Прикладная физика

Исследовано влияние температуры расплава металлургического кремния на эффективность плазмохимической очистки с использованием электронного пучка.

При плазмохимическом рафинировании протекают следующие процессы: испарение легколетучих примесей за счет быстрого разогрева металлургического кремния с помощью электронного пучка; перевод трудно испаряемых в вакууме примесей в их легколетучие соединения в химически активной окислительной электронно-пучковой плазме.

Установлено, что удаление разных групп примесей необходимо проводить при разных температурах в диапазоне 1300–1900 °С.

Исследовано влияние внешнего магнитного поля с индукцией менее 150 Гс на картину вложения мощности в маломощный индуктивный разряд и на структуру продольных ВЧ-полей в плазме разряда. Показано, что вложение ВЧ-мощности в разрядную плазму, а также распределения амплитуды и фазы продольной компоненты магнитного ВЧ-поля вдоль оси системы немонотонно зависят от величины магнитного поля.

Представлены результаты исследования уноса материалов (эрозии) наиболее тепло-напряженных узлов трехфазного плазмотрона переменного тока «Звезда» мегаватт-ной мощности: электродов и конфузоров. Данные по уносу получены путем взвешивания исследуемых узлов после циклов их работы на фиксированных режимах.
В качестве рабочего тела использовался воздух. Режимы работы плазмотрона варьировались в диапазонах изменения дуговой мощности 0,5–1,2 МВт, токов 160–400 А, расхода газа70–170 г/с. При использовании различных выходных сопел давление в плазмотроне изменялось от 0,2 до 1,65 МПа. Показано влияние различных параметров режима работы на ресурс плазмотрона. С использованием полученных данных по эрозии электродов и конфузоров проведена оценка их ресурса.

В данной работе приводятся результаты исследований по формированию плотных потоков водородной плазмы ЭЦР-разряда в магнитном поле одиночного соленоида. Показана возможность формирования однородных потоков с плотностью 750 мА/см2 и полным током 5 А. Приводятся результаты первых экспериментов по формированию пучка ионов водорода из плазмы ЭЦР-разряда в одной магнитной катушке. Получены рекордные значения плотности тока в пучке свыше 1,5 А/см2. Представленные результаты свидетельствуют о перспективности использования рассмотренной системы в приложениях по созданию инжекторов высокоэнергетических нейтралов для нагрева плазмы в установках управляемого термоядерного синтеза.

В работе рассмотрены конструкции двух установок плазмохимического синтеза на базе плазмотронов переменного тока мощностью до 30 кВт для получения ультра-дисперсных (наноразмерных) оксидных и карбидных материалов. Приведены результаты, полученные при выполнении экспериментальных исследований по получению ультрадисперсных порошков оксидов металлов (железа и алюминия).

Представлены результаты модернизации ЭЦР ионного источника GISMO в ИПФ РАН с целью разработки на его основе протонного инжектора, который в будущем будет являться составляющей частью линейного ускорителя для компактного источника нейтронов DARIA. В разрабатываемой системе для удержания плазмы используется адаптированная открытая ловушка на постоянных магнитах (NdFeB). Протонный пучок извлекается из плазмы с помощью трехэлектродной системы экстракции. Формирование слабо расходящегося пучка достигается за счет использования магнитной линзы в виде соленоида. Оптимизация системы экстракции проводится с помощью численного моделирования. По ее результатам удалось спроектировать систему формирования протонного пучка, удовлетворяющего требованиям DARIA.

Представлены результаты исследования плазменного пиролиза метана с использованием плазмотрона постоянного тока с полыми электродами. Дуговая мощность
плазмотрона составляла 40–50 кВт, расход метана 0,7–1,6 г/с, соотношение расходов метана, подаваемого в реактор и плазмотрон, варьировалось в диапазоне 0–1,63.
Показано, что при увеличении отношения этих потоков концентрация водорода
уменьшается, при этом растет доля не превращённого метана. Зависимость выхода
ацетилена проходит через максимум в диапазоне отношений 0,6–1,3 с достижением
объемной концентрации на уровне 10,52 %. Степень конверсии метана в плазмотроне
достигает 98–99 %, а объемная концентрация водорода – 92–97 %.

Предложен метод плазмохимического рафинирования металлургического кремния. Метод основан, во-первых, на испарении легколетучих примесей за счет быстрого разогрева металлургического кремния с помощью электронного пучка. Во-вторых, на переводе труднолетучих примесей в их легколетучие соединения в химически актив-ной электронно-пучковой плазме. И в-третьих, на перекристаллизации полученного кремния под действием электронного пучка. Указанным методом на лабораторном оборудовании проведено рафинирование металлургического кремния. Показано, что за счет использования перекристаллизации кремния под действием электронного пучка эффективность рафинирования существенно увеличена.

Рассмотрены конструкции плазмотрона переменного тока и созданной на его базе плазмохимической установки по получению высокодисперсных порошков тугоплавких металлов, представлены экспериментальные исследования основных рабочих параметров и характеристик плазмотрона.

Рассматриваются особенности плазмохимического процесса получения карбида вольфрама с использованием плазмотрона переменного тока, синтез проведен в плазме водорода и метана. Процесс получения карбида вольфрама заключается в следующем: порошок оксида вольфрама WO3 подвергается воздействию плазменного потока H2 и CH4 с максимальной температурой до 10000 K. В большинстве экспериментов, расход газовой смеси составил до 0,02 г/с, мощность плазмотрона до 3 кВт. Для полученных образцов были проведены рентгенофазовый анализ, сканирующая электронная микроскопия и элементное картирование. Установлено, что при синтезе получен карбид вольфрама WC, его размеры находятся в пределах 5–20 мкм.

Приводятся результаты экспериментальных исследований параметров подводного разряда переменного тока частотой 50 Гц, горящего между двумя проволочными электродами из меди, молибдена и стали (Ст3). В результате моделирования процессов, протекающих в газовом пузыре установлен предварительный состав газовой фазы и концентрации основных активных частиц плазмы.

Представлены результаты исследования особенностей работы трехфазного плазмотрона переменного тока мегаваттной мощности при использовании в качестве рабочего тела углекислого газа. Получены данные по вольтамперной характеристике плазмотрона, а также по скорости уноса наиболее теплонапряженных узлов: электродов и конфузоров. Данные по уносу получены путем взвешивания исследуемых узлов после циклов их работы. Режимы работы плазмотрона варьировались в диапазоне: дуговая мощность: 0,92–1,2 МВт, ток: 345–400 А, расход углекислого газа 110 г/с. Проведено сравнение скорости уноса электродов и конфузоров при работе плазмотрона на CO2 и воздухе.