Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
ВЧ - индукционный разряд: условия горения, конструкция и область применения
Введение
Одним из важнейших вопросов организации плазменных технологических процессов является разработка источников плазмы, обладающих свойствами, оптимальными для данной технологии, например: высокой однородностью, заданными плотностью плазмы, энергией заряженных частиц, концентрацией химически активных радикалов. Анализ показывает, что наиболее перспективными для применения в промышленных технологиях являются высокочастотные (ВЧ) источники плазмы, так как, во-первых, с их помощью можно обрабатывать как проводящие, так и диэлектрические материалы, а во- вторых, в качестве рабочих газов можно использовать не только инертные, но и химически активные газы. Сегодня известны источники плазмы, основанные на емкостном и индуктивном ВЧ-разрядах. Особенностью емкостного ВЧ-разряда, наиболее часто используемой в плазменных технологиях, является существование при электродных слоев объемного заряда, в которых формируется среднее по времени падение потенциала, ускоряющего ионы в направлении электрода. Это позволяет обрабатывать с помощью ускоренных ионов образцы материалов, расположенные на электродах ВЧ-емкостного разряда. Недостатком источников емкостного ВЧ-разряда является относительно низкая концентрация электронов в основном объеме плазмы. Значительно более высокая концентрация электронов при тех же ВЧ-мощностях характерна для индуктивных ВЧ-разрядов.
Индуктивный ВЧ-разряд известен уже более ста лет. Это разряд, возбуждаемый током, текущим по индуктору, расположенному на боковой или торцевой поверхности, как правило, цилиндрического источника плазмы. Еще в 1891 г. Дж. Томсон высказал предположение о том, что индуктивный разряд вызывается и поддерживается вихревым электрическим полем, которое создается магнитным полем, в свою очередь, индуцируемым током, текущим по антенне. В 1928-1929 гг., полемизируя с Дж. Томсоном, Д. Таунсенд и Р. Дональдсон высказали идею о том, что индуктивный ВЧ-разряд поддерживается не вихревыми электрическими полями, а потенциальными, появляющимися благодаря наличию разности потенциалов между витками индуктора. В 1929 г. К. Мак-Кинтон экспериментально показал возможность существования двух режимов горения разряда. При малых амплитудах ВЧ-напряжения разряд действительно возникал под действием электрического поля между витками катушки и носил характер слабого продольного свечения вдоль всей газоразрядной трубки. С увеличением амплитуды ВЧ-напряжения свечение становилось ярче и наконец возникал яркий кольцевой разряд. Свечение, вызванное продольным электрическим полем, при этом исчезало. Впоследствии эти две формы разряда были названы Е- Н - разрядом соответственно.
Области существования индуктивного разряда можно условно разделить на две большие области : это высокие давления (порядка атмосферного давления), при которых генерируемая плазма близка к равновесной, и низкие давления, при которых генерируемая плазма является неравновесной.
Периодические разряды. Плазма ВЧ и СВЧ разрядов . Виды высокочастотных разрядов
Для возбуждения и поддержания тлеющего разряда постоянного тока необходимо, чтобы два проводящих (металлических) электрода находились в непосредственном контакте с зоной плазмы. С технологической точки зрения такая конструкция плазмохимического реактора является не всегда удобной. Во-первых, при проведении процессов плазменного нанесения диэлектрических покрытий непроводящая пленка может также образовываться и на электродах. Это приведет к увеличению нестабильности разряда и в конечном итоге к его затуханию. Во-вторых, в реакторах с внутренними электродами всегда существует проблема загрязнений целевого процесса материалами, удаляемыми с поверхности электрода в ходе физического распыления или химических реакций с частицами плазмы. Избежать этих проблем, в том числе и полностью, отказаться от использования внутренних электродов, позволяет использование периодических разрядов, возбуждаемых не постоянным, а переменным электрическим полем.
Основные эффекты, имеющие место в периодических разрядах, определяются соотношениями между характерными частотами плазменных процессов и частотой приложенного поля. Целесообразно рассмотреть три характерных случая:
Низкие частоты. При частотах внешнего поля до 10 2 - 10 3 Гц ситуация близка к реализуемой в постоянном электрическом поле. Однако если характерная частота гибели зарядов v d меньше частоты поля w(v d ?w), заряды после изменения знака поля успевают исчезнуть раньше, чем величина поля достигнет значения достаточного для поддержания разряда. Тогда разряд будет дважды гаснуть и поджигаться за период изменения поля. Напряжение повторного зажигания разряда должно зависеть от частоты. Чем выше частота, тем меньшая доля электронов успеет исчезнуть за время существования поля, недостаточного для поддержания разряда, тем ниже потенциал повторного зажигания. На низких частотах после пробоя соотношение между током и напряжением горения отвечает статической вольтамперной характеристике разряда (рис. 1, кривая 1). Параметры разряда “отслеживают” изменения напряжения.
Промежуточные частоты. При увеличении частоты, когда характерные частоты плазменных процессов соизмеримы и несколько меньше частоты поля (v d ?w), состояние разряда не успевает “следить” за изменением питающего напряжения. В динамической ВАХ разряда появляется гистерезис (рис. 1, кривая 2).
Высокие частоты. При выполнении условия < v d < Рис. 1. Вольтамперные характеристики периодических разрядов: 1-статическая ВАХ, 2 - ВАХ в переходной области частот, 3 - установившаяся динамическая ВАХ Существует множество видов электрических разрядов в газе в зависимости от характера приложенного поля (постоянное электрическое поле, переменное, импульсное, (ВЧ), сверх высоко частотные (СВЧ)), от давления газа, формы и расположения электродов и т. п. Для ВЧ-разрядов существуют следующие способы возбуждения: 1) емкостной при частотах менее 10 кГц, 2) индукционный при частотах в диапазоне 100 кГц - 100 Мгц. Данные способы возбуждения подразумевают использование генераторов данных диапазонов. При емкостном способе возбуждения электроды могут быть установлены внутри рабочей камеры или снаружи, если камера изготовлена из диэлектрика (рис.2 а,б). Для индукционного способа применяются специальные катушки, количество витков которых зависит от используемой частоты (рис.2 в). ВЧ индукционный разряд
Высокочастотны индукционный (безэлектродные) разряд в газах известно еще с конца прошлого столетия. Однако полностью понять его удалось не сразу. Индукционный разряд легко наблюдать, если внутрь соленоида, по которому течет достаточно сильный ток высокой частоты, поместить откачанный сосуд. Под действием вихревого электрического поля, которое индуцируется переменным магнитным потоком, в остаточном газе возникает пробой и зажигается разряд. На поддержание разряда (ионизации) затрачивается Джоулево тепло кольцевых индукционных токов, текущих в ионизованном газе вдоль силовых линий вихревого электрического поля (магнитные силовые линии внутри длинного соленоида параллельны оси; рис. 3). Рис.3 Схема полей в соленоиде Среди старых работ по безэлектродному разряду наиболее обстоятельные исследования принадлежат Дж.Томсону 2, который, в частности, экспериментально доказал индукционную природу разряда и вывел теоретические условия зажигания: зависимость порогового для пробоя магнитного поля от давления газа (и частоты). Подобно кривым Пашена для пробоя разрядного промежутка в постоянном электрическом поле кривые зажигания имеют минимум. Для практического диапазона частот (от десятых долей до десятков мегагерц) минимумы лежат в области низких давлений; поэтому разряд обычно и наблюдался только в сильно разреженных газах. Условия горения ВЧ - индукционного разряда
Индуктивный ВЧ-разряд -- это разряд, возбуждаемый током, текущим по индуктору, расположенному на боковой или торцевой поверхности, как правило, цилиндрического источника плазмы (рис. 4а, б). Центральным вопросом физики индуктивного разряда низкого давления является вопрос о механизмах и эффективности поглощения ВЧ-мощности плазмой. Известно , что при чисто индуктивном возбуждении ВЧ-разряда его эквивалентную схему можно представить в виде, изображенном на рис. 1г. ВЧ- генератор нагружен на трансформатор, первичная обмотка которого состоит из антенны, по которой течет ток, создаваемый генератором, а вторичной обмоткой является ток, индуцированный в плазме. Первичная и вторичная обмотки трансформатора связаны коэффициентом взаимной индукции М. Трансформаторную схему можно легко свести к схеме, представляющей собой последовательно соединенные активное сопротивление и индуктивность антенны, эквивалентные сопротивления и индуктивность плазмы (рис. 4д), так что мощность ВЧ-генератора P gen оказывается связанной с мощностью P an t выделяемой в антенне, и мощностью Р р1 , выделяемой в плазме, выражениями где I -- ток, текущий через антенну, P ant -- активное сопротивление антенны, R p 1 -- эквивалентное сопротивление плазмы. Из формул (1) и (2) видно, что когда нагрузка согласована с генератором, активная ВЧ-мощность Pgen, отдаваемая генератором во внешнюю цепь, распределяется между двумя каналами, а именно: одна часть мощности идет на нагрев антенны, а другая часть поглощается плазмой. Ранее в подавляющем числе работ a priori полагалось, что в условиях экспериментов R pl > R antvv (3) и свойства плазмы определяются мощностью ВЧ-гене- ратора, полностью поглощаемой плазмой. В середине 1990-х годов В. Годяк с сотрудниками убедительно показали , что в разрядах низких давлений соотношение (3) может нарушаться. Очевидно, что при условии R pi ? R ant (4) поведение индуктивного ВЧ-разряда кардинально меняется. Рис. 4
. Схемы (а, б) индуктивных источников плазмы и (в) индуктивного источника плазмы с емкостной компонентой, (г, д) эквивалентные схемы чисто индуктивного разряда. Теперь параметры плазмы зависят не только от мощности ВЧ-генератора, но и от эквивалентного сопротивления плазмы, которое, в свою очередь, зависит от параметров плазмы и условий ее поддержания. Это приводит к появлению новых эффектов, связанных с самосогласованным перераспределением мощности во внешней цепи разряда. Последнее может существенно сказываться на эффективности работы источников плазмы. Очевидно, что ключ к пониманию поведения разряда в режимах, соответствующих неравенству (4), а также к оптимизации работы плазменных устройств лежит в закономерностях изменения эквивалентного сопротивления плазмы при изменении параметров плазмы и условий поддержания разряда. Конструкция ВЧ - индукционного разряда
Основы для современных исследований и применений безэлектродных разрядов были заложены работами Г. И. Бабата, которые проводилисьперед самой войной на Ленинградском электроламповом заводе?Светлана?. Эти работы были опубликованы в 1942 г. 3 и стали широко известны за рубежом после публикации в Англии в 1947 г. 4. Бабат создал высокочастотные ламповые генераторы с мощностями порядка сотни киловатт, что позволило ему получать мощные безэлектродные разряды в воздухе при давлениях вплоть до атмосферного. Бабат работал в диапазонечастот 3--62 Мгц, индукторы состояли из нескольких витков диаметром порядка 10 см. В разряд высокого давления вводилась огромная по тому времени мощность до нескольких десятков киловатт (впрочем, такие величины являются высокими и для современных установок). ?Пробить? воздух или другой газ при атмосферном давлении, конечно, не удавалось даже при самых больших токах в индукторе, поэтому для зажигания разряда приходилось принимать специальные меры. Проще всего было возбуждать разряд при низком давлении, когда пробивные поля невелики, а затем постепенно повышать давление, доводя его до атмосферного. Бабат отмечал, что при протекании газа через разряд последний может быть погашен, если дутье слишком интенсивно. При больших давлениях был обнаружен эффект контрагирования, ф е. отрыва разряда от стенок разрядной камеры. В 50-х годах появилось несколько статей по безэлектродному разряду 5~7. Кабанн 5 исследовал разряды в инертных газах при низких давлениях от 0,05 до 100 мм рт. ст. и небольших мощностях до 1 кет на частотах 1--3 Мгц, определял кривые зажигания, калориметрическим методом измерял мощность, вводимую в разряд, с помощью зондов измерял электронные концентрации. Кривые зажигания во многих газах были также получены в 7. В работе 6 делалась попытка использовать разряд для ультрафиолетовой спектроскопии. Безэлектродная плазменная горелка, к которой очень близки нынешние установки, была сконструирована Ридом в 1960 г. 8. Схема и фотография ее показаны на рис. 2. Кварцевую трубку диаметром 2,6 см охватывал пятивитковый индуктор, сделанный из медной трубки с расстоянием между витками 0,78 см. Источником питания служил промышленный высокочастотный генератор с максимальной выходной мощностью 10 кет; рабочая частота 4 Мгц. Для поджигания разряда использовался подвижной графитовый стержень. Стержень, вдвинутый в индуктор, разогревается в высокочастотном поле и эмиттирует электроны. Нагревается и расширяется окружающий газ, и в нем происходит пробой. После зажигания стержень удаляется, а разряд продолжает гореть. Наиболее существенным моментом в этой установке было использо- вание тангенциальной подачи газа. Рид указывал, что образовавшаяся плазма должна достаточно быстро распространяться против потока газа, стремящегося ее снести. В противном случае разряд погаснет, как это происходит с нестабилизированными пламенами. При малых скоростях потока поддержание плазмы может обеспечивать обычная теплопроводность. (Роль теплопроводности в разрядах высокого давления отмечал и Кабанн 5).) Однако при больших скоростях подачи газа необходимо принимать меры для рециркуляции части плазмы. Удовлетворительным решением этой задачи явилась примененная Ридом вихревая стабилизация, при которой газ подается в трубку по касательной и протекает через нее, совершая винтовое движение. Вследствие центробежного разбегания газа в приосевой части трубки образуется столб пониженного давления. Осевого течения здесь почти нет, и часть плазмы засасывается вверх по потоку. Чем больше скорость подачи, тем выше против потока проникает светящаяся плазма. Кроме того, при таком способе подачи газ протекает вдоль трубки в основном у ее стенок, отжимает разряд от стенок и изолирует последние от разрушительного действия высоких температур, что дает возможность работать при повышенных мощностях. Эти качественные соображения, кратко высказанные Ридом, очень важны для понимания явлений, хотя они, быть может, и не вполне точно отображают существо дела. К вопросу о поддержании плазмы, который представляется самым серьезным при рассмотрении стационарного стабилизированного разряда в потоке газа, мы еще вернемся ниже, в гл. IV. Рид работал с аргоном и со смесями аргона с гелием, водородом, кислородом, воздухом. Он отмечал, что легче всего поддерживать разряд в чистом аргоне. Расходы аргона составляли 10--20 л/мин (средниепо сечению трубки скорости газа 30--40 см/сек) при введении в разряд мощностей 1,5--3 кет, составляющих примерно половину мощности, потребляемой генератором. Рид определял баланс энергии в плазмотроне и оптическим методом измерял пространственное распределение температуры в плазме. Он опубликовал еще несколько статей: о мощных индукционных разрядах при низких давлениях 9, об измерениях теплопередачи к зондам, внесенным в различные точки плазменного факела10, о выращивании кристаллов тугоплавких материалов с помощью индукционной горелки и. Индукционная плазменная горелка, похожая по своей конструкции на ридовскую, была несколько позднее описана в работах Ребу4 5 " 4 6.Ребу использовал ее для выращивания кристаллов и изготовления сферических частиц тугоплавких материалов. Начиная примерно с 1963 г., в нашей и зарубежной печати появляется много работ, посвященных экспериментальному исследованию индукционных разрядов высокого давления как в замкнутых сосудах, так и в потоке газа1 2-3 3 ЃE 4 0-4 4-5 3 ЃE 8 0. Измеряются пространственные распределения температуры в области разряда и в плазменном факеле, распределения электронных концентраций. Здесь, как правило, используются известные оптические, спектральные и зондовые методы, обычно применяемые при исследовании плазмы дуговых разрядов. Измеряются мощности, вкладываемые в разряд, при разных напряжениях на индукторе, разных расходах газа, различные зависимости параметров для разных газов, частот и т. д. Трудно установить какие-то единые зависимости, скажем, температуры плазмы от мощности, вкладываемой в разряд, так как все зависит от конкретных условий: диаметра трубки, геометрии индуктора, скорости подачи газа и т. д. Общим результатом многих работ является вывод о том, что при мощности порядка нескольких или десятка киловатт температура аргоновой плазмы достигает примерно 9000--10 000° К. Распределение температуры в основном имеет характер?плато? в середине трубки и резко спадает вблизи стенок, однако?плато? не совсем ровное, в центральной части получается небольшой провал величиной обычно в несколько сотен градусов. В других газах температуры также порядка 10 000°, в зависимости от рода газа и других условий. В воздухе температуры получаются более низкими, чем в аргоне при той же мощности, и, наоборот, для достижения тех же температур требуются в несколько раз большие мощности 31. Температура немного растет с ростом мощности и слабо зависит от расхода газа. На рис. 3 и 4 приведены для иллюстрации распределения температуры по радиусу, поле температур (изотермы), распределения электронных концентраций. Опыты27 показали, что при увеличении скорости подачи и расхода газа (при тангенциальной подаче) разряд все больше отжимается от стенок и радиус разряда изменяется примерно от 0,8 до 0,4 радиуса трубки. При увеличении расхода газа несколько уменьшается и вклады- ваемая в разряд мощность, что связано с уменьшением радиуса разряда, т. е. потока или расхода плазмы. При разрядах в замкнутых сосудах, без протока газа, светящаяся область разряда обычно очень близко подступает к боковым стенкам сосуда. Измерения электронных концентраций показали, что состояние плазмы при атмосферном давлении близко к. термодинамически равновесному. Измеренные концентрации и температуры с удовлетворительной точностью укладываются в уравнение Саха. Индукционный ВЧ - разряд
В настоящее время известны источники плазмы низкого давления, принцип действия которых основан на индуктивном ВЧ-разряде, в отсутствие магнитного поля, а также на индуктивном ВЧ-разряде, помещенном во внешнее магнитное поле с индукцией, соответствующей условиям электронного циклотронного резонанса (ЭЦР) и условиям возбуждения геликонов и волн Трайвелписа - Голда (ТГ) (далее называемых геликонными источниками). Известно, что в плазме индуктивного разряда ВЧ-электрические поля скинируются, т.е. нагрев электронов осуществляется в узком пристеночном слое. При приложении к плазме индуктивного ВЧ-разряда внешнего магнитного поля появляются области прозрачности, в которых ВЧ-поля проникают вглубь плазмы и нагрев электронов осуществляется во всем ее объеме. Этот эффект использован в источниках плазмы, принцип действия которых основан на ЭЦР. Такие источники работают главным образом в микроволновом диапазоне (2,45 ГГц) . Микроволновое излучение вводится, как правило, через кварцевое окно в цилиндрическую газоразрядную камеру, в которой с помощью магнитов формируется неоднородное магнитное поле. Магнитное поле характеризуется наличием одной или нескольких резонансных зон, в которых выполняются условия ЭЦР и происходит ввод ВЧ-мощности в плазму. В радиочастотном диапазоне ЭЦР используется в так называемых источниках плазмы с нейтральным контуром . Существенную роль в генерации плазмы и формировании структуры разряда играет нейтральный контур, представляющий собой непрерывную последовательность точек с нулевым магнитным полем. Замкнутый магнитный контур формируется с помощью трех электромагнитов. Токи в обмотках верхней и нижней катушек имеют одинаковое направление. Ток средней катушки течет в обратном направлении. ВЧ-индукционный разряд с нейтральным контуром характеризуется высокой плотностью плазмы (10 11 - 10 12 см~ 3) и низкой температурой электронов (1 -4 эВ). Индуктивный разряд без внешнего магнитного поля
В качестве независимой переменной по оси абсцисс отложена мощность P pi , поглощенная плазмой. Естественно предположить, что плотность плазмы п е пропорциональна P pi , однако следует отметить, что для различных источников плазмы коэффициенты пропорциональности между P pi и п е будут различаться. Как видно, общей тенденцией поведения эквивалентного сопротивления R pi является его возрастание в области относительно небольших значений вложенной мощности, а затем его насыщение. Напротив, в области высоких концентраций электронов, где преобладает бесстолкновительное поглощение, т.е. в области аномального скин-эффекта, зависимость R pl (n e) близка к полученной для сред с сильной пространственной дисперсией . В целом, немонотонность зависимости эквивалентного сопротивления от плотности плазмы объясняется конкуренцией двух факторов: с одной стороны, поглощение ВЧ-мощности возрастает с увеличением концентрации электронов, с другой стороны, глубина скин-слоя, определяющая ширину области поглощения ВЧ-мощности, убывает с увеличением п е. Теоретическая модель источника плазмы , возбуждаемого спиральной антенной, расположенной на его верхней торцевой поверхности, предсказывает отсутствие зависимости эквивалентного сопротивления плазмы от длины источника плазмы при условии, что глубина скин-слоя меньше, чем длина источника плазмы. Физически этот результат очевиден, так как поглощение ВЧ-мощности происходит в пределах скин-слоя. В условиях экспериментов глубина скин-слоя заведомо меньше длины источников плазмы, поэтому неудивительно, что эквивалентное сопротивление плазмы источников, оснащенных верхней торцевой антенной, не зависит от их длины. Напротив, в случае расположения антенны на боковой поверхности источников увеличение длины источника, сопровождающееся одновременным увеличением длины антенны, приводит к увеличению области, в которой происходит поглощение ВЧ-мощности, т.е. к удлинению скин-слоя, поэтому в случае боковой антенны эквивалентное сопротивление возрастает с увеличением длины источника. Эксперименты и расчеты показали, что при низких давлениях абсолютные значения эквивалентного сопротивления плазмы невелики. Увеличение давления рабочего газа приводит к существенному повышению эквивалентного сопротивления. Этот эффект многократно отмечался как в теоретических, так и в экспериментальных работах . Физическая причина увеличения способности плазмы поглощать ВЧ-мощность при возрастании давления лежит в механизме поглощения ВЧ-мощности. Как видно из рис. 5, при минимальном из рассмотренных давлений, р -- 0,1 мторр, преобладающим является черенковский механизм диссипации. Электрон-атомные столкновения практически не оказывают влияния на величину эквивалентного сопротивления, а электрон-ионные столкновения приводят лишь к незначительному повышению эквивалентного сопротивления при п е > 3 х 10 11 см-- 3 . Увеличение давления, т.е. частоты электрон-атомных столкновений, приводит к возрастанию эквивалентного сопротивления вследствие повышения роли столкновительного механизма поглощения ВЧ-мощности. Это видно из рис. 5, на котором показано отношение эквивалентного сопротивления, рассчитанного с учетом столкновительного и бесстол- кновительного механизмов поглощения, к эквивалентному сопротивлению, рассчитанному только с учетом столкновений. Рис.
5
.
Зависимость отношения эквивалентного сопротивления Rpi, рассчитанного с учетом столкновительного и бесстолкновительного механизмов поглощения, к эквивалентному сопротивлению Rpi, рассчитанному только с учетом столкновений, от плотности плазмы. Расчет выполнен для плоских дискообразных источников радиусом 10 см при давлении нейтрального газа 0,3 мторр (1), 1 мторр (2), 10 мторр (3), 100 мторр (7), 300 мторр (5). Индуктивный разряд с внешним магнитным полем
В экспериментах использовались источники плазмы, оснащенные спиральными антеннами, расположенными на боковой и торцевой поверхностях источников, а также антеннами Nagoya III. Для рабочей частоты 13,56 МГц область магнитных полей В « 0,4--1 мТл соответствует условиям ЭЦР, а область В > 1 мТл -- условиям возбуждения геликонов и волн Трайвелписа-Голда . При низких давлениях рабочего газа (р ^ 5 мторр) эквивалентное сопротивление плазмы без магнитного поля существенно меньше по величине, чем в "геликон- ной" области. Величины R pl , полученные для области ЭЦР, занимают промежуточное положение, причем здесь эквивалентное сопротивление монотонно увеличивается с возрастанием магнитного поля. Для "геликон- ной" области характерна немонотонная зависимость эквивалентного сопротивления от магнитного поля, причем немонотонность R pl (B) в случае торцевой спиральной антенны и антенны Nagoya III выражена значительно сильнее, чем в случае боковой спиральной антенны. Положение и количество локальных максимумов кривой ^pi(B) зависят от вложенной ВЧ-мощности, длины и радиуса источника плазмы, рода газа и его давления. Увеличение вкладываемой мощности, т.е. концентрации электронов п е, приводит к возрастанию эквивалентного сопротивления и смещению основного максимума функции ^pi(B) в область больших магнитных полей, а в ряде случаев и к появлению дополнительных локальных максимумов. Сходный эффект наблюдается и при увеличении длины источника плазмы . Возрастание давления в диапазоне 2-5 мторр, как видно из рис. 4б, не приводит к существенным изменениям характера зависимости ^ pl (B), однако при давлениях, превышающих 10 мторр, немонотонность зависимости эквивалентного сопротивления от магнитного поля исчезает, абсолютные значения эквивалентного сопротивления падают и становятся меньше значений, полученных без магнитного поля. Анализ физических механизмов поглощения ВЧ- мощности плазмой индуктивного разряда при условиях ЭЦР и условиях возбуждения геликонов и ТГ-волн проводился во многих теоретических работах . Аналитическое рассмотрение задачи о возбуждении геликонов и ТГ-волн в общем случае связано со значительными трудностями, так как необходимо описать две связанные между собой волны. Напомним, что геликон -- это быстрая поперечная волна, а ТГ-волна -- медленная продольная. Геликоны и ТГ-волны оказываются независимыми только в случае пространственно неограниченной плазмы, в которой они представляют собой собственные моды колебаний замагниченной плазмы. В случае ограниченного цилиндрического источника плазмы задачу удается решить лишь численно. Однако основные черты физического механизма поглощения ВЧ-мощности при В > 1 мТл можно проиллюстрировать с помощью развитого в геликонного приближения, описывающего процесс возбуждения волн в плазме при условии выполнения неравенств Область применения
высокочастотный горение магнитный плазма Плазменные реакторы и источники ионов, принцип действия которых основан на индуктивном ВЧ-разряде низкого давления, уже в течение нескольких десятилетий представляют собой важнейшую составляющую современных земных и космических технологий. Широкому распространению технических применений индуктивного ВЧ-разряда способствуют его основные достоинства возможность получения высокой концентрации электронов при относительно невысоком уровне ВЧ- мощности, отсутствие контакта плазмы с металлическими электродами, небольшая температура электронов, а следовательно, невысокий потенциал плазмы относительно стенок, ограничивающих разряд. Последнее помимо минимизации потерь мощности на стенках источника плазмы позволяет избежать повреждения поверхности образцов при их обработке в разряде ионами высоких энергий. Типичными примерами источников плазмы, работающих на индуктивном ВЧ-разряде без магнитного поля, являются плазменные реакторы, предназначенные для травления подложек , источники ионов, предназначенные для реализации земных ионно-пучковых технологий и работы в космосе в качестве двигателей коррекции орбиты космических аппаратов , источники света . Общей конструктивной особенностью перечисленных устройств является наличие газоразрядной камеры (ГРК), на внешней поверхности которой или внутри ее расположен индуктор или антенна. С помощью антенны, подключенной к высокочастотному генератору, в объем ГРК вводится ВЧ-мощность и зажигается безэлектродный разряд. Токи, текущие по антенне, индуцируют в плазме вихревое электрическое поле, которое нагревает электроны до энергий, необходимых для эффективной ионизации рабочего газа. Типичные плотности плазмы в плазменных реакторах составляют величину 10 11 - 3 х 10 12 см~ 3 , а в источниках ионов -- 3 х 10 10 - 3 х 10 11 см~ 3 . Характерное давление нейтрального газа в плазменных реакторах изменяется от 1 до 30 мторр, в источниках ионов составляет величину 0,1 мторр, в источниках света -- 0,1-10 торр. Плазменные реакторы и источники ионов, принцип действия которых основан на индуктивном ВЧ-разряде низкого давления, уже в течение нескольких десятилетий представляют собой важнейшую составляющую современных земных и космических технологий. Широкому распространению технических применений индуктивного ВЧ-разряда способствуют его основные достоинства -- возможность получения высокой концентрации электронов при относительно невысоком уровне ВЧ- мощности, отсутствие контакта плазмы с металлическими электродами, небольшая температура электронов, а следовательно, невысокий потенциал плазмы относительно стенок, ограничивающих разряд. Последнее помимо минимизации потерь мощности на стенках источника плазмы позволяет избежать повреждения поверхности образцов при их обработке в разряде ионами высоких энергий. Результаты, полученные в последние годы, как экспериментальные, так и теоретические, показывают, что параметры плазмы индуктивного ВЧ-разряда зависят от потерь мощности во внешней цепи и величин мощности, поступающей в разряд через индуктивный и емкостной каналы. Параметры плазмы, с одной стороны, определяются величинами поглощенной мощности, а с другой стороны, сами определяют как соотношение мощностей, поступающих в разные каналы, так и в конечном счете мощность, поглощаемую плазмой. Это обусловливает самосогласованный характер разряда. Наиболее ярко самосогласованность проявляется в сильной немонотонности зависимости параметров плазмы от магнитного поля и срывах разряда. Значительные потери мощности во внешней цепи и немонотонная зависимость способности плазмы поглощать ВЧ-мощность от плотности плазмы приводят к насыщению плотности плазмы при увеличении мощности ВЧ-генератора и появлению гистерезиса зависимости параметров плазмы от величины мощности ВЧ-генератора и внешнего магнитного поля. Наличие емкостной составляющей разряда обусловливает изменение доли мощности, вводимой в плазму через индуктивный канал. Это вызывает смещение положения перехода разряда из низкой моды в высокую в область меньших мощностей ВЧ-генератора. При переходе из низкой моды разряда в высокую наличие емкостной составляющей проявляется в более плавном изменении плотности плазмы с возрастанием мощности генератора и в исчезновении гистерезиса. Увеличение за счет вклада мощности через емкостной канал концентрации электронов до значений, превышающих величину, при которой эквивалентное сопротивление достигает максимума, приводит к уменьшению вклада ВЧ-мощности через индуктивный канал. Физически не оправдано сопоставление мод индуктивного ВЧ-разряда с низкой и высокой концентрациями электронов с емкостной и индуктивной модами, так как наличие одного канала ввода мощности в плазму приводит к изменению доли мощности, поступающей в плазму через другой канал. Уточнение картины физических процессов в индуктивном ВЧ-разряде низкого давления позволяет оптимизировать параметры плазменных устройств, работающих на его основе. Размещено на Allbest.ru Ионный газоразрядный электровакуумный прибор, предназначенный для стабилизации напряжения. Принцип действия стабилитрона тлеющего разряда. Основные физические закономерности. Область стабилизации напряжения. Работа параметрического стабилизатора. контрольная работа , добавлен 28.10.2011 Параметры частичных разрядов и определяющие их зависимости. Основы развития частичных разрядов, диагностика кабельных линий. Разработка аналитической схемы для оценки состояния кабельных линий на основе измерения характеристик частичных разрядов. дипломная работа , добавлен 05.07.2017 История развития импульсных лазерных систем. Механизм создания инверсии. Характерный признак тлеющего самоподдерживающегося разряда с холодным катодом. Системы газоразрядной предионизации. Основные элементы импульсного лазера и области его применения. курсовая работа , добавлен 20.03.2016 Увеличение общего количества разрядов при возрастании кратности исправляемой ошибки. Изменение среднего числа искаженных разрядов при линейном изменении квадратического отклонения. Определение частоты потери сообщений. Построение графика функции. лабораторная работа , добавлен 01.12.2014 Виды высокочастотных конденсаторов. Удельная емкость. Применение конденсаторов большой номинальной емкости. Воздушные конденсаторы переменной емкости. Полупеременные конденсаторы. Конденсаторы специального назначения. Конденсаторы интегральных микросхем. реферат , добавлен 09.01.2009 Характеристика электромеханических приборов для измерения постоянного, переменного тока и напряжения. Их конструкция, принцип действия, область применения, достоинства и недостатки. Определение и классификация электронных вольтметров, схемы приборов. курсовая работа , добавлен 26.03.2010 Характеристика и область применения сигналов в системах цифровой обработки. Специализированный процессор цифровой обработки сигналов СПФ СМ: разработчики и история, структура и характеристики, область применения, алгоритмы и программное обеспечение. курсовая работа , добавлен 06.12.2010 Тензорезистивный датчик давления. Схема тарировки датчика. Проверка влияния электромагнитной помехи на показания устройства. Принципиальная схема зажигания разряда. Уравнение зависимости давления от напряжения на датчике. влияние разряда на показания. курсовая работа , добавлен 29.12.2012 Основные типы кабелей сельских телефонных сетей, область их применения, допустимые температуры эксплуатации и прокладки. Технические требования к конструктивным размерам одночетверочных высокочастотных кабелей сельской связи, электрические характеристики. реферат , добавлен 30.08.2009 Основные параметры и принципы переключения. Схемы подключения ключей. Механические и электронные высокочастотные переключатели. Полевые транзисторы с МОП структурой затвора и монолитные СВЧ интегральные схемы. Исполнительные механизмы микросистем. Изобретение относится к электротехнике и направлено на увеличение срока службы ВЧИ-плазмотронов и повышение их теплового КПД. Поставленная задача решается тем, что ВЧИ-плазмотрон содержит цилиндрическую разрядную камеру, выполненную в виде водоохлаждаемых продольных профилированных металлических секций, размещенных в защитном диэлектрическом кожухе, охватывающий кожух индуктор, установленные внутри разрядной камеры в ее торцевой части узлы ввода основного и термозащитного газов. Узел ввода термозащитного газа выполнен в виде одного или более коаксиальных кольцевых рядов продольных металлических трубок с количеством в каждом ряду, равным количеству продольных профилированных металлических секций. Трубки со стороны индуктора имеют профилированный зазор для выхода газа, а также продольный зазор относительно соседних трубок в ряду до расстояния не менее одного внутреннего диаметра разрядной камеры, считая от ближайшего витка индуктора. Трубки соединены по боковой поверхности пайкой или сваркой с радиально расположенными продольными металлическими трубками соседнего коаксиального кольцевого ряда, причем продольные металлические трубки ряда, ближайшего к продольным профилированным металлическим секциям, соединены по боковой поверхности со смежной секцией пайкой или сваркой. Узел ввода основного газа со стороны индуктора снабжен диафрагмой, расположенной на расстоянии не менее одного внутреннего диаметра разрядной камеры от ближайшего витка индуктора и имеющей, по крайней мере, одно отверстие для прохода газа. Торцы продольных металлических трубок для выхода газа в каждом ряду расположены вне зоны индуктора и равноудалены от его ближайшего витка, а расстояние торцов продольных металлических трубок для выхода газа от ближайшего витка индуктора увеличивается с удалением коаксиального кольцевого ряда от продольных профилированных металлических секций. Продольные металлические трубки расположены на поверхности соседних, радиально расположенных продольных металлических трубок, причем продольные металлические трубки коаксиального кольцевого ряда, ближайшего к продольным профилированным металлическим секциям, расположены на поверхности смежных секций. Диафрагма со стороны индуктора образует кольцевой зазор для прохода газа с продольными металлическими трубками ближайшего коаксиального кольцевого ряда, а высота кольцевого зазора для прохода газа выполнена меньше высоты профилированного зазора для выхода газа продольных металлических трубок ближайшего коаксиального кольцевого ряда. Использование предлагаемой конструкции ВЧИ-плазмотрона в качестве генератора низкотемпературной плазмы в струйно-плазменных процессах обработки дисперсных материалов позволило создать эффективные плазменные реакторные устройства для вскрытия тонкоизмельченного рудного сырья, сфероидизации дисперсных материалов и получения высокодисперсных порошков оксидов за счет генерирования незакрученных плазменных струй при тепловом КПД ВЧИ-плазмотронов более 80%. 15 з.п. ф-лы, 5 ил. Основной особенностью индукционного нагрева является превращение электрической энергии в тепло с помощью переменного магнитного потока, т. е. индуктивным путем. Если по цилиндрической спиральной катушке (индуктору) пропускать переменный электрический ток I, то вокруг катушки образуется переменное магнитное поле Ф м, как это показано на рис. 1-17, в. Наибольшую плотность магнитный поток имеет внутри катушки. При размещении в полости индуктора металлического проводника в материале возникает электродвижущая сила, мгновенное значение которой равно: Под влиянием э.д.с. в металле, помещенном в быстропеременное магнитное поле, возникает электрический ток, величина которого зависит в первую очередь от величины магнитного потока, пересекающего-контур нагреваемого материала, и частоты тока f, образующего магнитный поток. Выделение тепла при индукционном нагреве происходит непосредственно в объеме нагреваемого материала, причем большая часть тепла выделяется в поверхностных слоях нагреваемой детали (поверхностный эффект). Толщина слоя, в котором происходит наиболее активное выделение тепла, равна: где ρ - удельное сопротивление, ом*см; μ - относительная магнитная проницаемость материала; f - частота, гц. Из приведенной формулы видно, что толщина активного слоя (глубина проникновения) уменьшается для данного металла с увеличением частоты. Выбор частоты зависит главным образом от технологических требований. Например, при плавке металлов потребуется частота 50 - 2500 Гц, при нагреве - до 10000 Гц, при поверхностной закалке - 30000 Гц и более. При плавке чугуна применяется промышленная частота (50 Гц), что позволяет увеличить общий к.п.д. установки, так как исключаются потери энергии на преобразование частоты. Индукционный нагрев является скоростным, так как тепло выделяется непосредственно в толще нагреваемого металла, что позволяет производить плавку металла в индукционных электропечах в 2-3 раза быстрее, чем в отражательных пламенных. Нагрев с помощью токов высокой частоты можно производить в любой атмосфере; индукционные термические установки не требуют времени для разогрева и легко встраиваются в автоматические и поточные линии. С помощью индукционного нагрева можно достигать температур до 3000 °С и более. Благодаря своим преимуществам высокочастотный нагрев широко применяется в металлургической, машиностроительной и металлообрабатывающей промышленности, где используется для плавления металла, при термической обработке деталей, нагреве под штамповку и т. д. ПРИНЦИП РАБОТЫ ИНДУКЦИОННЫХ ПЕЧЕЙ. ПРИНЦИП ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА
Принцип индукционного нагрева заключается в преобразовании энергии электромагнитного поля, поглощаемой электропроводным нагреваемым объектом, в тепловую энергию. В установках индукционного нагрева электромагнитное поле создают индуктором, представляющим собой многовитковую цилиндрическую катушку (соленоид). Через индуктор пропускают переменный электрический ток, в результате чего вокруг индуктора возникает изменяющееся во времени переменное магнитное поле. Это - первое превращение энергии электромагнитного поля, описываемое первым уравнением Максвелла. Нагреваемый объект помещают внутрь индуктора или рядом с ним. Изменяющийся (во времени) поток вектора магнитной индукции, созданной индуктором, пронизывает нагреваемый объект и индуктирует электрическое поле. Электрические линии этого поля расположены в плоскости, перпендикулярной направлению магнитного потока, и замкнуты, т. е. электрическое поле в нагреваемом объекте носит вихревой характер. Под действием электрического поля, согласно закону Ома, возникают токи проводимости (вихревые токи). Это - второе превращение энергии электромагнитного поля, описываемое вторым уравнением Максвелла. В нагреваемом объекте энергия индуктированного переменного электрического поля необратимо переходит в тепловую. Такое тепловое рассеивание энергии, следствием чего является нагрев объекта, определяется существованием токов проводимости (вихревых токов). Это - третье превращение энергии электромагнитного поля, причем энергетическое соотношение этого превращения описывается законом Ленца-Джоуля. Описанные превращения энергии электромагнитного поля дают возможность: На величину напряженности электрического поля в нагреваемом объекте оказывают влияние два фактора: величина магнитного потока, т. е. число магнитных силовых линий, пронизывающих объект (или сцепленных с нагреваемым объектом), и частота питающего тока, т. е. частота изменений (во времени) магнитного потока, сцепленного с нагреваемым объектом. Это дает возможность выполнить два типа установок индукционного нагрева, которые различаются и по конструкции и по эксплуатационным свойствам: индукционные установки с сердечником и без сердечника. По технологическому назначению установки индукционного нагрева подразделяют на плавильные печи для плавки металлов и нагревательные установки для термической обработки (закалки, отпуска), для сквозного нагрева заготовок перед пластической деформацией (ковкой, штамповкой), для сварки, пайки и наплавки, для химико-термической обработки изделий и т. д. По частоте изменения тока, питающего установку индукционного нагрева, различают: Индукционный нагрев (Induction Heating) - метод бесконтактного нагрева токами высокой частоты (англ. RFH - radio-frequency heating, нагрев волнами радиочастотного диапазона) электропроводящих материалов. Описание метода. Индукционный нагрев - это нагревание материалов электрическими токами, которые индуцируются переменным магнитным полем. Следовательно - это нагрев изделий из проводящих материалов (проводников) магнитным полем индукторов (источников переменного магнитного поля). Индукционный нагрев проводится следующим образом. Электропроводящая (металлическая, графитовая) заготовка помещается в так называемый индуктор, представляющий собой один или несколько витков провода (чаще всего медного). В индукторе с помощью специального генератора наводятся мощные токи различной частоты (от десятка Гц до нескольких МГц), в результате чего вокруг индуктора возникает электромагнитное поле. Электромагнитное поле наводит в заготовке вихревые токи. Вихревые токи разогревают заготовку под действием джоулева тепла (см. закон Джоуля-Ленца). Система «индуктор-заготовка» представляет собой бессердечниковый трансформатор, в котором индуктор является первичной обмоткой. Заготовка является вторичной обмоткой, замкнутой накоротко. Магнитный поток между обмотками замыкается по воздуху. На высокой частоте вихревые токи вытесняются образованным ими же магнитным полем в тонкие поверхностные слои заготовки Δ (Поверхностный-эффект), в результате чего их плотность резко возрастает, и заготовка разогревается. Нижерасположенные слои металла прогреваются за счёт теплопроводности. Важен не ток, а большая плотность тока. В скин-слое Δ плотность тока уменьшается в e раз относительно плотности тока на поверхности заготовки, при этом в скин-слое выделяется 86,4 % тепла (от общего тепловыделения. Глубина скин-слоя зависит от частоты излучения: чем выше частота, тем тоньше скин-слой. Также она зависит от относительной магнитной проницаемости μ материала заготовки. Для железа, кобальта, никеля и магнитных сплавов при температуре ниже точки Кюри μ имеет величину от нескольких сотен до десятков тысяч. Для остальных материалов (расплавы, цветные металлы, жидкие легкоплавкие эвтектики, графит, электролиты, электропроводящая керамика и т. д.) μ примерно равна единице. Например, при частоте 2 МГц глубина скин-слоя для меди около 0,25 мм, для железа ≈ 0,001 мм. Индуктор сильно нагревается во время работы, так как сам поглощает собственное излучение. К тому же он поглощает тепловое излучение от раскалённой заготовки. Делают индукторы из медных трубок, охлаждаемых водой. Вода подаётся отсасыванием - этим обеспечивается безопасность в случае прожога или иной разгерметизации индуктора. Применение: Преимущества. Высокоскоростной разогрев или плавление любого электропроводящего материала. Возможен нагрев в атмосфере защитного газа, в окислительной (или восстановительной) среде, в непроводящей жидкости, в вакууме. Нагрев через стенки защитной камеры, изготовленной из стекла, цемента, пластмасс, дерева - эти материалы очень слабо поглощают электромагнитное излучение и остаются холодными при работе установки. Нагревается только электропроводящий материал - металл (в том числе расплавленный), углерод, проводящая керамика, электролиты, жидкие металлы и т. п. За счёт возникающих МГД усилий происходит интенсивное перемешивание жидкого металла, вплоть до удержания его в подвешенном состоянии в воздухе или защитном газе - так получают сверхчистые сплавы в небольших количествах (левитационная плавка, плавка в электромагнитном тигле). Поскольку разогрев ведётся посредством электромагнитного излучения, отсутствует загрязнение заготовки продуктами горения факела в случае газопламенного нагрева, или материалом электрода в случае дугового нагрева. Помещение образцов в атмосферу инертного газа и высокая скорость нагрева позволят ликвидировать окалинообразование. Удобство эксплуатации за счёт небольшого размера индуктора. Индуктор можно изготовить особой формы - это позволит равномерно прогревать по всей поверхности детали сложной конфигурации, не приводя к их короблению или локальному непрогреву. Легко провести местный и избирательный нагрев. Так как наиболее интенсивно разогрев идет в тонких верхних слоях заготовки, а нижележащие слои прогреваются более мягко за счёт теплопроводности, метод является идеальным для проведения поверхностной закалки деталей (сердцевина при этом остаётся вязкой). Лёгкая автоматизация оборудования - циклов нагрева и охлаждения, регулировка и удерживание температуры, подача и съём заготовок. Установки индукционного нагрева: На установках с рабочей частотой до 300 кГц используют инверторы на IGBT-сборках или MOSFET-транзисторах. Такие установки предназначены для разогрева крупных деталей. Для разогрева мелких деталей используются высокие частоты (до 5 МГц, диапазон средних и коротких волн), установки высокой частоты строятся на электронных лампах. Также для разогрева мелких деталей строятся установки повышенной частоты на MOSFET-транзисторах на рабочие частоты до 1,7 МГц. Управление транзисторами и их защита на повышенных частотах представляет определённые трудности, поэтому установки повышенной частоты пока ещё достаточно дороги. Индуктор для нагрева мелких деталей имеет небольшие размеры и небольшую индуктивность, что приводит к уменьшению добротности рабочего колебательного контура на низких частотах и снижению КПД, а также представляет опасность для задающего генератора (добротность колебательного контура пропорциональна L/C, колебательный контур с низкой добротностью слишком хорошо «накачивается» энергией, образует короткое замыкание по индуктору и выводит из строя задающий генератор). Для повышения добротности колебательного контура используют два пути: Так как наиболее эффективно индуктор работает на высоких частотах, промышленное применение индукционный нагрев получил после разработки и начала производства мощных генераторных ламп. До первой мировой войны индукционный нагрев имел ограниченное применение. В качестве генераторов тогда использовали машинные генераторы повышенной частоты (работы В. П. Вологдина) или искровые разрядные установки. Схема генератора может быть в принципе любой (мультивибратор, RC-генератор, генератор с независимым возбуждением, различные релаксационные генераторы), работающей на нагрузку в виде катушки-индуктора и обладающей достаточной мощностью. Необходимо также, чтобы частота колебаний была достаточно высока. Например, чтобы «перерезать» за несколько секунд стальную проволоку диаметром 4 мм, необходима колебательная мощность не менее 2 кВт при частоте не менее 300 кГц. Выбирают схему по следующим критериям: надёжность; стабильность колебаний; стабильность выделяемой в заготовке мощности; простота изготовления; удобство настройки; минимальное количество деталей для уменьшения стоимости; применение деталей, в сумме дающих уменьшение массы и габаритов, и др. На протяжении многих десятилетий в качестве генератора высокочастотных колебаний применялась индуктивная трёхточка (генератор Хартли, генератор с автотрансформаторной обратной связью, схема на индуктивном делителе контурного напряжения). Это самовозбуждающаяся схема параллельного питания анода и частотно-избирательной цепью, выполненной на колебательном контуре. Она успешно использовалась и продолжает использоваться в лабораториях, ювелирных мастерских, на промышленных предприятиях, а также в любительской практике. К примеру, во время второй мировой войны на таких установках проводили поверхностную закалку катков танка Т-34. Недостатки трёх точки: Низкий кпд (менее 40 % при применении лампы). Сильное отклонение частоты в момент нагрева заготовок из магнитных материалов выше точки Кюри (≈700С) (изменяется μ), что изменяет глубину скин-слоя и непредсказуемо изменяет режим термообработки. При термообработке ответственных деталей это может быть недопустимо. Также мощные твч-установки должны работать в узком диапазоне разрешённых Россвязьохранкультурой частот, поскольку при плохом экранировании являются фактически радиопередатчиками и могут оказывать помехи телерадиовещанию, береговым и спасательным службам. При смене заготовок (например, более мелкой на более крупную) изменяется индуктивность системы индуктор-заготовка, что также приводит к изменению частоты и глубины скин-слоя. При смене одновитковых индукторов на многовитковые, на более крупные или более малогабаритные частота также изменяется. Под руководством Бабата, Лозинского и других учёных были разработаны двух- и трёхконтурные схемы генераторов, имеющих более высокий кпд (до 70 %), а также лучше удерживающие рабочую частоту. Принцип их действия состоит в следующем. За счёт применения связанных контуров и ослабления связи между ними, изменение индуктивности рабочего контура не влечёт сильного изменения частоты частотозадающего контура. По такому же принципу конструируются радиопередатчики. Современные твч-генераторы - это инверторы на IGBT-сборках или мощных MOSFET-транзисторах, обычно выполненные по схеме мост или полумост. Работают на частотах до 500 кГц. Затворы транзисторов открываются с помощью микроконтроллерной системы управления. Система управления в зависимости от поставленной задачи позволяет автоматически удерживать А) постоянную частоту Например, при нагреве магнитного материала выше точки Кюри толщина скин-слоя резко увеличивается, плотность тока падает, и заготовка начинает греться хуже. Также пропадают магнитные свойства материала и прекращается процесс перемагничивания - заготовка начинает греться хуже, сопротивление нагрузки скачкообразно уменьшается - это может привести к "разносу" генератора и выходу его из строя. Система управления отслеживает переход через точку Кюри и автоматически повышает частоту при скачкообразном уменьшении нагрузки (либо уменьшает мощность). Замечания. Индуктор по возможности необходимо располагать как можно ближе к заготовке. Это не только увеличивает плотность электромагнитного поля вблизи заготовки (пропорционально квадрату расстояния), но и увеличивает коэффициент мощности Cos(φ). Увеличение частоты резко уменьшает коэффициент мощности (пропорционально кубу частоты). При нагреве магнитных материалов дополнительное тепло также выделяется за счет перемагничивания, их нагрев до точки Кюри идет намного эффективнее. При расчёте индуктора необходимо учитывать индуктивность подводящих к индуктору шин, которая может быть намного больше индуктивности самого индуктора (если индуктор выполнен в виде одного витка небольшого диаметра или даже части витка - дуги). Имеются два случая резонанса в колебательных контурах: резонанс напряжений и резонанс токов. В идеальном случае полное сопротивление контура равно бесконечности - схема не потребляет тока от источника. При изменение частоты генератора в любую сторону от резонансной частоты полное сопротивление контура уменьшается и линейный ток (I общ) возрастает. Последовательный колебательный контур – резонанс напряжений. Главной чертой последовательного резонансного контура является то, что его полное сопротивление минимально при резонансе. (ZL + ZC – минимум). При настройке частоты на величину, превышающую или лежащую ниже резонансной частоты, полное сопротивление возрастает. Статья взята с сайта http://dic.academic.ru/ и переработана в более понятный для читателя текст, компанией ООО «Проминдуктор». И устройствах тепло в нагреваемом приборе выделяется токами, возникающими в переменном электромагнитном поле внутри агрегата. Называются они индукционными. В результате их действия происходит повышение температуры. Индукционный нагрев металлов основывается на двух главных физических законах: В металлических телах при их помещении в переменное поле начинают возникать вихревые электрические поля. Все происходит следующим образом. Под действием переменного изменяется электродвижущая сила (ЭДС) индукции. ЭДС действует так, что внутри тел протекают вихревые токи, которые и выделяют теплоту в полном соответствии с законом Джоуля-Ленца. Также ЭДС генерирует переменный ток в металле. При этом происходит выделение тепловой энергии, что и приводит к повышению температуры металла. Этот вид нагрева самый простой, так как является бесконтактным. Он позволяет достигать очень высоких температур, при которых можно обрабатывать Чтобы обеспечить индукционный нагрев, требуется создать в электромагнитных полях определенное напряжение и частоту. Сделать это можно в специальном приборе - индукторе. Питание его производится от промышленной сети в 50 Гц. Можно для этого использовать индивидуальные источники питания - преобразователи и генераторы. Самое простое устройство индуктора небольшой частоты - спираль (проводник изолированный), который может быть помещен внутрь металлической трубы или намотан на нее. Проходящие токи нагревают трубу, которая, в свою очередь, передает тепло в окружающую среду. Применение индукционного нагрева на малых частотах - достаточно редко. Более распространена обработка металлов на средней и высокой частоте. Такие устройства отличаются тем, что магнитная волна попадает на поверхность, где происходит ее затухание. Тело преобразует энергию этой волны в тепло. Для достижения максимального эффекта обе составляющие должны быть близки по форме. Применение индукционного нагрева в современном мире широко распространено. Область использования: У такого способа немало преимуществ: Система имеет такие минусы: Для обустройства индивидуального отопления можно рассмотреть такой вариант, как индукционный нагрев. В качестве агрегата пойдет трансформатор, состоящий из обмоток двух видов: первичной и вторичной (которая, в свою очередь, коротко замкнута). Принцип работы обычного индуктора: вихревые потоки проходят внутри и направляют электрическое поле на второй корпус. Чтобы через такой котел проходила вода, к нему подводят два патрубка: для холодной, что поступает, и на выходе теплой воды - второй патрубок. За счет давления вода постоянно циркулирует, что исключает возможность нагрева элемента индуктора. Наличие накипи здесь исключено, так как в индукторе происходят постоянные вибрации. Такой элемент в обслуживании будет недорогим. Главный плюс в том, что прибор работает бесшумно. Устанавливать его можно в любом помещении. Установка индукционного нагрева большой сложности не составит. Даже тот, кто не имеет опыта, после тщательного изучения справится с поставленной задачей. Перед началом работы нужно запастись следующими необходимыми элементами: Для того чтобы установка индукционного нагрева работала правильно, ток для такого изделия должен соответствовать мощности (составлять он должен не меньше 15 ампер, если требуется, то можно больше). Таким образом, расчет индукционного нагрева будет зависеть от следующих параметров: длина, диаметр, температура и время обработки. Обращайте внимание и на индуктивность подводящих к индуктору шин, которая может быть намного больше показателей самого индуктора. Еще одно применение в домашнем обиходе, кроме системы отопления, данный вид нагрева нашел в варочных панелях плит. Такая поверхность имеет вид обычного трансформатора. Катушка его спрятана под поверхность панели, которая может быть стеклянной или керамической. По ней проходит ток. Это первая часть катушки. А вот второй является та посуда, в которой будет проходить приготовление пищи. На дне посуды создаются вихревые токи. Они и нагревают сначала посуду, а затем продукты в ней. Тепло будет выделяться только тогда, когда на поверхность панели поставят посуду. Если она отсутствует, никакого действия не происходит. Индукционная зона нагрева будет соответствовать диаметру поставленной на нее посуды. Для таких плит нужна специальная посуда. Большинство ферромагнитных металлов могут взамодействовать с индукционным полем: алюминий, нержавеющая и эмалированная сталь, чугун. Не подходят для таких поверхностей только: медная, керамическая, стеклянная и изготовленная из неферромагнитных металлов посуда. Естественно, что включится только тогда, когда подходящая посуда будет на ней установлена. Современные плиты снабжены электронным блоком управления, что позволяет распознавать пустую и непригодную для применения посуду. Основными преимуществами варочных являются: безопасность, легкость уборки, быстрота, эффективность, экономичность. Об поверхность панели никогда нельзя обжечься. Итак, мы выяснили, где используется данный тип нагрева (индукционный).Подобные документы
1) передать электрическую энергию индуктора в нагреваемый объект, не прибегая к контактам (в отличие от печей сопротивления)
2) выделить тепло непосредственно в нагреваемом объекте (так называемая «печь с внутренним источником нагрева» по терминологии проф. Н. В. Окорокова), в результате чего использование тепловой энергии оказывается наиболее совершенным и скорость нагрева значительно увеличивается (по сравнению с так называемыми "печами с внешним источником нагрева").
1) установки промышленной частоты (50 Гц), питающиеся от сети непосредственно или через понижающие трансформаторы;
2) установки повышенной частоты (500-10000 Гц), получающие питание от электромашинных или полупроводниковых преобразователей частоты;
3) высокочастотные установки (66 000-440 000 Гц и выше), питающиеся от ламповых электронных генераторов.
Сверхчистая бесконтактная плавка, пайка и сварка металла.
Получение опытных образцов сплавов.
Гибка и термообработка деталей машин.
Ювелирное дело.
Обработка мелких деталей, которые могут повредиться при газопламенном или дуговом нагреве.
Поверхностная закалка.
Закалка и термообработка деталей сложной формы.
Обеззараживание медицинского инструмента.
- повышение рабочей частоты, что приводит к усложнению и удорожанию установки;
- применение ферромагнитных вставок в индукторе; обклеивание индуктора панельками из ферромагнитного материала.
б) постоянную мощность, выделяемую в заготовке
в) максимально высокий КПД.
Параллельный колебательный контур – резонанс токов.
В этом случае на катушке и на конденсаторе напряжение такое же, как у генератора. При резонансе, сопротивление контура между точками разветвления становится максимальным, а ток (I общ) через сопротивление нагрузки Rн будет минимальным (ток внутри контура I-1л и I-2с больше чем ток генератора).
Вывод:
В параллельном контуре при резонансе ток через выводы контура равен 0, а напряжение максимально.
В последовательном контуре наоборот - напряжение стремится к нулю, а ток максимален.Устройство индукционного нагрева
Где используются
Индукционный нагрев: положительные характеристики
Недостатки
Отопление индукционным оборудованием
Как работает
Изготовление оборудования самостоятельно
Правила изготовления оборудования самостоятельно
Про варочные поверхности
