Патент на полезную модель Республики Беларусь

1. ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(19) BY (11) 7416
(13) U
(46) 2011.08.30
(51) МПК
H 05H 1/26
B 23K 10/00
(2006.01)
(2006.01)
(54) ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ПЛАЗМОТРОН
(21) Номер заявки: u 20101040
(22) 2010.12.16
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Институт порошковой
металлургии" (BY)
(72) Авторы: Минько Дмитрий Вацлавович;
Кузнечик Олег Ольгердович (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное на-
учное учреждение "Институт порошко-
вой металлургии" (BY)
(57)
1. Импульсно-периодический плазмотрон, содержащий импульсно-периодический
блок питания и разрядное устройство, включающее последовательно расположенные
ускорительный канал в виде коаксиально расположенных электродов анода и катода, ко-
торые подключены к импульсно-периодическому блоку питания, и блок генерации и вво-
да плазмы в виде установленного в глухом торце ускорительного канала диска с
размещенными по периметру плазмотронами непрерывного действия, выходные отвер-
стия которых направлены в межэлектродный промежуток ускорительного канала, отли-
чающийся тем, что торцы анода и катода со стороны блока генерации и ввода плазмы
выполнены в виде последовательно расположенных фланцев, разделенных диэлектриче-
ским кольцом, причем толщина диэлектрического кольца должна быть больше, чем ми-
нимальная величина межэлектродного промежутка ускорительного канала, во фланце
катода выполнены сквозные отверстия, количество и расположение которых соответству-
ет количеству и расположению плазмотронов непрерывного действия, а плазмотроны не-
прерывного действия установлены с возможностью изменения направления осей
выходных отверстий относительно оси ускорительного канала.
Фиг. 1
BY7416U2011.08.30

2. BY 7416 U 2011.08.30
2
2. Импульсно-периодический плазмотрон по п. 1, отличающийся тем, что анод и ка-
тод выполнены полыми с возможностью подачи в полости охлаждающей субстанции.
3. Импульсно-периодический плазмотрон по п. 1, отличающийся тем, что диэлектри-
ческое кольцо выполнено из высокотемпературного теплостойкого материала, например
высокотемпературной керамики.
(56)
1. Патент РБ 3691 на полезную модель, МПК H 05H 1/26, B 23K 10/00, 2007.
2. Патент РБ 6818 на изобретение, МПК H 05H 1/26, B 23K 10/00, 2005 (прототип).
Данная полезная модель относится к области физики и техники плазмотронов и уско-
рителей плазмы и может быть использована при разработке источников высокоинтенсив-
ных плазменных потоков для модификации свойств поверхности материалов и покрытий.
Известен импульсно-периодический плазмотрон [1], содержащий импульсно-
периодический блок питания и разрядное устройство, включающее последовательно рас-
положенные ускорительный канал в виде коаксиально расположенных электродов анода и
катода цилиндрической или конической формы, которые подключены к блоку питания, и
блок генерации и ввода плазмы, выполненный в виде установленного в глухом торце
ускорительного канала плазмотрона непрерывного действия, выходное отверстие которо-
го соединено с ускорительным каналом расширяющимся соплом с рассекателем.
Недостатками данного устройства являются высокие потери энергии на входе и неста-
бильность энергетических характеристик на выходе, вызванные неоднородностью распре-
деления плазменной струи, генерируемой единственным плазмотроном непрерывного
действия, по сечению межэлектродного промежутка, связанные с применением сопла с
рассекателем.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является им-
пульсно-периодический плазмотрон [2], содержащий импульсно-периодический блок
питания и разрядное устройство, включающее последовательно расположенные ускори-
тельный канал в виде коаксиально расположенных электродов анода и катода, которые
подключены к импульсно-периодическому блоку питания, и блок генерации и ввода
плазмы в виде установленного в глухом торце ускорительного канала диска с размещен-
ными по периметру плазмотронами непрерывного действия, выходные отверстия которых
направлены в межэлектродный промежуток ускорительного канала.
Известный импульсно-периодический плазмотрон работает следующим образом. Ге-
нерируемые блоком плазмотронов непрерывного действия плазменные струи заполняют
межэлектродный промежуток ускорительного канала, создавая области плазмы понижен-
ной плотности. На катод и анод разрядного устройства подается высокое импульсно-
периодическое напряжение, вызывающее периодический пробой межэлектродного про-
межутка ускорительного канала в наиболее узком месте и ускорение образующегося
плазменного сгустка вдоль оси ускорительного канала. При импульсных напряжениях 3-
5 кВ температура плазменного потока достигает 15000-20000 К при скорости его истече-
ния ~ 106
см/с. Устройство может работать при нормальном атмосферном давлении с ча-
стотой до 100 Гц.
Недостатками известного устройства являются недостаточные симметричность и од-
нородность высоковольтного разряда в межэлектродном промежутке ускорительного ка-
нала, вызванные неоднородностью плазменных струй, генерируемых плазмотронами
непрерывного действия. Это приводит к неравномерному распределению ускоряемого
плазменного сгустка по сечению ускорительного канала и нестабильности его энергетиче-
ских характеристик на выходе, что препятствует равномерной модификации свойств по-
верхности материалов и покрытий.

3. BY 7416 U 2011.08.30
3
Задачей данной полезной модели является обеспечение симметричности и однородно-
сти высоковольтного разряда в межэлектродном промежутке ускорительного канала, что
улучшит воспроизводимость работы плазмотрона, увеличит энергию плазменного потока
и стабильность его энергетических характеристик на выходе, что обеспечит равномерную
модификацию свойств поверхности материалов и покрытий.
Технический результат достигается тем, что в импульсно-периодическом плазмот-
роне, содержащем импульсно-периодический блок питания и разрядное устройство,
включающее последовательно расположенные ускорительный канал в виде коаксиально
расположенных электродов анода и катода, которые подключены к импульсно-
периодическому блоку питания, и блок генерации и ввода плазмы в виде установленного в
глухом торце ускорительного канала диска с размещенными по периметру плазмотронами
непрерывного действия, выходные отверстия которых направлены в межэлектродный
промежуток ускорительного канала, торцы анода и катода со стороны блока генерации и
ввода плазмы выполнены в виде последовательно расположенных фланцев, разделенных
диэлектрическим кольцом, причем толщина диэлектрического кольца должна быть боль-
ше, чем минимальная величина межэлектродного зазора ускорительного канала, во флан-
це катода выполнены сквозные отверстия, количество и расположение которых
соответствует количеству и расположению плазмотронов непрерывного действия, а плаз-
мотроны непрерывного действия установлены с возможностью изменения направления
осей выходных отверстий относительно оси ускорительного канала. Анод и катод могут
быть выполнены полыми с возможностью подачи в полости охлаждающей субстанции.
Диэлектрическое кольцо может быть выполнено из высокотемпературного теплостойкого
материала, например высокотемпературной керамики.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлен продоль-
ный разрез, а на фиг. 2 - поперечный разрез предлагаемого устройства.
Импульсно-периодический плазмотрон состоит из импульсно-периодического блока
питания 1, ускорительного канала в виде коаксиально расположенных электродов анода 3
и катода 4, которые подключены к импульсно-периодическому блоку питания 1, и блока
генерации и ввода плазмы 2, установленного в глухом торце ускорительного канала и вы-
полненного в виде диска с размещенными по периметру плазмотронами непрерывного
действия 7. Торцы анода 3 и катода 4 со стороны блока генерации и ввода плазмы 2 вы-
полнены в виде последовательно расположенных фланцев, разделенных диэлектрическим
кольцом 6, толщина которого Sк должна быть больше, чем минимальная величина меж-
электродного промежутка Sп ускорительного канала. Плазмотроны непрерывного дей-
ствия 7 установлены таким образом, что их выходные отверстия направлены в
межэлектродный промежуток ускорительного канала через сквозные отверстия во фланце
катода 4, количество и расположение которых соответствует количеству и расположению
плазмотронов непрерывного действия 7. Направления осей выходных отверстий плазмот-
ронов непрерывного действия 7 могут изменяться относительно оси ускорительного кана-
ла. Анод 3 может быть выполнен сплошным цилиндрическим или из набора
цилиндрических стержней, охваченных цилиндрическим экраном 5 из высокотемператур-
ного теплостойкого материала, например высокотемпературной керамики. Катод 4 может
быть выполнен профилированным. Все элементы ускорительного канала могут быть вы-
полнены охлаждаемыми, а диэлектрическое кольцо 6 выполнено из высокотемпературно-
го теплостойкого материала, например высокотемпературной керамики.
Импульсно-периодический плазмотрон работает следующим образом. Генерируемые
блоком плазмотронов непрерывного действия 7 плазменные струи через сквозные отвер-
стия во фланце катода 4 заполняют ускорительный канал, создавая область плазмы пони-
женной плотности. На анод 3 и катод 4 ускорительного канала с помощью импульсно-
периодического блока питания 1 подается высокое импульсно-периодическое напряже-
ние, вызывающее периодический радиальный пробой межэлектродного промежутка Sп в

4. BY 7416 U 2011.08.30
4
наиболее узком месте и ускорение образующегося плазменного сгустка вдоль оси ускори-
тельного канала. Для обеспечения симметричности и однородности высоковольтного раз-
ряда в межэлектродном промежутке ускорительного канала направления осей выходных
отверстий плазмотронов непрерывного действия 7 могут изменяться относительно оси
ускорительного канала таким образом, чтобы плазменные струи закручивались по спира-
ли, равномерно заполняя межэлектродный промежуток ускорительного канала в наиболее
узком месте. Выполнение условия Sк > Sп необходимо для того, чтобы высоковольтный
пробой межэлектродного промежутка ускорительного канала происходил только в ради-
альном направлении, что позволит улучшить воспроизводимость работы плазмотрона,
увеличить энергию плазменного потока и стабильность его энергетических характеристик
на выходе. В случае Sк ≤ Sп высоковольтный пробой межэлектродного промежутка уско-
рительного канала может происходить между фланцами анода 3 и катода 4, что приведет к
нестабильности работы плазмотрона и падению его энергетических характеристик на вы-
ходе.
Конструктивное выполнение анода 3 и катода 4 полыми с возможностью подачи в по-
лости охлаждающей субстанции, а диэлектрического кольца 6 из высокотемпературной
керамики позволит увеличить время непрерывной работы устройства без потери стабиль-
ности его энергетических характеристик на выходе.
Таким образом, предлагаемый импульсно-периодический плазмотрон позволяет до-
стичь симметричности и однородности высоковольтного разряда в межэлектродном про-
межутке ускорительного канала, что улучшит воспроизводимость работы плазмотрона,
увеличит энергию плазменного потока и стабильность его энергетических характеристик
на выходе и, следовательно, обеспечит равномерную модификацию свойств поверхности
материалов и покрытий.
Фиг. 2
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.