Введение к работе
Актуальность темы исследования. Все более возрастающий интерес к фотонно-плазменным технологиям вызывает необходимость в разработке аппаратуры для ее реализации. На рынке высоких технологий фотонно-плазменная технология стоит в первых рядах, так как она открывает большие возможности в обработке материалов и синтезе новых веществ. Наиболее известным применением фотонно-гогазменных установок является использование их для накачки оптических квантовых генераторов -лазеров, а также использование непосредственного воздействия фотонного потока на материалы и среды для активации физических и химических процессов. Другое известное применение плазменных установок - это обработка поверхностей материалов и изделий тепловым воздействием плазменной струи. Интенсификация фотонно-плазменных технологий напрямую связана с увеличением мощности потока излучения плазмы, которая является самым мощным из всех известных источников излучения.
Увеличение мощности излучения плазмы в оптическом
диапазоне-фотонного излучения ограничивается техническими
возможностями основных источников этого излучения
газоразрядных ламп. Однако известно, что существуют условия при
которых открытый плазменный столб является эффективным
источником фотонного излучения и практически подавляющая
часть его мощности выделяется в оптическом диапазоне излучения.
Эти условия могут быть созданы за счет разработки
электротехнического комплекса, включающего специализированное
электрооборудование и генератор низкотемпературной плазмы -
излучающий плазмотрон. За счет изменения параметров плазмы с
помощью разработанного комплекса станет возможным
перераспределять компаненты потока излучения плазмотрона и
выполнять технологические операции фотонной и тепловой
плазменной обработки при уровнях энергий, превышающих
существующие на порядок и более. _. _
Цель работы. Целью настоящей работы является разработка электротехнического комплекса для реализации фотонно-плазменной технологии с использованием высоких энергий излучения плазмы.
В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие основные задачи.
определение электрических параметров плазмы, при которых открытый плазменный канал электрической дуги большую часть своей энергии излучает в оптическом диапазоне длин волн и по своей излучательной способности приближается к характеристикам абсолютно черного тела;
разработка математической модели электрической дуги как нагрузки системы электропитания установки и на ее основании исследование устойчивости электрической дуги в системе автоматического управления источника питания; '
- разработка излучающего импульсного плазмотрона для
фотонно-плазменной технологии;
- разработка электрооборудования основных узлов фотонно-
плазменной установки;
выполнение экспериментальных исследований основных режимов работы установки;
установление взаимосвязи основных технологических параметров плазменной обработки с электрическими параметрами установки и разработка на этом основании электротехнического комплекса для реализации фотонно-плазменной технологии.
Методы исследования
Решение поставленных в диссертационной работе научно-технических задач достигнуто на основе использования методов математического моделирования, расчитанных на применение ЭВМ. Решение системы нелинейных дифференциальных уравнений, входящих в состав математической модели управляемой системы электропитания плазмотрона (УСЭП), было получено при помощи метода Рунге-Кутта-Мерсона с автоматическим выбором шага интегрирования, при исследовании устойчивости УСЭП был использован метод фазовых траекторий, при обобщении результатов исследований использовались методы регрессионного анализа.
Экспериментальные исследования выполнялись на действующей установке. Обработка результатов эксперимента проводилась с использованием методов математической статистики.
Научная новизна работы заключается в следующих положениях и результатах.
На основании аналитических исследований физических процессов в плазме канала электрической дуги установлена возможность получения излучающей оптически прозрачной дуги в которой большая часть энергии излучается в оптическом диапазоне длин волн. Установлена взаимосвязь между электрическими параметрами и характеристиками излучешш такой дуги.
Выполнен анализ динамических характеристик
нестационарной электрической дуги и определены подходы к оценке ее устойчивости при расчете динамических систем с дугой.
Обоснована возможность применения математической модели двухслойной газодинамической нестационарной электрической дуги, используемой для расчета параметров УСЭП плазмотронов, при анализе и расчете аналогичных систем с импульсными плазмотронами и дугой, движущейся в поперечном магнитном поле и на ее основе выполнены исследования устойчивости динамики УСЭП плазмотрона, а также оптимизированы параметры электрооборудования установки.
Разработаны инженерные методы расчета и выбора электродных узлов импульсных излучающих плазмотронов.
Обоснованы инженерные методы расчета параметров и выбора схемных решений . зарядных устройств емкостных накопителей энергии.
Установлена взаимосвязь технологических параметров плазменной обработки с электрическими параметрами установки и разработана структура электротехнического комплекса для реализации фотонно-плазменной технологии.
Практическая ценность работы состоит в том, что:
Разработаны и экспериментально проверены два варианта конструкции импульсного плазмотрона. Вариант конструкции импульсного плазмотрона с преобладающим тепловым ''потоком ориентирован на использование в технолопш динамической плазменной обработки поверхностей и покрытий и в; частности, для удаления фоторезиста при изготовлении сверхбольших интегральных схем (СБИС). Вариант конструкции., импульсного плазмотрона с преобладающим потоком излучешвгв оптическом
диапазоне длин волн предназначен для фотонной обработки материалов и сред посредством активации и стимуляции физических и химических процессов.
Разработана плазменная установка с системой
автоматического регулирования рабочего тока источника питания
дуги плазмотрона, зарядным устройством емкостного накопителя
энергии, системой магнитного управления движением
электрической дуги и коммутацией разрядного тока емкостного
накопителя энергии, а также радом вспомогательных устройств.
Выполнены экспериментальные исследования узлов и установки в
целом. :
Разработаны инженерные основы использования установки в реализации фотонно-плазмешюй технологии.
Разработан электротехнический комплекс для реализации фотонно-плазменной технологии.
Реализация результатов работы
Экспериментальный образец импульсной плазменной установки используется в лаборатории электротехнологии кафедры электроснабжения Кубанского государственного технологического университета при проведении исследований фотонно-плазменной технологии.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на 2-ой Международной конференции по электромеханике и электротехнологии (Крым, 1996 г.), на научно-практических конференциях (Краснодар, КубГТУ, 1995, 1996 гг.), а также на научных семинарах кафедры электроснабжения промышленных предприятий КубГТУ.
Публикации. Основные результаты работы изложены в 9 опубликованных статьях, технические решения защищены авторским свидетельством на изобретение.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, включающего 122 наименования, двух приложений, содержит 182 страницы, 46 рисунков.
