Способ получения высокоэнергетических потоков частиц и устройство для его осуществления

Способ получения высокоэнергетических потоков частиц и устройство для его осуществления

Реферат

Изобретение относится к области плазменных технологий и может быть использовано при разработке и создании источников высокоинтенсивных потоков частиц для научных и технологических применений.

Известен способ [1] получения высокоэнергетических потоков частиц, в котором в сопле Лаваля осуществляют ускорение гетерогенного потока с частицами микронного размера. Для увеличения скорости осуществляют подогрев газа в дозвуковой секции сопла до 800-1000°C.

Недостатком данного способа является низкий уровень нагрева, низкая скорость частиц (до 1 км/с) и большой расход газа - до 200 м³ /ч. При этом расход газа прямо связан со степенью нагрева газа ввиду применения спирального источника нагрева газа.

Наиболее близким к предлагаемому способу является представленный в [2] способ получения высокоэнергетических потоков частиц, при котором с помощью дугового источника создают поток плазмы, направляют его в сопло Лаваля. Недостатком данного способа является неполное преобразование внутренней энергии плазмы в кинетическую энергию потока.

Задачей заявляемого изобретения является разработка высокоэффективного способа получения высокоэнергетических потоков частиц. Для решения поставленной задачи предложен способ получения высокоэнергетических потоков частиц.

Новым, по мнению автора, является то, что в дозвуковую часть сопла Лаваля вводят поток плазмы с температурой 15-20·10³ К, обеспечивают ее ускорение до скорости звука и рекомбинацию плазмы до критического сечения сопла и после критического сечения вводят в поток частицы и ускоряют гетерогенный поток газа в сверхзвуковой части сопла Лаваля Сущность заявляемого способа поясняется чертежом (фиг.1), где 1 - непрерывный источник плазмы, 2 - плазменный поток, 3 - сопло Лаваля, 4 - устройство ввода порошка, 5 - поток частиц.

С помощью внешнего непрерывного источника 1 плазменного потока 2 с температурой ~15-20·10³К в дозвуковую секцию сопла Лаваля 3 вводят поток плазмы с высоким энергосодержанием. Поток ускоряется до скорости звука при одновременной рекомбинации плазмы. В критическом сечении имеем слабоионизованный газ с температурой Т_к и скоростью, связанными соотношением V_к=а=(к·R·Т_к)^1/2. Для азота, например, температура Т_к может находиться в диапазоне 3-8·10³К. Как известно, подогрев газа в сверзвуковой части сопла приводит к торможению газа и поэтому необходимо рекомбинацию завершить в дозвуковой части сопла. Известно устройство для получения высокоэнергетического потока частиц [3], которое содержит сопло Лаваля, спиральный нагреватель газа, систему подачи газа высокого давления, систему ввода частиц. Недостаток данного устройства состоит в низкой скорости частиц, низкой температуре газа, больших расходах энергии на подогрев газа и больших расходах газа. Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство [4], которое содержит дуговой источник плазмы атмосферного давления, сопло Лаваля, систему ввода порошка. Недостаток данного устройства состоит в низкой скорости частиц ввиду низкого КПД преобразования энергии плазмы в кинетическую энергию потока газа.

Для получения потоков микрочастиц с высокими скоростями вплоть до 2-3 км/с предлагается устройство, содержащее дуговой источник плазмы, сопло Лаваля, систему ввода порошка.

Новым, по мнению автора, является то, что устройство дополнительно содержит камеру высокого давления, матрицу из N непрерывных микроплазмотронов и систему подачи газа высокого давления, длина дозвуковой части сопла Лаваля выбирается из условия полной рекомбинации плазмы до критического сечения, а система ввода частиц обеспечивает ввод частиц после критического сечения по всему периметру сопла в сечении сопла с заданными параметрами - температурой и скоростью газа.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1.

Устройство содержит камеру высокого давления 6, соединенную с соплом Лаваля 3, в которой размещается неперывный источник плазмы 1 - матрица из N непрерывных микроплазмотронов, размещенных на поверхности сферического сегмента 7 - общей анодной плиты системы микроплазмотронов, систему подачи газа высокого давления 8 и систему ввода в газовый поток частиц 4.

Устройство работает следующим образом. В условиях атмосферного давления производится запуск микроплазмотронов путем подачи поджигающего импульса на катоды 9 микроплазматронов. С помощью системы подачи газа 8 осуществляется ввод газа в камеру высокого давления 6 и повышение давления до 30-40 атм. На вход в дозвуковую часть сопла Лаваля подается поток плазмы 2 большого сечения с температурой 15-20·10³К и давлением 30-40 атм. Этот поток ускоряется в дозвуковой части сопла до скорости звука за счет внутренней энергии плазмы, в том числе теплоты реакции рекомбинации. Длина дозвуковой части определяется из условия практически полной рекомбинации плазмы и ее перехода в слабоионизованный газ. В сверхзвуковой части сопла с помощью системы ввода частиц 4 по всему периметру сопла вводят микрочастицы в сечении сопла с определенными параметрами для обеспечения заданного уровня нагрева и скорости частиц на выходе сопла Лаваля.

Ввод частиц порошка осуществляют в определенном сечении сверхзвуковой части сопла с целью не допустить перегрева частиц и равномерно по всему периметру сечения для получения равномерного распределения плотности потока частиц по сечению.

Как показывают расчеты, с помощью заявляемого устройства возможно ускорение частиц диаметром 10-20 мкм из тугоплавких металлов и металлокерамики до 2-3 км/с при одновременном их разогреве до температуры плавления и в то же время, при необходимости, путем выбора сечения ввода работать в режиме, близком к Cold Spraying [1] без сильного нагрева частиц и поверхности напыления.

Список литературы

1. A. Papyrin, V. Kosarev, S. Klinkov, A. Alkhimov and V. Fomin.// Cold Spray Technology. Elsevier, 2006, p.320.

2. A. Schwenk, H. Gruner, S. Zimmermann, K. Landes, G. Nutsch. Improved Nozzle Design of de-Laval-type Nozzles for the Atmospheric Plasma Spraying. // Proceedings of the International Thermal Spray Conference, Basil R. Marple and C. Moreau, Orlando,2003, S. 573-579.

3. Rand C.P.. WO/2007/091102. 16.08.2007.

4. Beason, Jr.; George P., McKechme; Timothy N.; Christopher A..US 5,573,682. November 12, 1996.

1. Способ получения высокоэнергетических потоков частиц, состоящий в ускорении гетерогенного потока в сопле Лаваля, отличающийся тем, что в дозвуковую часть сопла Лаваля вводят поток плазмы, обеспечивают ее ускорение до скорости звука и полную рекомбинацию плазмы до критического сечения сопла, а после критического сечения вводят в поток частицы и ускоряют гетерогенный поток газа в сверхзвуковой части сопла Лаваля.

2. Устройство для получения высокоэнергетических потоков частиц, содержащее непрерывный источник плазмы, сопло Лаваля и систему ввода частиц, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит камеру высокого давления, матрицу из N непрерывных микроплазмотронов и систему подачи газа высокого давления, длина дозвуковой части сопла Лаваля выбирается из условия полной рекомбинации плазмы до критического сечения, а система ввода частиц обеспечивает ввод частиц после критического сечения по всему периметру сопла в сечении сопла с заданными параметрами - температурой и скоростью газа с целью получить оптимальные параметры потока частиц.