При выбранных геометрических размерах плазмотрона и рабочей частоте СВЧ генератора главным расчетным параметром является температура плазмы. Однако для построения обобщенных характеристик плазмотронов, не зависящих от свойств и термодинамического состояния плазмообразующего газа, а также для удобства математических расчетов оказалось удобнее вместо температуры использовать в качестве основного расчетного параметра отношение радиуса плазменного шнура rпл к глубине поверхностного слоя на плазменном образовании s. При расчете s учитываются свойства и термодинамическое состояние газа, в котором будет образована плазма.

На рис. 8 приведены расчетные кривые Kстv в подводящем волноводе axb=72x34 мм с волной H10 и коэффициента передачи СВЧ энергии в разряд h для плазмотрона с согласованной нагрузкой (пунктирные линии). Рабочая длина волны 12,6 см; внутренний диаметр экранирующих трубок 2R=22 мм; диаметр плазменного шнура 2 rпл =7 мм. Отношение rпл /R в расчетные формулы входит под знаком логарифма, поэтому оно мало влияет на характеристики плазмотрона. В качестве плазмообразующего газа использовался азот при атмосферном давлении.

На рис. 8 приведены также кривые отношения мощности Pпад, подводимой к плазмотрону, к удельной мощности Pпл, поглощаемой в единице длины плазменного столба, находящегося в центре широкой стенки волновода. Эти кривые имеют минимум, в котором потребляемая от СВЧ генератора мощность минимальна. Правые ветви этих кривых соответствуют устойчивым режимам разряда.

Рис. 8. Расчетные зависимости коэффициента передачи h, Kстv и Pпад/Pпл от отношения rпл/s для плазмотронов волноводного типа с согласованной нагрузкой и короткозамыкателем.

Действительно, и при постоянной мощности, подводимой к плазмотрону, в разряде устанавливается определенная температура. Если режим работы соответствует некоторой точке на правой ветви кривой, то случайные малые изменения температуры в разряде вызывают ряд процессов, возвращающих температуру к стационарному значению. Если температура случайно уменьшится, то длина разряда уменьшится, что приведет к увеличению удельной мощности Pпл и разогреву плазмы. Если температура случайно возрастает, то длина разряда возрастает и Pпл уменьшится, что приведет к остыванию плазмы. Этот механизм саморегулирования поддерживает в разряде постоянную температуру, соответствующую СВЧ мощности, подводимой к разряду.

Граница устойчивости разряда соответствует значениям rпл/s @ 0,3¸0,6. При этом, например, температура плазмы азота равна 5500 — 5800K. Удельная мощность Pпл, требуемая для поддержания в плазме заданной температуры, может быть определена по кривой, приведенной на рис. 9. Далее по кривым Pпад/Pпл на рис. 8 можно определить и значение Pпад, при которой в плазме температура равна требуемому значению.

Если проанализировать приведенные на рис. 8 и 9 данные, то можно сделать следующие важные для практики выводы.

В плазмотроне с короткозамыкателем осуществляется значительно более эффективное использование СВЧ энергии, чем в плазмотроне с согласованной нагрузкой: hmax соответственно равны 0,97 и 0,5; минимальные мощности СВЧ генератора, требуемые для поддержания устойчивости разряда, равны соответственно 0,5 и 1,2 кВт. Минимальная температура СВЧ разряда в азоте при атмосферном давлении равна 5500K.

Рис. 9. Зависимость и от температуры СВЧ разряда в азоте при атмосферном давлении.

При экспериментах с рассматриваемыми плазмотронами расход газа подбирался минимально возможным с тем, чтобы сохранить стабильность разряда. В этом случае теплоотвод от разряда определяется в основном теплопроводностью газа на стенки разрядной трубки. Длина плазменного столба в плазмотроне с согласованной нагрузкой равнялась 4 см при поглощаемой в разряде мощности 900 Вт, что меньше расчетного значения на 20% — 30%. Объясняется это тем, что при расчете не учитывался спад температуры на концах плазменного шнура и вынос тепла из плазмы потоком газа при определении значения Pпл в соответствии с кривой, изображенной на рис. 9. Однако приведенные на рис. 8 и 9 расчетные данные дают удовлетворительную точность и могут быть использованы для предварительных расчетов конструктивных параметров плазмотронов.

Рассмотрим пример практического применения плазмотронов.

СВЧ плазменный источник возбуждения спектра. Наиболее часто в качестве источника тепла для разогрева порошков веществ, исследуемых с помощью анализаторов спектра, использовались газовые горелки. Для них характерна достаточная стабильность горения, а главным недостатком является внесение в зону нагрева продуктов горения газа, которые во многих случаях могут загрязнять обрабатываемый или анализируемый материал. Кроме того, температура, даваемая газовыми горелками, для анализа многих элементов недостаточна. С помощью плазмотронов может быть получен в атмосфере защитных газов — азота, гелия или аргона — стабильный нагрев до 8000K без каких-либо загрязнений. Для спектрального анализа применяют и электрические дуги постоянного и переменного токов. Они позволяют получить требуемую температуру, но не дают желаемой стабильности и вносят загрязнения продуктами разрушения электродов. Поэтому при их использовании воспроизводимость и точность анализа недостаточны.

Высокотемпературный стабильный плазменный источник возбуждения спектра представляет собой установку, состоящую из двух блоков — блока питания и СВЧ блока, в который входят магнетрон M571 с регулируемой непрерывной мощностью от 0 до 2,5 кВт на длине волны 12,6 см и плазмотрон волноводного типа с согласованной нагрузкой.

Рис. 10. Схематическое изображение СВЧ блока плазменного источника возбуждения спектра типа ПВС-1:

1 — магнетрон; 2 — плазмотрон волноводного типа; 3 — согласованная нагрузка; 4 — кварцевая трубка для подачи плазмообразующих газов и образования плазменного столба; 5 — конденсор; 6 — щель анализатора спектра.

Схема СВЧ блока применительно к спектральному анализу приведена на рис. 10. Газ для образования плазмы подается в трубку из кварцевого стекла через завихряющую форсунку, не показанную на схеме. Через ту же форсунку или вдоль оси кварцевой трубки по отдельной трубке подается анализируемое вещество, которое распыляется в виде аэрозоля. Излучение плазменного столба через конденсатор проектируется на щель анализатора спектра, с помощью которого производится анализ обычными спектральными методами. Расход газа может составлять 8 — 10 л/мин при давлении, близком к атмосферному, плазменный столб длиной 25 — 30 мм имеет диаметр — 5 — 8 мм. Коэффициент передачи СВЧ энергии в разряд 0,55 — 0,6.