Устройство для обработки материалов высокочастотным электрическим разрядом

Устройство для обработки материалов высокочастотным электрическим разрядом

Реферат

 

Изобретение относится к устройствам для обработки материалов высокочастотным электрическим разрядом и может быть применено для обработки полимерных пленок и синтетических волокон с целью физической модификации их структуры и поверхности. Устройство содержит блок электрического питания, соединенный с ним генератор высокочастотного переменного напряжения с регулируемой частотой, к которому подключен преобразователь. С преобразователем связан активный игольчатый электрод, создающий высокочастотный электрический разряд. Устройство содержит также газодинамический блок, включающий емкость для хранения плазмообразующего газа, газопровод и установленное коаксиально электроду сопло для подачи газа в зону высокочастотного электрического разряда и направления образующейся струи холодной плазмы на материал. Генератор выполнен в виде активного усилительного элемента и электрически связанного с ним многополюсника, соединенных между собой с образованием задающего автогенератора. Преобразователь представляет собой электрический пятиполюсник, обладающий собственной резонансной частотой. Преобразователь выполнен в виде низковольтной секции, намотанной на полый диэлектрический каркас, высоковольтной секции, намотанной на низковольтную секцию, и сердечника. Сердечник выполнен в виде ферритового полого цилиндра, коаксиально охватывающего секции и связанного с игольчатым электродом. Клеммы низковольтной секции соединены с многополюсником. Клеммы высоковольтной секции разомкнуты. Изобретение позволяет повысить надежность и безопасность устройства. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для обработки материалов высокочастотным электрическим разрядом, и может быть применено для обработки полимерных пленок и синтетических волокон с целью физической модификации их структуры и поверхности, что улучшает их адгезию при использовании в различных изделиях, сборки изделий из этих материалов и т.д.

В настоящее время эта задача решается различными способами и устройствами, основанными на обработке материалов химическими способами, ультрафиолетовым облучением, светом, радиационными и магнитными полями, электронным лучом.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для обработки биологических материалов высокочастотным электрическим разрядом (патент США 4781175, А 61 В 17/39, 1988 г.). Это устройство может быть использовано и для обработки полимерных пленок и синтетических волокон с целью модификации их структуры и поверхности. Известное устройство содержит блок электрического питания, соединенный с ним генератор высокочастотного переменного напряжения с регулируемой частотой, подключенный к нему преобразователь, два электрода, между которыми создается высокочастотный электрический разряд, при этом один из электродов является активным и выполнен в виде иглы, а второй электрод является пассивным и выполнен в виде электрически проводящей подложки, на которой размещают обрабатываемый материал. Известное устройство содержит также газодинамический блок, включающий емкость для хранения инертного плазмообразующего газа, газопровод и сопло, подающее газ в зону высокочастотного электрического разряда и направляющее образующуюся струю плазмы на обрабатываемый материал. Сопло установлено коаксиально игольчатому электроду. Данное устройство принято в качестве прототипа.

К недостаткам известного устройства следует отнести его недостаточную надежность и безопасность работы.

Действительно, известное устройство имеет два электрода, между которыми создается высокочастотный электрический разряд. При такой конструкции не исключена случайность возникновения короткого замыкания между электродами при их непосредственном контакте через обрабатываемый проводящий или полупроводящий (например, влажный) обрабатываемый материал, что может вывести устройство из строя. Кроме того, зона обработки при этом нестабильна по площади и в пространстве, а джоулево тепло, обязательно возникающее между электродами, может повредить обрабатываемый материал. Все это снижает его безопасность и надежность работы.

Изобретение направлено на решение задачи - создания более безопасного и надежного устройства для обработки материалов типа полимерных пленок и синтетических волокон за счет исключения выхода устройства из строя и повреждения обрабатываемого материала.

Кроме того, за счет исключения второго электрода, занимающего значительную площадь, предложенное устройство позволяет повысить точность обработки необходимых участков пленки, т.е. равномерное распределение модификационного фактора.

Это достигается тем, что в устройстве для обработки материалов высокочастотным электрическим разрядом, содержащим блок электрического питания, соединенный с ним генератор высокочастотного переменного напряжения с регулируемой частотой, подключенный к нему преобразователь, связанный с ним игольчатый электрод, создающий высокочастотный электрический разряд, газодинамический блок, включающий емкость для хранения плазмообразующего газа, газопровод и установленное коаксиально электроду сопло, подающее газ в зону высокочастотного электрического разряда и направляющее образующуюся струю холодной плазмы на обрабатываемый материал, генератор выполнен в виде активного усилительного элемента и электрически связанного с ним многополюсника, соединенных между собой с образованием задающего автогенератора, электрические колебания которого устанавливают резонансный режим работы системы, содержащей задающий автогенератор, преобразователь, обрабатываемый материал и электрический разряд, возникающий и поддерживаемый между преобразователем и обрабатываемым материалом, преобразователь представляет собой электрический пятиполюсник, обладающий собственной резонансной частотой, и выполнен в виде намотанной на полый диэлектрический каркас низковольтной секции, намотанной на упомянутую низковольтную секцию высоковольтной секции и сердечника, выполненного в виде ферритового полого цилиндра, коаксиально охватывающего секции и связанного с активным игольчатым электродом; клеммы низковольтной секции соединены с многополюсником, а клеммы высоковольтной секции разомкнуты.

Кроме того, в устройстве активный усилительный элемент i оператора включает в себя транзистор, а многополюсник выполнен в виде трансформатора, трехполюсная первичная обмотка которого соединена с транзистором таким образом, что первичная обмотка трансформатора и транзистор образуют задающий автогенератор, работающий по схеме "автотрансформаторной трехточки", вторичная обмотка трансформатора представляет собой индуктивный двухполюсник, связанный электрически с низковольтной секцией преобразователя.

На чертежах изображено предложенное устройство, а именно на фиг.1 показана общая схема устройства; на фиг.2 - конструктивная схема высокочастотного преобразователя; на фиг.3 - электрическая схема генератора.

Устройство (фиг.1) содержит блок 1 электрического питания, соединенный с ним генератор 2 высокочастотного переменного напряжения с регулируемой частотой, подключенный к нему преобразователь 3, связанный с преобразователем активный игольчатый электрод 4 и газодинамический блок 5 с емкостью 6 для хранения плазмообразующего газа. Этот блок через газопровод 7 подключен к преобразователю, имеющему сопло 8 для подачи газа. Генератор устройства выполнен в виде активного усилительного элемента 9 и электрически связанного с ним многополюсника 10.

Преобразователь (фиг.2) выполнен в виде намотанной на полый диэлектрический каркас 11 низковольтной секции 12, высоковольтной секции 13 и сердечника 14, выполненного в виде полого цилиндра, коаксиально охватывающего секции, и связанного с активным игольчатым электродом 4. Клеммы 15 низковольтной секции преобразователя соединены с многополюсником, а клеммы 16 высоковольтной секции разомкнуты.

В генераторе (фиг.3) активный усилительный элемент включает в себя транзистор VT1. Многополюсник выполнен в виде трансформатора Т1. Активный усилительный элемент и трансформатор Т1 образуют задающий автогенератор, работающий по схеме "автотрансформаторной трехточки".

Устройство работает следующим образом. Устанавливают заданный уровень подачи плазмообразующего газа из газодинамического блока порядка 2-6 л/мин, газ поступает в сопло преобразователя в зону расположения активного игольчатого электрода.

При включении блока питания его выходное напряжение запитывает задающий генератор, параметры которого выбраны таким образом, что он на этапе возбуждения электрических колебаний генерирует частоту, близкую к собственной резонансной частоте преобразователя. Эти колебания подаются на клеммы низковольтной секции преобразователя и возбуждают в преобразователе собственную частоту колебаний, которые через цепь индуктивной связи многополюсника навязывают частоту автоколебаний, автоматически подстраивающуюся под собственную частоту резонансных колебаний преобразователя. Далее при приближении активного игольчатого электрода к обрабатываемому материалу 17 (фиг.1) в системе, содержащей задающий автогенератор, преобразователь, обрабатываемый материал и электрический разряд 18, возникающий и поддерживаемый между преобразователем и обрабатываемым материалом, возникает и автоматически поддерживается резонансный режим работы устройства. Возникновение и поддержание указанного режима зависят от электрических параметров автогенератора и преобразователя, а также от параметров емкостной связи, возникающей между преобразователем и обрабатываемым материалом.

Резонансный рабочий режим работы устройства внешне характеризуется возникновением высокочастотного электрического разряда, создающего поток заряженных частиц на конце игольчатого активного электрода, либо образованием светящегося факела холодной плазмы 19, если в зону высокочастотного разряда подается инертный газ. Если игольчатый электрод находится слишком далеко от обрабатываемого материала либо, наоборот, непосредственно соприкасается с ним, то изменяются параметры емкостной связи между преобразователем и обрабатываемым материалом, происходит срыв частоты резонансных колебаний вышеуказанной системы и устройство выходит из рабочего режима. При этом высокочастотный электрический разряд прекращается, и устройство переходит в режим "ожидания". Резонансный рабочий режим работы устройства автоматически восстанавливается при повторном сближении активного игольчатого электрода с обрабатываемым материалом.

Предложенное устройство функционирует в режиме параметрического резонанса, в силу чего имеется возможность регулировать подводимую мощность изменением частоты резонансных колебаний рабочего режима. При этом осуществляется изменение глубины модификации структуры и поверхности пленочного материала. Этого же эффекта можно достичь изменением параметров преобразователя (витков в его секциях, размерами ферритового сердечника).

Фокусировку потока плазмы осуществляют выбором диаметра выходного отверстия сопла и давлением инертного газа, устанавливаемым газодинамическим блоком. Активный усилительный элемент может быть выполнен в виде электровакуумного или твердотельного электронного прибора, например электронной лампы, магнетрона, клистрона, транзистора или туннельного диода.

Примером реализации генератора является автогенератор, собранный по схеме "автогенераторной трехточки". При этом автогенератор содержит активный усилительный элемент, в качестве которого использован транзистор КТ 829F (VT1), а в качестве электрического многополюсника использован трехсекционный трансформатор (Т1), намотанный на диэлектрическом каркасе с ферритовым сердечником.

Схему соединения, электрические параметры и режимы работы усилительного элемента и многополюсника выбирают таким образом, чтобы при подаче питания на генератор от блока в генераторе генерируется частота, близкая к собственнной резонансной частоте преобразователя.

Возможен вариант размещения игольчатого электрода вне сопла (не показано). Такой вариант может быть использован при обработке больших поверхностей пленочных полимерных материалов с применением нескольких игольчатых электродов и сопел.

Если обрабатываемый материал обладает недостаточной проводимостью для возникновения и поддержания электрического разряда на игольчатом активном электроде, под обрабатываемый материал следует положить проводящий материал, например лист металла или слой ткани, смоченный водой.

Следует отметить, что предложенное устройство может осуществлять перфорирование пленочных и волокнистых материалов (в этом случае в зону высокочастотного электрического заряда плазмообразующий инертный газ не подают), а также предложенное устройство может применяться при обработке полупроводниковых кристаллов, улучшая их структуру и качество, при коагуляции и резекции биологических материалов (тканей, сосудов), для воздействия (разложения) на химические вещества, в том числе отравляющие и др.

Формула изобретения

1. Устройство для обработки материалов высокочастотным электрическим разрядом, содержащее блок электрического питания, соединенный с ним генератор высокочастотного переменного напряжения с регулируемой частотой, подключенный к нему преобразователь, связанный с ним активный игольчатый электрод, создающий высокочастотный электрический разряд, газодинамический блок, включающий емкость для хранения плазмообразующего газа, газопровод и установленное коаксиально электроду сопло, подающее газ в зону высокочастотного электрического разряда и направляющее образующуюся струю холодной плазмы на обрабатываемый материал, отличающееся тем, что генератор выполнен в виде активного усилительного элемента и электрически связанного с ним многополюсника, соединенных между собой с образованием задающего автогенератора, электрические колебания которого устанавливают резонансный режим работы системы, содержащей задающий автогенератор, преобразователь, обрабатываемый материал и электрический разряд, возникающий и поддерживаемый между преобразователем и обрабатываемым материалом, преобразователь представляет собой электрический пятиполюсник, обладающий собственной резонансной частотой, и выполнен в виде намотанной на полый диэлектрический каркас низковольтной секции, намотанной на упомянутую низковольтную секцию высоковольтной секции, и сердечника, выполненного в виде ферритового полого цилиндра, коаксиально охватывающего секции и связанного с активным игольчатым электродом, клеммы низковольтной секции соединены с многополюсником, а клеммы высоковольтной секции разомкнуты.

2. Устройство для обработки материалов высокочастотным электрическим разрядом по п.1, отличающееся тем, что активный усилительный элемент генератора включает в себя транзистор, а многополюсник выполнен в виде трансформатора, трехполюсная первичная обмотка которого соединена с транзистором таким образом, что первичная обмотка трансформатора и транзистор образуют задающий автогенератор, работающий по схеме "автотрансформаторной трехточки", вторичная обмотка трансформатора представляет собой индуктивный двухполюсник, связанный электрически с низковольтной секцией преобразователя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3