Indukční plazma - Induction plasma - Wikipedia

Šedesátá léta byla počátečním obdobím technologie termální plazmy, pobídnutá potřebami letecké a kosmické programy. Mezi různými metodami generování tepelné plazmy je indukční plazma (nebo indukčně vázaná plazma ) zaujímá důležitou roli.

První pokusy o udržení indukčně vázané plazmy na proudu plynu sahají až k Babatu^[1] v roce 1947 a Reed^[2] v roce 1961. Úsilí bylo soustředěno na základní studie mechanismu vazby energie a charakteristik tokových, teplotních a koncentračních polí v plazmatickém výboji. V 80. letech rostl zájem o vysoce výkonné materiály a další vědecké problémy a o indukční plazmu pro průmyslové aplikace, jako je nakládání s odpady. Četné výzkum a vývoj byly věnovány k překlenutí propasti mezi laboratorním přístrojem a průmyslovou integrací. Po desetiletích úsilí si technologie indukčního plazmatu získala pevné místo v moderním vyspělém průmyslu.

Generování indukční plazmy

Indukční ohřev je vyspělá technologie se staletími historie. Vodivý kovový kousek uvnitř vysokofrekvenční cívky bude „indukován“ a zahříván do žhavého stavu. Neexistuje žádný rozdíl v kardinálním principu pro indukční ohřev neboindukčně vázaná plazma ", pouze to, že médium, které indukuje, je v druhém případě nahrazeno proudícím plynem a získaná teplota je extrémně vysoká, protože přichází do „čtvrtý stav hmoty“ - plazma.

(vlevo) Indukční ohřev; (vpravo) Indukčně vázaná plazma.

Hořák s indukčně vázanou plazmou (ICP) je v podstatě měděná cívka o několika otáčkách, kterými protéká chladicí voda, aby se rozptýlilo teplo produkované při provozu. ICP mají dva provozní režimy, které se nazývají kapacitní (E) režim s nízkou hustotou plazmy a indukční (H) režim s vysokou hustotou plazmy a přechod do režimu ohřevu E na H nastává u externích vstupů.^[3] Cívka obaluje uzavírací trubici, uvnitř které je generována indukční plazma (režim H). Jeden konec uzavřené trubice je otevřený; plazma je ve skutečnosti udržována na toku plynu kontinua. Během indukčního plazmového provozu generátor dodává do cívky hořáku střídavý proud (střídavý proud) o vysoké frekvenci (r.f.); tento střídavý proud indukuje střídavé magnetické pole uvnitř cívky poté Ampereův zákon (pro elektromagnetická cívka):

${ displaystyle phi _ {B} = ( mu _ {0} , I_ {c} , N) ( pi , r_ {0} ^ {2}) quad (1)}$

kde, ${ displaystyle phi _ {B}}$ je tok magnetického pole, ${ displaystyle mu _ {0}}$ je konstanta propustnosti ${ displaystyle 4 pi , 10 ^ {- 7} , { textrm {Wb / A.m}}}$, ${ displaystyle I_ {c}}$ je proud cívky, ${ displaystyle N}$ je počet závitů cívky na jednotku délky a ${ displaystyle r_ {0}}$ je střední poloměr závitů cívky.

Podle Faradayův zákon, změna toku magnetického pole vyvolá napětí, nebo elektromagnetická síla:

${ displaystyle E = -N ( Delta phi _ {B} / Delta t) quad (2)}$

kde, ${ displaystyle N}$ je počet závitů cívky a položka v závorkách je rychlost, jakou se tok mění. Plazma je vodivá (za předpokladu, že plazma již v hořáku existuje). Tato elektromagnetická síla, E, bude zase pohánět proud o hustotě j v uzavřených smyčkách. Situace je velmi podobná zahřátí kovové tyče v indukční cívce: energie přenesená do plazmy se rozptýlí pomocí Jouleova ohřevu, j²R, od Ohmův zákon, kde R je odpor plazmy.

Vzhledem k tomu, že plazma má relativně vysokou elektrickou vodivost, je pro střídavé magnetické pole obtížné ji proniknout, zejména při velmi vysokých frekvencích. Tento jev se obvykle označuje jako „kožní efekt ". Intuitivní scénář spočívá v tom, že indukované proudy obklopující každou magnetickou linii působí proti sobě navzájem, takže čistý indukovaný proud je koncentrován pouze v blízkosti okraje plazmy. To znamená, že nejteplejší část plazmy je mimo osu. Proto indukční plazma je něco jako „prstencová skořápka". Při pozorování na ose plazmy to vypadá jako jasný „bagel".

Indukční plazma, pozorovaná ze strany a z konce

V praxi je vznícení plazmy za podmínek nízkého tlaku (<300 torr) téměř spontánní, jakmile je r.f. výkon působící na cívku dosahuje určité prahové hodnoty (v závislosti na konfiguraci hořáku, průtoku plynu atd.). Stav plazmatického plynu (obvykle argon) bude rychle přecházet z výboje do rozbití oblouku a vytvoří stabilní indukční plazmu. V případě atmosférického tlaku okolí se zapalování často provádí pomocí a Teslova cívka, který produkuje vysokofrekvenční vysokonapěťové elektrické jiskry, které indukují lokální přerušení elektrického oblouku uvnitř hořáku a stimulují kaskádu ionizace plazmatického plynu, což nakonec vede ke stabilní plazmě.

Indukční plazmový hořák

Indukční plazmový hořák je jádrem technologie indukčního plazmatu. Navzdory existenci stovek různých konstrukcí se indukční plazmový hořák skládá v zásadě ze tří složek:

Indukční plazmový hořák pro průmyslové aplikace

• cívka Indukční cívka se skládá z několika spirálových závitů, v závislosti na r.f. charakteristiky zdroje energie. Parametry cívky, včetně průměru cívky, počtu závitů cívky a poloměru každého otočení, jsou specifikovány takovým způsobem, aby se vytvořil elektrický „obvod nádrže“ se správnou elektrickou impedancí. Cívky jsou obvykle duté podél své válcové osy, naplněné vnitřním kapalným chlazením (např. Deionizovanou vodou), aby se zmírnily vysoké provozní teploty cívek, které jsou výsledkem vysokých elektrických proudů požadovaných během provozu.
• porodní trubice Tato trubice slouží k zadržení plazmy. Křemenná trubice je běžná implementace. Trubka je často chlazena buď stlačeným vzduchem (<10 kW) nebo chladicí vodou. I když je průhlednost křemenné trubice vyžadována v mnoha laboratorních aplikacích (jako je diagnostika spektra), její relativně špatné mechanické a tepelné vlastnosti představují riziko pro jiné části (např. Těsnění O-kroužkem), které mohou být poškozeny při intenzivním záření vysokého -teplotní plazma. Tato omezení omezují použití křemenných trubic pouze na hořáky s nízkým výkonem (<30 kW). Pro průmyslové vysoce výkonné plazmové aplikace (30 ~ 250 kW) se obvykle používají trubky z keramických materiálů.^[4] Ideální kandidátský materiál bude mít dobrý tepelná vodivost a vynikající odolnost proti tepelným šokům. Prozatím nitrid křemíku (Si₃N₄) je první volbou. Hořáky s ještě větším výkonem využívají pro plazmovou izolační trubku kovovou stěnovou klec s technickými kompromisy s nižší účinností vazby energie a zvýšeným rizikem chemických interakcí s plazmatickými plyny.
• distributor plynu Tato část, často nazývaná hlava hořáku, je zodpovědná za zavádění různých proudů plynu do vypouštěcí zóny. Obecně existují tři plynová potrubí procházející k hlavě hořáku. Podle své vzdálenosti ke středu kruhu jsou tyto tři proudy plynu také libovolně pojmenovány jako Q₁, Q₂a Q₃.

Q₁ je nosný plyn, který se obvykle zavádí do plazmového hořáku prostřednictvím injektoru ve středu hlavy hořáku. Jak název napovídá, funkce Q₁ je transportovat prekurzor (prášky nebo kapaliny) do plazmy. Argon je obvyklý nosný plyn, nicméně mnoho dalších reaktivních plynů (tj. Kyslík, NH₃, CH₄atd.) se často podílejí na nosném plynu v závislosti na požadavcích na zpracování.

Q₂ je plyn tvořící plazmu, běžně nazývaný „centrální plyn“. V dnešní konstrukci indukčního plazmového hořáku je téměř výjimečné, že centrální plyn je zaváděn do komory hořáku tangenciálním vířením. Proud vířícího plynu je udržován vnitřní trubkou, která krouží vír až do úrovně prvního otočení indukční cívky. Všechny tyto technické koncepty mají za cíl vytvořit správný tokový model potřebný k zajištění stability výboje plynu ve středu oblasti cívky.

Q₃ se běžně označuje jako „Plášťový plyn „který je zaveden mimo výše uvedenou vnitřní trubici. Tokový tok Q₃ může být vír nebo rovný. Funkce plášťového plynu je dvojí. Pomáhá stabilizovat výboj plazmy; A co je nejdůležitější, chrání uzavřenou trubici jako chladicí médium.

• Plazmatické plyny a výkon plazmy Minimální výkon pro udržení indukční plazmy závisí na tlaku, frekvenci a složení plynu. Nižšího setrvačného výkonu je dosaženo s vysokou r.f. frekvence, nízký tlak a monatomický plyn, jako je argon. Jakmile je diatomický plyn zaveden do plazmy, byla by drasticky zvýšena udržovací síla, protože k rozbití plynných molekulárních vazeb je nejprve zapotřebí extra disociační energie, takže je možná další excitace do plazmatického stavu. Hlavními důvody pro použití křemelinových plynů při zpracování plazmy jsou (1) získání plazmy s vysokým obsahem energie a dobrou tepelnou vodivostí (viz tabulka níže) a (2) přizpůsobení chemie zpracování.

V praxi je výběr plazmových plynů při zpracování indukční plazmy nejprve určen chemií zpracování, tj. Pokud zpracování vyžaduje reduktivní nebo oxidační nebo jiné prostředí. Poté může být vybrán vhodný druhý plyn a přidán do argonu, aby se získal lepší přenos tepla mezi plazmou a zpracovávanými materiály. Ar – He, Ar – H₂, Ar – N₂, Ar – O₂, Vzduch atd. Jsou velmi běžně používaná indukční plazma. Protože ztráta energie ve výboji probíhá v podstatě ve vnějším prstencovém plášti plazmy, je druhý plyn obvykle přiváděn spolu s plynovým vedením pláště, spíše než s centrálním plynovým vedením.

Průmyslové využití technologie indukční plazmy

Po vývoji technologie indukční plazmy v laboratoři byly rozlišeny hlavní výhody indukční plazmy:

• Bez obav o erozi a kontaminaci elektrody, kvůli odlišnému mechanismu generování plazmy ve srovnání s jinými plazmovými metodami, například stejnosměrná plazma bez přenosu obloukem (dc).
• Možnost axiálního podávání prekurzorů, kterými jsou pevné prášky nebo suspenze, kapaliny. Tato vlastnost překonává obtížnost vystavení materiálů vysoké teplotě plazmy z vysoké viskozity vysoké teploty plazmy.
• Kvůli problému s neelektrodami je možný široký výběr univerzální chemie, tj., hořák mohl pracovat v redukčních, nebo oxidačních, nebo dokonce korozivních podmínkách. S touto schopností indukční plazmový hořák často funguje nejen jako zdroj vysoké teploty a vysoké entalpie tepla, ale také jako nádoby chemické reakce.
• Relativně dlouhá doba zdržení prekurzoru v oblaku plazmy (několik milisekund až stovek milisekund) ve srovnání s plazmou stejnosměrného proudu.
• Relativně velký objem plazmy.

Tyto vlastnosti technologie indukční plazmy si v posledním desetiletí našly uplatnění v průmyslovém měřítku. Úspěšné průmyslové použití procesu indukční plazmy závisí do značné míry na mnoha základních technických podporách. Například konstrukce průmyslového plazmového hořáku, která umožňuje vysoký výkon (50 až 600 kW) a dlouhou dobu (tři směny po 8 hodinách / den) zpracování plazmy. Dalším příkladem jsou podavače prášku, které dopravují velké množství prekurzoru pevné látky (1 až 30 kg / h) se spolehlivým a přesným výkonem podávání.

V dnešní době jsme byli v pozici, abychom byli schopni spočítat mnoho příkladů průmyslových aplikací technologie indukčního plazmatu, jako je prášková sféroidizace, syntéza nanočástic prášků, postřik plazmou indukcí, zpracování odpadu atd.,^[7][8] Nejpůsobivější úspěch technologie indukční plazmy je však bezpochyby v oblastech sféroidizace a nano materiály syntéza.

Prášková sféroidizace^[9]

Hustá mikrostruktura sféroidizovaného obsazení karbid wolframu prášky

Požadavek na sferoidizaci prášků (stejně jako na zahušťování) pochází z velmi odlišných průmyslových oborů, od práškové metalurgie až po elektronické balení. Obecně řečeno, naléhavou potřebou průmyslového procesu obrátit se na sférické prášky je hledat alespoň jednu z následujících výhod, které vyplývají z procesu sféroidizace:

1. Zlepšete sypkost prášků.
2. Zvyšte hustotu balení prášků.
3. Odstraňte vnitřní dutiny a zlomeniny prášku.
4. Změňte morfologii povrchu částic.
5. Další jedinečný motiv, jako je optický odraz, chemická čistota atd.

Sferoidizace je proces tavení za letu. Prekurzor prášku hranatého tvaru se zavede do indukční plazmy a okamžitě se roztaví při vysokých teplotách plazmy. Roztavené částice prášku získávají sférický tvar působením povrchového napětí v kapalném stavu. Tyto kapičky budou drasticky ochlazeny, když vyletí z plazmového oblaku, kvůli velkému teplotnímu gradientu vzrušujícímu v plazmě. Zkondenzované koule se tak shromažďují jako produkty sféroidizace.

Velké množství keramik, kovů a kovových slitin bylo úspěšně sféroidizováno / zhuštěno pomocí indukční plazmové sféroidizace. Následuje několik typických materiálů sféroidizovaných v komerčním měřítku.

• Oxidová keramika: SiO₂, ZrO₂, YSZ, Al₂TiO₅, sklenka
• Neoxidy: WC, WC – Co, CaF₂, TiN
• Kovy: Re, Ta, Mo, W
• Slitiny: Cr – Fe – C, Re – Mo, Re – W

Syntéza nanomateriálů

Právě zvýšená poptávka po nanoprášku podporuje rozsáhlý výzkum a vývoj různých technik nanometrických prášků. Výzvy pro průmyslovou aplikační technologii jsou produktivita, kontrolovatelnost kvality a cenová dostupnost. Technologie indukční plazmy implementuje odpařování prekurzoru za letu, dokonce i těch surovin s nejvyšší teplotou varu; pracující v různých atmosférách, umožňující syntézu nejrůznějších nanoprášků, a stala se tak mnohem spolehlivější a účinnější technologií pro syntézu nanoprášků v laboratorním i průmyslovém měřítku. Indukční plazma používaná pro syntézu nanoprášku má oproti alternativním technikám mnoho výhod, jako je vysoká čistota, vysoká flexibilita, snadné škálování, snadná obsluha a řízení procesu.

V procesu nanosyntézy se materiál nejprve zahřeje na odpařování v indukční plazmě a páry se následně podrobí velmi rychlému kalení v zóně kalení / reakce. Uhlazovacím plynem mohou být inertní plyny, jako je Ar a N₂ nebo reaktivní plyny, jako je CH₄ a NH₃, v závislosti na typu nanoprášku, který má být syntetizován. Vyrobené nanometrické prášky jsou obvykle shromažďovány porézními filtry, které jsou instalovány mimo část plazmového reaktoru. Vzhledem k vysoké reaktivitě kovových prášků by měla být věnována zvláštní pozornost pacifikaci prášku před odstraněním sebraného prášku z filtrační části procesu.

Systém indukční plazmy byl úspěšně použit v syntetických nanoprášcích. Typický rozsah velikostí vyráběných nanočástic je od 20 do 100 nm, v závislosti na použitých podmínkách kalení. Produktivita se pohybuje od několika stovek g / h do 3 ~ 4 kg / h podle fyzikálních vlastností různých materiálů. Níže je uveden typický systém indukční plazmové nanosyntézy pro průmyslové použití. Zahrnuty jsou fotografie některých nanoproduktů ze stejného zařízení.

Galerie

• 

  Vločkovité do sebe zapadající rheniové prášky se po zpracování sféroidizace indukční plazmou stávají hustými samostatnými koulemi

• 

  SiO₂ prášek sféroidizovaný indukční plazmou (vzduchová plazma), výkon 15 ~ 20 kg / h

• 

  Indukční plazmové zařízení pro syntézu nanoprášků

• 

  Některé vzorky nanočástic připravené zpracováním indukční plazmou

souhrn

Technologie indukční plazmy dosahuje hlavně výše zmíněných procesů s vysokou přidanou hodnotou. Kromě „sféroidizace“ a „syntézy nanomateriálů“ představuje vysoké riziko nakládání s odpady, žáruvzdorné materiály vklad, ušlechtilý materiál syntéza atd. mohou být další průmyslová pole pro technologii indukční plazmy.

Viz také

• Plazmový pohonný motor
• Seznam článků o plazmě (fyzice)

Poznámky