами которого являются малая плотность тока, практически линейное изменение потенциала вдоль трубки и отсутствие заметного свечения. Механизм поддержания разряда заключается в том, чтобы при своем движении от катода к аноду каждый вышедший из катода электрон произвел столько актов ионизации и актов возбуждения атомов, что под действием образованных им ионов и фотонов из катода вновь был выбит один электрон. Математически это условие записывается в виде известного соотношения (3), в котором левая часть описывает рождение «вторичного» электрона при бомбардировке катода ионами и фотонами, образованными каждым вышедшим из катода «первичным» электроном. Здесь γ — коэффициент, равный отношению числа таких «вторичных» электронов к числу приходящих на катод ионов, α — первый коэффициент Таунсенда, характеризующий число ионов, образованных электроном при прохождении единицы пути от анода к катоду (в направлении действия поля). Коэффициенты α и γ зависят от рода газа, его давления и напряженности поля, а коэффициент γ— еще и от материала катода.

Рис.5.

Структура тлеющего разряда и распределения интенсивности свечения J, напряженности поля Е, потенциала φ, плотностей зарядов и токов положительных ионов и электронов ρ _р, ρ _е, j_p, j_e.

При токах 10^-4 ¸ 10^-5 А существует переходная форма от темного таунсендовского разряда к тлеющему, характеризующаяся падающей вольтамперной характеристикой. При 10^-4 ¸ 10^-1 в трубке горит нормальный тлеющий разряд, вольтамперная характеристика которого в логарифмической оси тока почти прямолинейна и параллельна оси абсцисс (слегка падающая). Тлеющему разряду присущи новые отличительные особенности: интенсивное свечение и характерное распределение потенциала вдоль трубки, схематически представленное на рисунках 3,5. Видно, что практически все падение потенциала сосредоточено вблизи катода, при этом величина U_K называется катодным падением потенциала.

Подобная картина распределения потенциала в тлеющем разряде объясняется тем, что существенную роль начинает играть объемный заряд, образующийся в газе в процессе формирования разряда. При этом основные процессы, обеспечивающие существование тлеющего разряда, происходят в катодных его частях и аналогичны лавинным процессам в таунсендовском разряде. Поэтому условие стационарности тлеющего разряда также можно описать соотношением (3), где под d следует понимать длину катодной области. Катодные области переходят в так называемый положительный столб (ПС), представляющий собой плазму с высокой проводимостью. По физике процессов эти области существенно различаются, и их роль в поддержании разряда различна.

Положительный столб играет просто роль проводника, как бы приближающего анод к той области разрядного промежутка, в которой заканчивается формирование электронной лавины. Поэтому при изменении длины разрядного промежутка происходит прежде всего простое сокращение либо увеличение длины положительного столба, в то время как катодные части не изменяют своей структуры.

Постоянство U_K объясняется тем, что в нормальном тлеющем разряде ток течет только через ограниченную часть поверхности катода, величина которой S определяется так называемой нормальной плотностью тока j_норм, которая является также характеристикой разряда, зависящей только от рода газа, его давления и от материала и от состояния катода. При увеличении силы тока Iпроисходит рост площади катодного пятна S согласно равенству

I = j _норм S (4)

при j _норм ≈ соnst. После того как в процессе увеличения силы разрядного тока величина I/j_норм станет равной площади катода, наступает переход к аномальному тлеющему разряду с характерной для него возрастающей вольтамперной характеристикой. В аномальном тлеющем разряде величина U_K уже не постоянна, а растет с увеличением силы разрядного тока.

Величина нормального катодного падения потенциала определяется экспериментально методом так называемого затрудненного разряда. Суть этого метода заключается в следующем. Поддерживая постоянной силу разрядного тока (это достигается изменением сопротивления во внешней цепи разряда), приближают постепенно анод к катоду и снимают зависимость напряжения горения разряда U от расстояния между анодом и катодом l. При этом величина U сначала постепенно уменьшается за счет уменьшения длины положительного столба. Начиная с некоторого расстояния, при котором положительного столба больше нет, уменьшение напряжения сначала идет быстрее, а затем в некотором узком интервале изменения l оно практически не изменяется. При дальнейшем уменьшении расстояния между анодом и катодом мы вступаем в область катодного падения, и для поддержания разряда при заданной силе тока требуется быстрый рост напряжения. Причину такого роста легко понять из соотношения (3), из которого следует, что уменьшение d может компенсироваться только ростом напряжения, а это возможно только за счет увеличения напряженности электрического поля в катодной области, т.е. за счет роста U_К, Значение l, при котором происходит резкое возрастание напряжения на разрядной трубке, определяет длину катодного падения потенциала d, a U(d) = U_K.

Тлеющее свечение в основном вызывается обратным воссоединением (рекомбинацией) электронов и ионов в нейтральные атомы или молекулы. Тлеющее свечение имеет сплошной спектр. В положительном столбе наблюдается постоянная и большая концентрация электронов и положительных ионов (газоразрядная плазма), обусловленная ударной ионизацией молекул газа электронами. Падение потенциала в пределах положительного столба сравнительно невелико и при прочих равных условиях возрастает с уменьшением диаметра газоразрядной трубки. Свечение положительного столба, определяющее оптические свойства тлеющего разряда (ТР), связано с излучением возбужденных атомов (молекул) газа. Рекомбинация электронов и положительных ионов в основном происходит на стенках газоразрядной трубки и вызывает нагрев стенок. Положительный столб часто бывает слоистым, т.е. состоит из чередующихся светлых слоев (страт) и темных промежутков. Положительный столб по своей форме следует форме газоразрядной трубки независимо от формы и расположения катода и анода. Это связано с наличием поперечного (радиального) электрического поля, возникающего благодаря осаждению электронов на стенках трубки. При тлеющем разряде в достаточно коротких трубках или в широких сосудах светящийся положительный столб не наблюдается.

Основной областью тлеющего разряда, в которой происходят процессы объемной ионизации газа, необходимые для поддержания разряда, является область катодного темного пространства. Длиной l_К катодного темного пространства (рис.6) называют расстояние от катода до той точки разряда, в которой кривая φ = φ(l) (рис. 3.) имеет максимум, или точку перегиба. Тлеющий разряд может существовать лишь при условии, что расстояние между электродами d ³ l_К.

 

 

Рис.6.

Различают два режима ТР: нормальный, при котором плотность разрядного тока j не зависит от тока I, изменяемой с помощью внешнего нагрузочного сопротивления R_Б, и аномальный, при котором плотность тока j возрастает вместе с током I. В первом случае катод не полностью покрыт отрицательным свечением, во втором - полностью. В случае нормального тлеющего разряда l_К обратно пропорционально давлению газа, а DU _к зависит от рода газа, материала и состояния поверхности катода, возрастая с увеличением работы выхода электронов из катода A_вых. С увеличением тока падение потенциала в положительном столбе уменьшается. Поэтому вольтамперная характеристика нормального тлеющего разряда cлегка падающая, т.е. с увеличением тока напряжение на электродах уменьшается. При аномальном ТР с увеличением разрядного тока l_К уменьшается, a Uφ_К возрастает. Вольтамперная характеристика аномального тлеющего разряда возрастающая (рис.4).

Если давление в трубке с нормальным тлеющим разрядом достаточно мало, то катодное темное пространство почти полностью заполняет всю трубку. При этом пучок электронов движется от катода до стенок трубки практически свободно, т.е. не испытывая столкновений с молекулами газа. Такие пучки электронов навивают катодными лучами.

Каналовыми лучами называют пучки свободно движущихся положительных ионов. Они также могут быть получены с помощью ТР: если в катоде разрядной трубки сделать небольшое отверстие (канал), то положительные ионы, попадающие в этот канал, будут проходить через него в эвакуированное закатодное пространство в виде пучка каналовых лучей.

Тлеющий разряд можно возбудить в разреженном газе, заполняющем стеклянную трубку, пропустив сквозь него электрический ток. Для него характерно неравномерное распределение электрического потенциала вдоль длины трубки. Вблизи катода (электрода, несущего отрицательный потенциал) наблюдается быстрое нарастание потенциала. Действующее в этой области сильное электрическое поле ускоряет электроны, вылетевшие из катода, до энергии, достаточной для ионизации молекул газа. Если приложенное к трубке напряжение достаточно велико, то вторичные электроны вновь ускоряются электрическим полем и ионизуют другие молекулы. Положительно заряженныеионы, двигаясь к катоду, ускоряются электрическим полем и выбивают из катода новые электроны. Так поддерживается непрерывный самостоятельныйтлеющий разряд.

Рис.8.

U_ип = U_Р + U_Б. (12)

На рисунке 8 построены графики зависимости U_Б = f₁ (I), U_Р = f₂ (I), U_ИП = f₃ (I), U = f (I). Как видно из рисунка, условию (8) удовлетворяют точки А и В, соответствующие I_A и I_B.

Рассмотрим состояние, соответствующее точке А. В процессе горения разряда возможны значительные флуктуации тока, обусловленные эмиссией заряженных частиц на катоде. Так, при уменьшении силы тока менее I_A напряжение источника тока U_ИП становится меньше напряжения U, необходимого для устойчивого горения ТР. Это приводит к дальнейшему снижению тока вплоть до полного прекращения горения. И наоборот, при случайном увеличении силы тока более I_А, требуемое для горения ТР напряжение убывает, поэтому в электрической цепи создается избыток напряжения. За счет этого избыточного напряжения сила тока продолжает расти до значения I_B, соответствующего точке В. При дальнейшем увеличении тока напряжение U_ип для поддержания этого роста станет недостаточным и ток уменьшится до значения I_B. В случае уменьшения тока возникает избыток напряжения и ток восстанавливается до значения I_B. Таким образом, непрерывное горение ТР реализуется при значении силы тока I_B, а состояние, соответствующее точке А, является неустойчивым.

Недостатком рассмотренной системы питания плазмотронов ТР является то, что на балластном сопротивлении теряется значительная (от 23% до 42%) часть мощности источника тока, следовательно, снижается к.п.д. установки, что не всегда приемлемо по экономическим показателям. Поэтому для питания плазмотронов ТР конкретного технологического назначения (лазеры) преимущественное применение получили источники постоянного тока с круто падающими вольтамперными характеристиками. Они представляют собой выпрямители, собранные на тиристорах, с регулируемым углом открывания тиристоров относительно начала синусоиды напряжения. Тиристоры одновременно выполняют функции выпрямления и регулирования силы тока, а при введении обратных связей формируют необходимые вольтамперные характеристики источника питания. Условия непрерывности горения ТР в плазмотроне реализуется при U_ИП = U_Р и не отличаются от вышеописанного случая.

 

Классификация плазмотронов.

Различные варианты схем плазмотронов удобнее всего представить в виде классификации (Рис. 2).

Рис. 2. Классификация плазмотронов.

В первую очередь все плазмотроны разделяются на две группы по виду дуги: прямого действия и косвенного действия.

По системе охлаждения электрода и плазмообразующего сопла плазмотроны делятся на два основных типа: с воздушным и с водяным охлаждением. Могут быть плазмотроны со смешанной системой охлаждения теплонагруженных узлов. Теплоемкость воды намного выше теплоемкости воздуха и других газов, поэтому, наиболее эффективной и распространенной является водяная система охлаждения плазмотронов, которая обеспечивает высокую мощность и высокую степень сжатия дуги.

Плазмотроны можно классифицировать по способу стабилизации сжатой дуги. Система стабилизации сжатой дуги обеспечивает сжатие столба дуги и строгую фиксацию его по оси сопла плазмотрона и является одним из важнейших элементов плазмотрона. Существует три вида стабилизации сжатой дуги: газовая водяная и магнитная. Наиболее простой и распространенной является газовая стабилизация, при которой наружный, холодный слой рабочего (плазмообразующего) газа омывая столб дуги, охлаждают и сжимают его. При этом, в зависимости от способа подачи газа, газовая стабилизация может быть аксиальной или вихревой. Наибольшее обжатие дуги достигается при вихревой стабилизации, используется для резки и напыления. При аксиальной стабилизации обеспечивается ламинарный характер истечения струи из плазмообразующего сопла. При водяной стабилизации можно достигнуть наиболее высокой степени сжатия и температуры столба дуги (50 – 70 тыс. К). Однако присутствие паров воды приводит к интенсивному сгоранию электродов из любых материалов, поэтому используются расходуемые (чаще графитовые) электроды, автоматически перемещающиеся по мере сгорания. Магнитная стабилизация, при которой создаваемое продольное магнитное поле сжимает столб дуги, менее эффективна чем водяная и газовая. Кроме того наличие соленоида усложняет конструкцию плазмотрона и увеличивает его габариты. Преимущество магнитной стабилизации состоит в возможности регулирования степени сжатия дуги не зависимо от расхода рабочего газа. На практике наложение продольного магнитного поля применяется для вращения анодного пятна по внутренним стенкам сопла, при работе в режиме косвенной дуги, с целью повышения стойкости последнего.

По виду электрода катода плазмотроны постоянного тока можно разделить на две группы: со стержневым и с распределенным катодом. В плазмотронах со стержневым катодом, катодное пятно фиксируется на торце электрода, а в плазмотронах с распределенным катодом – интенсивно перемещается с помощью газовихревого или магнитного вращения. Стержневые катоды могут быть трех видов: расходуемый, газозащитный и пленкозащитный. Расходуемый, чаще всего графитовый, электрод несмотря на высокую температуру плавления имеет повышенный расход из-за возгонки вблизи температуры плавления. Газозащитный вольфрамовый электрод – самый распространенный из всех видов электродов. Вольфрам имеет высокую прочность и достаточно высокие электро- и теплопроводность.

При работе в инертной среде (аргон гелий) при нагрузке j = 15 – 20 А/мм² вольфрам практически не расходуется. Пленкозащитные катоды обладают высокой стойкостью в активных средах (воздух, углекислый газ, технический азот). Они представляют собой стержень из циркония или гафния запрессованный в медной обойме. Высокая термостойкость таких катодов обусловлена образованием стойкой тугоплавкой пленки из оксидов и нитридов, защищающей чистый металл от испарения. Активная вставка расходуется в основном при включении дуги, вследствие разрушения пленки от термоудара. При использовании циркониевого электрода допускается большая чем для вольфрама плотность тока, достигающая 80 – 100 А/мм2. При работе плазмотрона с окислительной плазмообразующей средой на больших токах (1000 А и более) используются разнообразные виды распределенных катодов, наиболее распространенными из которых являются полый, дисковый и кольцевой. Недостатками распределенных катодов являются сложность их конструкции, трудность равномерного перемещения катодного пятна по всей поверхности электрода, низкая стабильность горения дуги, возрастание напряжения прикатодной области дуги и связанное с этим увеличение потерь мощности в электроде.

Классификация плазмотронов по плазмообразующей среде. Состав