CZ286310B6

CZ286310B6 - Způsob vytváření fyzikálně a chemicky aktivního prostředí plazmovou tryskou a plazmová tryska

Info

Publication number: CZ286310B6
Application number: CZ19981476A
Authority: CZ
Inventors: Miloš Mgr. Klíma; Jan Prof. Rndr. Drsc. Janča; Vratislav Prof. Rndr. Drsc. Kapička; Pavel Mgr. Slavíček; Petr Saul
Original assignee: Přírodovědecká Fakulta Masarykovy Univerzity
Priority date: 1998-05-12
Filing date: 1998-05-12
Publication date: 2000-03-15
Also published as: DE69926356T2; WO1999059385A1; EP1077021A1; CZ147698A3; ATE300857T1; EP1077021B1; JP2002515639A; DE69926356D1; US6525481B1

Abstract

Způsob spočívá v tom, že z nejméně jednoho vnějšího zdroje (3) o výkonu cca 10.sup. 0.n. až 10.sup. 3.n. W a amplitudě napětí řádově 10.sup. 1.n. až 10.sup. 4.n. V s možností její modulace při frekvenčním rozsahu ss, nf, vf nebo mikrovln (vvf) se přivádí elektromagnetická energie na nejméně jednu dutou elektrodu (1) s prvky (14), lokálně zvyšujícími hustotu elektromagnetické energie, kterou protéká proud pracovního média, v němž se vytváří elektromagnetické pole v podélném a/nebo v příčném směru dutiny (13) elektrody (1) a/nebo na jejím ústí, a současně se generují volné nosiče náboje působením prvků (14), lokálně zvyšujících hustotu elektromagnetické energie, a srážkovými procesy částic v pracovním médiu a na povrchu duté elektrody (1), čímž uvnitř dutin elektrody (1) a/nebo na jejím ústí a ve vnějším prostředí vzniká intenzivní výboj nebo systém primárních a filamentárních výbojů s vlastním vnitřním prouděním, které jsou neseny protékajícím pracovním médiem, jež postupně aktivují, a ŕ

Description

Způsob vytváření fyzikálně a chemicky aktivního prostředí plazmovou tryskou a plazmová tryska

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu vytváření fyzikálně a chemicky aktivního prostředí plazmovou tryskou, která umožňuje transformaci a směrovaný přenos elektromagnetické energie vjejích různých formách prostřednictvím plazmatu od plazmové trysky k upravovanému objektu.

Dosavadní stav

Pro vytváření fyzikálně a chemicky aktivního prostředí, využívaného k úpravám předmětů nebo chemických sloučenin, se běžně používá široké spektrum různými způsoby generovaných výbojů na základě elektromagnetické energie, které následně působí na aktivovatelné médium nebo přímo na upravované objekty.

Z CZ 246982 je znám způsob prostorově směrovatelné chemické aktivace pracovního plynu plazmatem v oblasti mezi tryskou, připojenou přes přizpůsobovací člen ke zdroji vysokofrekvenční (vf) energie s nesymetrickým výstupem, a zemněnou elektrodu, připojenou k druhému výstupu výše jmenovaného zdroje. Použití způsobuje omezeno pouze na nízké tlaky, plynné pracovní médium a vnější plazmatické prostředí.

Ze zveřejnění PV 03925-90 CZ (priorita 9.8.1990) a WO 95/11322 jsou známy modifikace předchozího uvedeného způsobu, vyznačující se tím, že ke generaci výboje, který aktivuje skrze trysku protékající pracovní plyn, dochází již uvnitř duté elektrody v pracovním režimu tzv. vysokofrekvenční duté katody. Ve WO 95/11322 je využito oproti zveřejněné PV 03925-90.J CZ střídavě průtočného neprůtočného pracovního režimu k rozprašování materiálu elektrody, ve zveřejněné PV 03925-90.J CZ je navíc k usměrnění plazmochemických procesů použit permanentní magnet, umístěný osově symetricky vně trysky. Oba tyto způsoby jsou omezeny pouze na nízké tlaky, plynné pracovní médium a vnější plazmatické prostředí.

Podle WO 96/16531 je plazma generováno za nízkého tlaku v plynném pracovním médiu tzv. vf dutou katodou lineární geometrie a plazmochemické procesy jsou usměrňovány přídavným magnetickým polem jiné než osové symetrie z permanentních magnetů nebo elektromagnetů.

Z SE 9302222-6 je známa modifikace předchozích patentů, kde dutá elektroda je napájena z mikrovlnného zdroje.

Hlavní nevýhodou výše jmenovaných způsobů a zařízení pro jejich provádění je, že jsou omezeny pouze na nízké tlaky do 10²'³ Pa, plynné pracovní médium a vnější plazmatické prostředí.

Z Jpn.J.Appl.Phys. 33 (1994), L 197, je znám způsob generování vf plazmatu za atmosférického tlaku. Vf výboj v tomto případě nevzniká v elektrodě s dutou geometrií, ale na kompaktní jehlovité elektrodě, vložené do dielektrické trubice, protékané pouze pracovním médiem v plynném stavu. Nevýhodou tohoto způsobu a zařízení je skutečnost, že výboj je generován na plné jehlovité elektrodě, čímž plazmochemické procesy aktivace proudícího pracovního média nejsou natolik účinné jako v případě výboje v duté elektrodě. Je aplikovatelný pouze v prostředí, tvořeném plynnou fází, kde se nevytváří směrovatelný reakční kanál, schopný aktivovat další objekt nebo pracovní médium.

- 1 CZ 286310 B6

V Plasma Sources Sci.Technol.6, 1997, 468-477 je popsán způsob generace vysokotlakého výboje typu stejnosměrné duté katody v plynu bez průtočného režimu. Zařízení je tvořeno dvěma elektrodami, z nichž katoda má dutinu s válcovou symetrií o vnitřním průměru cca 0,2 až 0,7 mm a je od anody, která bezprostředně navazuje na dutinu katody, oddělena vrstvou dielektrického materiálu. Nejedná se o plazmovou trysku, neboť je použito pouze plynu bez průtočného režimu. Zařízení není použito na aktivaci nebo úpravu žádného dalšího aktivovatelného pracovního média nebo objektu a napájení elektrod je provedeno pouze ze stejnosměrného zdroje.

Z CZ 282566 B6 a Proč. Of 18th Symp. On Plasma Phys. And Technology, Prague, 1997, 144146, je znám způsob vytváření objemového korónového výboje ve vodě nebo ve vodě s příměsemi mezi elektrodami, na které je přiloženo impulzní napětí, který se vyznačuje tím, že se intenzita elektrického pole v blízkosti alespoň jedné z elektrod zvýší částečným pokrytím této elektrody pevným a/nebo plynným dielektrikem a na povrchu elektrody se vytvoří místa styku materiálu elektrody, pevného a/nebo plynného dielektrika a/nebo vody (tzv. “trojné body“ o odlišných dielektrických konstantách). Zařízení pro provádění tohoto způsobu je tvořeno objemným válcovým kovovým reaktorem, který je současně jednou elektrodou, kterou zvolna protéká výše uvedené kapalné médium. Druhá tyčovitá elektroda je umístěna podélně v ose tohoto reaktoru. Způsob generace výboje lze provádět pouze ve vodném prostředí. Zařízení je objemné a funguje pouze při použití velmi výkonného pulzního zdroje stejnosměrné elektrické energie (řádově až desítky MW v pulzu - Proč, of 18th Symp. On Plasma Phys. And Technology, Prague, 1997, 144-146).

Všechny tyto způsoby jsou úzce spojeny s konkrétním a vysoce specifickým uspořádáním plazma generujícího zařízení a vysoce specifickými pracovními podmínkami (pracovní prostředí, médium, tlak, teplota, frekvence budicí elektromagnetické energie, výkon jejího zdroje apod.).

V praxi používaná zařízení jsou obvykle úzce účelová, rozměrná a vyžadují uzavřený prostor (např. vakuová zařízení), nebo jsou vysoce náročná na spotřebu energie (např. plazmatrony desítky kW) nebo na způsob generace výboje (např. pulzní korány - desítky kW ažMW v pulzu). Doposud neexistovala možnost cílených, prostorově úzce směrovaných, dostatečně jemných, ale efektivních, povrchových nebo maloobjemových úprav objektů za vyšších tlaků (zvláště ve volné atmosféře nebo v kapalném prostředí), prováděných pouze jediným zařízením, a to v celém spektru frekvencí zdrojového napětí.

Podstata vynálezu

Uvedené nevýhody odstraňuje způsob vytváření fyzikálně a chemicky aktivního prostředí plazmovou tryskou podle vynálezu, který spočívá v tom, že z nejméně jednoho vnějšího zdroje o výkonu cca 10° až 10³ W a amplitudě napětí řádově 10¹ až ΙΟ⁴ V s možností její modulace při frekvenčním rozsahu ss, vf nebo mikrovln (wf) se přivede elektromagnetická energie na nejméně jednu dutou elektrodu s prvky, lokálně zvyšujících hustotu elektromagnetické energie, kterou protéká proud pracovního média, v němž se vytváří elektromagnetické pole v podélném a/nebo v příčném směru dutiny elektrody a/nebo na jejím ústí a současně se generují volné nosiče náboje působením prvků, lokálně zvyšujících hustotu elektromagnetické energie, a srážkovými procesy částic v pracovním médiu a na povrchu duté elektrody, čímž uvnitř dutin elektrody a/nebo na jejím ústí a ve vnějším prostředí vzniká intenzivní výboj nebo systém primárních a filamentámích výbojů s vlastním vnitřním prouděním, které jsou neseny protékajícím pracovním médiem, jež postupně aktivují a takto vzniklé plazma společně s proudícím a nadále se aktivujícím pracovním médiem proudí dutou elektrodou a ve vnějším prostředí subsonickou nebo supersonickou rychlostí za současného vytvoření směrovatelného reakčního kanálu při tlaku 10³až 10⁶ Pa.

Přenos elektromagnetické energie do výboje, neseného pracovním médiem, se impedančně přizpůsobí.

-2CZ 286310 B6

Pracovním médiem a vnějším prostředím je plyn, kapalina nebo jejich směsi, nebo směs pevných částic s plynem, kapalinou nebo jejich směsí.

Proces generace plazmatu a aktivace pracovního média se s výhodou spoluvytváří a reguluje 5 dalším magnetickým polem, vytvořeným z permanentního magnetu a/nebo z elektromagnetu, nebo jejich systémem.

Plazmová tryska k vytváření fyzikálně a chemicky aktivního prostředí podle vynálezu spočívá v tom, že je tvořena nejméně jednou dutou elektrodou z vodivého nebo vodivého a dielektrické10 ho materiálu s alespoň jedním prvkem, lokálně zvyšujícím hustotu elektromagnetické energie uvnitř duté elektrody a/nebo na jejím ústí a/nebo vně, který je tvořen konstrukčním prvkem a/nebo fyzikálním prvkem, působícím v příčném a/nebo podélném směru vzhledem k proudícímu pracovnímu médiu, a dále je tvořena nejméně jedním napěťovým zdrojem, který je připojen přes systém regulačních transformačních a přenosových prvků na vodivou část duté elektrody.

Konstrukční prvek je tvořen drsným povrchem materiálu elektrody a/nebo dutinou a/nebo výstupkem a/nebo hrotem a/nebo ostřím, umístěným uvnitř dutiny elektrody a/nebo vně a/nebo v jejím ústí; a/nebo otvory a/nebo štěrbinami, vytvořenými v duté elektrodě, a/nebo kontaktním místem vodivé části elektrody s dielektrickým materiálem.

Fyzikální prvek je vybrán ze skupiny, tvořené přídavnou elektrodou o jiném potenciálu než má dutá elektroda, a/nebo zdrojem elektricky nabitých částic nebo do vyšších energetických hladin excitovaných částic, a/nebo zdrojem fotonů nebo částic s vysokými energiemi, působících v příčném a/nebo podélném směru vzhledem k proudícímu pracovnímu médiu.

S výhodou je v duté elektrodě nebo vně duté elektrody umístěn magnet a/nebo elektromagnet.

Dutá elektroda je upevněna k nevodivému držáku, který umožňuje ruční nebo mechanické ovládání.

Tímto způsobem lze vytvořit čtyři základní typy vysoce variabilních a dynamických vysokotlakých jednopólových (napájení elektrody vf energií) nebo dvojpólových (zdroj elektromagnetické energie bez pásmového omezení) výbojů nebo systémů výbojů, které mohou na sebe navazovat a které jsou vyfukovány z dutiny plazmové trysky nebo stěn jejího ústí 35 a směrovány ve vnějším prostředí. Tyto základní typy výbojů jsou následující:

1. Vysokotlaký výboj nebo systém výbojů, který je generován uvnitř duté elektrody, jež je součástí plazmové trysky, resp. ji vytváří, a je z ní vyfukován, nebo který je vyfukován ze stěn jejího ústí, resp. ze systému jejích dutin (multicelulámí výboj). Tento výboj nebo systém výbojů může být charakterizován dvěma krajními stavy:

a) Plazma je aktivně generováno uvnitř dutiny elektrody pouze při záporné části amplitudy napětí na elektrodě (dutá elektroda je katodou-od cca frekvence 1 kHz se plazma v dutině elektrody již udrží trvale).

b) Plazma je aktivně generováno uvnitř dutiny elektrody bez ohledu na amplitudu napětí na elektrodě (např. výše uvedenými prvky, lokálně zvyšujícími hustotu elektromagnetické energie).

2. Vysokotlaký tzv. „ztížený“ výboj nebo systém výbojů, který je vyfukován z duté elektrody, 50 od které je alespoň zčásti oddělen vrstvou dielektrického materiálu, nebo který je vyfukován ze stěn jejího ústí, resp. ze systému jejích dutin.

3. Vysokotlaký výboj nebo systém výbojů, který navazuje na výboje typu 1 a 2 a který je generován dielektrickými prvky duté elektrody a nastane:

-3CZ 286310 B6

a) polarizací, resp. hromaděním polarizačního náboje na stěnách a hranách dielektrické trubice nebo jiných dielektrických prvků elektrodové trysky,

b) zvýšením hustoty elektromagnetické energie na přechodech vodivý materiál - dielektrikum (resp. dielektrický materiál o různé dielektrické konstantě).

4. Vysokotlaký výboj nebo systém výbojů, který navazuje na výboje 1 až 3 vně duté elektrody ve vnějším prostředí nebo dohasínání plazmatu, generovaného ve výbojích 1 až 3.

Ke vzniku a trvalé generaci jednotlivých výbojů nebo systému výbojů výše popsaný zařízením dojde při splnění následujících konstrukčních, pracovních a existenčních podmínek:

1. Ke vzniku prvého typu výboje dojde za předpokladu, že střední volná dráha elektronů v daném pracovním médiu za daného tlaku trvale zůstává podstatně menší, popř. nejvýše řádově srovnatelná s nejmenšími rozměry dutiny plazmové trysky, resp. výbojového prostoru vně jejího ústí a navíc při stejnosměrném nebo nízkofrekvenčním napájení plazmové trysky za předpokladu, že nejmenší rozměr průřezu dutiny elektrody je větší než minimální vzdálenosti záporného světla od katody.

2. Druhý typ výboje není omezen vzájemným poměrem střední volné dráhy elektronů v daném pracovním médiu za daného tlaku a nejmenšího rozměru průřezu dutiny plazmové trysky, tvořící její vnitřní výbojový prostor, resp. výbojové prostory vně jejího ústí, právě když je použito tzv. „ztíženého“ typu výboje uvnitř duté elektrody, tj. kdy vnitřní výbojový prostor je oddělen od vodivé části dutiny elektrody vrstvou dielektrického materiálu zvláště pro přenos vysokofrekvenční energie.

Vyfukovaný výboj, resp. systém výbojů z ústí elektrodové trysky může být i přes svou výraznou druhovou rozrůzněnost částečně charakterizován teplotou neutrálních částic v plazmatu, aproximovanou z rotační teploty OH molekuly, která se pohybuje v rozmezí 300 až 1000 K podle zvolené konstrukční varianty, použitého pracovního média a způsobu aplikace.

Za nízkých tlaků (cca 10°—10³ Pa) v plynném nebo plazmatickém prostředí tyto výboje plynule přecházejí v některé známé druhy výbojů, vyfukovaných z plazmové trysky duté geometrie (dutá katoda aj.).

Způsob a zařízení podle vynálezu jsou využitelné v jakémkoliv prostředí a tlaku.

Lze je využít:

1. cíleně na aktivaci a úpravu plazmovou tryskovou protékaného plynu, kapaliny, směsi plynu a kapaliny, směsi plynem nebo kapalinou unášených prachových částic nebo drobných objektů,

2. na úpravy povrchu objektů,

3. na objemové úpravy opracovávaného objektu,

4. na úpravu v opracovávaném objektu vnořených nebo rozptýlených menších objektů nebo v něm se nacházejících sloučenin,

5. na aktivaci dalšího pracovního média, které následně působí na opracovávané objekty, resp. sloučeniny,

-4CZ 286310 B6

6. na změnu materiálu plazmové trysky nebo jejích součástí,

7. na plazmochemickou syntézu sloučenin ve stavu pevném, kapalném, plynném, plazmatickém nebo směsném,

8. použití vynálezu je též možné na biologické objekty (zvláště při vysokofrekvenčním způsobu generace výboje) a jiné aplikace.

Při manuální práci s plazmovou tryskou je možná přímá bezprostřední kontrola plazmochemických procesů a jejich účinků na opracovávaný objekt, což při umístění objektu v plazmochemickém reaktoru je vyloučeno, nebo do značné míry omezeno.

Přehled obrázků

Na obr. 1 je znázorněn princip plazmové trysky pro vytváření fyzikálně a chemicky aktivního prostředí a současně nejjednodušší příklad výhodného provedení konstrukce zařízení.

Na obr. 3 až 10, 12 a 16 jsou uvedeny různé konstrukční varianty duté elektrody.

Na obr. 2, 11 a 13 a, b, c jsou jednoduché typy plazmové trysky.

Na obr. 14 a 15 jsou znázorněny konstrukční varianty plazmové trysky.

Příklady provedení

Příklady konstrukčního provedení duté elektrody a schéma plazmové trysky.

Základní konstrukční variantou duté elektrody 1 je dutý válec s alespoň jedním prvkem, lokálně zvyšujícím hustotu elektromagnetické energie, kterým je například konstrukční prvek 12, tvořený zdrsněným povrchem dutiny 13 elektrody 1, nebo výstupek, znázorněný například na obr., nebo výstupek, znázorněný například na obr. 5, nebo hrot na obr. 4, 5 nebo ostří, otvory nebo štěrbiny, vytvořené v duté elektrodě 1. znázorněné na obr. 3 a 4.

Prvkem, lokálně zvyšujícím hustotu elektromagnetické energie, může být také fyzikální prvek 17, který je zaveden do dutiny 13 elektrody 1 nebo na její ústí (obr. 10b, d, 12b, 15).

Další konstrukční varianta vychází z předchozích variant. Základní varianta duté elektrody 1 je doplněna o dielektrické části. Vnitřní a/nebo vnější stěny elektrody/-y 1 jsou alespoň zčásti pokryty vrstvou dielektrického materiálu 18 a/nebo systémem plných a/nebo dutých a/nebo porézních dielektrických materiálů 18, které obemykají elektricky vodivé části 19 a/nebo jsou uvnitř jejich dutin, jak znázorňují obr. 12a, b, kde 18 je dielektrický materiál a 19 je elektricky vodivá část.

Dutá elektroda 1 je tvořena například systémem dutin 13, vytvořených v elektrodě 1, jak znázorňují obr. 5, 6. Podle obr. 7 jsou dutiny 13, kterými protéká pracovní médium 5, vytvořeny mezerami mezi porézním materiálem 16, elektricky vodivým nebo nevodivým, kterým mohou být kuličky, nebo síťka. Dutiny 13 elektrody 1 mohou být také vytvořeny deskou, stočenou do spirály, nebo soustavou válců nebo jejich částí, umístěných v sobě, jak je znázorněno na obr. 8, 9a, b, které navíc mohou být vůči sobě podélně posunuty, přičemž válec, nacházející se v centru, nemusí být dutý (plný hrot).

-5CZ 286310 B6

Další konstrukční variantou je systém segmentů 15, tvořících dutinu 13 nebo dutiny 13 elektrody 1, znázorněných na obr. 10 a, b, c, d. Jednotlivé segmenty 15 mohou být od sebe odděleny dielektrickým materiálem 18 (obr. 10c, d) nebo mohou být volně seskupeny (obr. 10 a, b) a vzájemně odděleny pouze pracovním prostředím.

Konstrukční řešení duté elektrody 1, zobrazené na obr. 16, má k elektrodě 1 připevněn přes izolující dielektrický materiál 18 chomáč nebo svazek jemných vláken 29, popř. tampon z anorganických nebo organických materiálů, jako je sklo, kov keramika, bavlna, žíně, syntetická vlákna apod., nebo jiný nástroj, kterým lze mechanicky upravovat povrch objektu, ošetřovaného plazmatem, například tužka nebo rydlo.

Příklad 1

Nejjednodušší realizovaná konstrukční varianta plazmové trysky je znázorněna na obr. 1 pro případ, v němž okolní prostředí plazmové trysky je ve stavu plynném nebo plazmatickém, za tlaku vyššího než cca 10³Pa, popř. ve volné atmosféře nebo v tlaku vyšším než je tlak atmosférický. Elektroda 1 je ve tvaru dutého válečku s kónickým z'žením, s prvkem 14, lokálně zvyšujícím hustotu elektromagnetické energie, tvořeným zaostřenými hranami na ústí dutiny 13 elektrody 1. Tento typ je přednostně používán v systému s vnější protielektrodou nebo slouží jako fyzikální prvek 17 pro generaci výboje uvnitř dutiny 13 další elektrody 1.

Na dutou elektrodu 1, skrze kterou protéká pracovní plyn 5, je přes impedanční přizpůsobovací člen 4, tvořený systémem regulačních, transformačních a přenosových prvků, připojen ss, nf, vf nebo wf napěťový zdroj 3. Dutá elektroda 1 je připevněna na pohyblivý držák 2 z dielektrického materiálu, kterým je možno plazmovou trysku snadno ovládat. U hrotu ústí duté elektrody 1 vzniká vysoká hustota elektromagnetické energie, která je navíc umocněna strháváním prostorového náboje od stěn a hrotů elektrody j. proudícím pracovním médiem 5, čímž vzniká možnost snadného zapálení výboje 7 na ústí elektrody L Výboj 7 proniká v záporné půlperiodě amplitudy zdrojového napětí nebo v jeho záporném pulzu do dutiny 13 elektrody l·, kde vytváří vysoce intenzivní typ výboje 6. Výboje 6 a 7 aktivují proudící médium 5. Takto vzniklé plazma 8 proudí dutinou 13 elektrody 1 a jejím ústím do vnějšího prostředí, kde vytváří směrovatelný reakční kanál 9, v kterém se pracovní plyn 5 dále aktivuje a současně umožňuje úpravu objektů ve vnějším prostředí. Vznikající interakční procesy 10 výrazně zpětnovazebně ovlivňují vlastní proces generace plazmatu.

Příklad 2

Plazmová tryska, znázorněná na obr. 2, je tvořena systémem dutých elektrod J, z nichž alespoň jednaje zdrojem fyzikálně a chemicky aktivního prostředí a alespoň jednaje mechanicky nebo přímo rukou prostřednictvím držáku 2 ovladatelná.

Na základě střetu dvou a více reakčních kanálů 9 od jednotlivých dutých elektrod 1 vzniká výsledný reakční kanál 11 s útvary proudícího plazmatu (obvykle mnohem objemnější než primární reakční kanály), které nově nebo dále aktivují přiváděné pracovní médium 5.

-6CZ 286310 B6

Příklad 3

Obr. 11 znázorňuje schéma plazmové trysky, kdy materiál elektrody 1 je chlazen proudícím médiem 5, které je výhodně využito po splnění své chladicí funkce k následné aktivaci v některé z oblastí fyzikálně a chemicky aktivovaného prostředí 6 a 7, nebo je využito k modelování tvaru reakčního kanálu 9.

Součástí plazmové trysky všech uvedených variant může být permanentní magnet 20 a/nebo elektromagnet nebo jejich systém, umístěný vně plazmové trysky (obr. 13a-c), který spoluvytváří a reguluje proces generace plazmatu.

Příklad 4

Další konstrukční varianta s kombinací vodivého a dielektrického materiálu je na obr. 14 a lze ji použít v libovolném pracovním médiu, v plynném stavu nebo v kombinaci se sypkou směsí, resp. s drobnými kapičkami nebo parami kapaliny, bez použití protielektrody za tlaku 10³ až 10⁶ Pa.

Elektroda 1 je tvořena z Ta, Mo, Pt, Ni, oceli nebo jiných kovových i nekovových fyzikálně a chemicky odolných elektricky vodivých materiálů ve tvaru duté jehly, v jejímž plášti je konstrukční prvek 12 tvořený otvorem. Elektroda 1 je usazena v nosné části 21, připojené na zdroj 3 např. vf energie (13,56 MHz, 10-500 W) přes impedanční přizpůsobovací člen 4 a k přívodu pracovního plynu 5. Tato nosná část 21 je upevněna k nevodivému držáku 2 přes jeho pohyblivou a natáčecí část 22. Elektroda 1 je kryta soustřednou izolující kapilárou 23 z křemenného skla s možností regulace hloubky vnoření duté elektrody 1 do kapiláry 23 a současně je přes ní souose převlečen permanentní magnet 20 s možností nezávislého vertikálního pohybu upevněním přes dielektrický materiál 18 na nosnou část 21.

Pracovní médium 5 proudí jednak uvnitř elektrody 1, jednak skrze konstrukční prvek 12, kterým vtéká do prostoru mezi elektrodou 1 a stěnou kapiláry 23 a tím umožňuje chlazení kapiláry 23. Na základě fyzikálních procesů na ústí duté elektrody 1 - typu vysokotlaké virtuální duté katody, který je z jejího ústí vyfukován a který je poté modelován kapilárou 23 z křemenného skla a magnetickým polem, které vytváří magnety 20. Ve výboji 6 a 7 se pracovní médium 5 trvale aktivuje. Takto proudící plazma 8 ve vnějším prostředí vytváří směrovatelný reakční kanál 9. Při aplikacích pod hladinou kapaliny je v prostoru mezi stěnou kapiláry 23 a elektrodou 1 generován doplňující vf výboj 24 (kapacitně vázaný přes stěnu dielektrické trubičky na kapalinu), který způsobuje aktivaci pracovního média 5, protékajícího tímto prostorem. Na výstupu z elektrody 1 pracovní médium 5-plyn, aktivovaný ve výbojích 6, 7 a 24, a výsledný tryskající výboj 25 společně vytváří reakční kanál 9.

Příklad 5

Dalším výhodným provedením je varianta, uváděná na obr. 12b, kde na dielektrický materiál 18 ve tvaru kapiláry z křemenného skla o vnitřním průměru cca 0,01 až 5 mm je z vnější strany nanesena vodivá vrstva 19 (grafit, měď, apod.). Na vodivou vrstvu 19 je přivedena ze zdroje (5 až 50 W, 13,56 MHz) přes přizpůsobovací člen vf energie. Výboj se iniciuje vysokou hustotou elektromagnetické energie na ústí elektrody v blízkosti okraje vodivé vrstvy 19, tvořící dutou elektrodu 1, a je vtažen do dutiny 13, tvořené dielektrickým materiálem 18. Tato konstrukční varianta je vhodná pro aktivaci plynného pracovního média nebo směsi plynu a kapaliny (aerosol) zvláště pro vysoce lokální úpravy povrchu objektů nebo úpravy mikroobjemu kapaliny za tlaku 10³ až 10⁶Pa.

-7CZ 286310 B6

Tuto variantu lze kombinovat s fyzikálním prvkem 17, umístěným uvnitř dutiny z dielektrického materiálu 18, například s wolframovým nebo ocelovým nebo měděným drátkem, vsunutým příčně a/nebo podélně do dutiny 13 (a které jsou na jiném potenciálu, než je dutá elektroda 1). Pak je možné plazmatem aktivovat i kapalné pracovní médium.

Příklad 6

Další konkrétní varianta je na obr. 15, lze ji použít v libovolném z výše jmenovaných vnějších prostředí při použití libovolného pracovního média za tlaku 10³až 10⁶ Pa.

Do elektrody 1 libovolného tvaru, připojené ke zdroji 3 ss, nf, vf nebo wf energie přes impedanční přizpůsobovací člen 4 a protékané pracovním médiem 5, je ze strany zaveden vhodný fyzikální prvek 17, který ústí do dutiny 13 elektrody 1. V předkládaném případě je jako fyzikální prvek 17 zvolena přídavná elektroda 26 na jiném potenciálu, než je elektroda L Tato přídavná elektroda 26 je tvořena molybdenovým, tantalovým, wolframovým, popř. ocelovým drátkem nebo grafitovou tyčinkou a od materiálu elektrody 1 je oddělena kapilárou 23 z křemenného skla, keramiky nebo teflonu. Mezi povrchem stěny dutiny 13 elektrody 1 a hrotem přídavné elektrody 26 v proudícím prostředí pracovního média 5 se projevuje výrazný potenciálový gradient, na jehož základě vzniká primární iniciační výboj (v daném případě oblouk nebo koróna 28), který dále iniciuje intenzivní výboj 6 uvnitř dutiny 13. Sekundární intenzivní výboj typu vysokotlaké virtuální duté katody 6 a/nebo dohasínající primární výboj 28, unášený proudem aktivovaného pracovního média 5, tryská z ústí elektrody 1 a dohasíná nebo přechází vjiný typ výboje 7 ve vnějším prostředí. Proud aktivovaného pracovního média 5 společně s proudícím plazmatem vytváří ve vnějším prostředí směrovatelný reakční kanál 9.

Příklad 7

Plazmové trysky lze použít k jemnému opracování detailů po mechanickém či laserovém obrábění, k jemnému opracování nebo vytváření detailů při šperkařských, zlatnických a sklářských pracích nebo při pracích uměleckých a restaurátorských, zvláště při odstraňování, nanášení nebo úpravě malby, písma nebo ochranné,či jiné vrstvy na předmětech, popř. při regeneraci a konzervaci těchto předmětů.

Fragmenty silně zkorodovaného archeologického skla s lokálními vrstvami precipitátů o tloušťce až 1 mm a vrstvami hydratovaného oxidu křemičitého o tloušťce 20 až 200 mikrometrů s podstatným zastoupením různých usazených sloučenin, které způsobovaly silné zabarvení až neprůhlednost materiálu, byly vloženy do 1 % hmotn. roztoku Complexonu ΙΠ. (CioHi40₈N₂Na₂.2H₂0) v destilované H₂O a vystaveny působení zařízení. Postupně za tlaku od cca 10³ Pa a výše a ve volné atmosféře byly odzkoušeny následující varianty pracovního média Ar, N₂, Ar+N₂, Ari-H₂, Ar+SF₆, Ar+C₃F₈, Ar+c-C₄F₈ aj. Výkon, dodávaný ze zdroje vf energie, se pohyboval v rozmezí 50 až 200 W (13,56 MHz), doba aplikace v minutách. Skleněné archeologické fragmenty se po aplikací zařízení ve všech odzkoušených případech vyčistily.

Analýzy fragmentů po aplikaci výše popsaného způsobu, provedené na rastrovacím elektronovém mikroskopu s energeticky disperzním a vlnově disperzním analyzátorem ukázaly, že podstatou získaného čisticího efektu, vedoucího ke zprůhlednění úlomku skla, je výrazné snížení množství sloučenin s obsahem Fe, Mn, Ca, P, Kaj. z korozních vrstev, došlo však k mírnému obohacení gelové vrstvy o Na. Aplikace zvláště SF₆ jako příměsi pracovního plynu umožnila výrazné snížení poréznosti povrchu gelovitých vrstev jejich zhlazením pomocí leptacích procesů.

Při aplikací způsobu námi pozorovaná celková rychlost a účinnost, ale i šetrnost čištění povrchu zkorodovaného skla (včetně lokalizovatelnosti úpravy na povrchu fragmentu), mnohonásobně

-8CZ 286310 B6 převýšily účinky klasické aplikace plazmatem neaktivované kapaliny. Tato skutečnost je dána zcela jinými mechanizmy fyzikálně-chemických reakcí, které probíhají při styku aktivovaného média nebo výboje s kapalinou a současně s povrchem předmětu.

Průmyslová využitelnost

Vynález je využitelný zvláště v laboratořích fyzikálního a chemického zaměření, v oboru materiálového inženýrství, v mikroelektronice, v elektrotechnickém, strojírenském, chemickém, textilním, sklářském a kosmetickém průmyslu, v medicíně, v ekologii, k restaurování a konzervování předmětů kulturního dědictví, k umělecké činnosti apod. Při aplikaci vynálezu, v případě použití vysokofrekvenční energie (frekvence vyšší než 1 MHz), nehrozí žádný vážný úraz elektřinou ani obsluze zařízení, ani případnému živému objektu aplikací, avšak nesmí být aplikován v přítomnosti osob s kardiostimulátory.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims

1. Způsob vytváření fyzikálně a chemicky aktivního prostředí plazmovou tryskou, vyznačující se tím, že z nejméně jednoho vnějšího zdroje (3) o výkonu cca 10° až 10³ W a amplitudě napětí řádově 10¹ až ΙΟ⁴ V s možností její modulace při frekvenčním rozsahu ss, nf, vf nebo mikrovln (wf) se přivádí elektromagnetická energie na nejméně jednu dutou elektrodu (1) s prvky (14), lokálně zvyšujícími hustotu elektromagnetické energie, kterou protéká proud pracovního média, v němž se vytváří elektromagnetické pole v podélném a/nebo v příčném směru dutiny (13) elektrody (1) a/nebo na jejím ústí a současně se generují volné nosiče náboje působením prvků (14), lokálně zvyšujících hustotu elektromagnetické energie, a srážkovými procesy částic v pracovním médiu a na povrchu duté elektrody (1), čímž uvnitř dutin elektrody (1) a/nebo na jejím ústí a ve vnějším prostředí vzniká intenzivní výboj nebo systém primárních a filamentámích výbojů s vlastním vnitřním prouděním, které jsou neseny protékajícím pracovním médiem, jež postupně aktivují, a takto vzniklé plazma společně s proudícím a nadále se aktivujícím pracovním médiem proudí dutou elektrodou (1) a ve vnějším prostředí subsonickou nebo supersonickou rychlostí za současného vytvoření směrovatelného reakčního kanálu při tlaku 10³ až 10^{5 6} Pa.

2. Způsob podle nároku 1,vyznačující se tím, že přenos elektromagnetické energie do výboje, neseného pracovním médiem, se impedančně přizpůsobí.

3. Způsob podle nároků 1 až 2, vyznačující se tím, že pracovním médiem a vnějším prostředím je plyn, kapalina nebo jejich směsi nebo směs pevných částic s plynem, kapalinou nebo jejich směsí.

4. Způsob podle nároků laž3,vyznačující se tím, že proces generace plazmatu a aktivace pracovního média se spoluvytváří a reguluje dalším magnetickým polem, vytvořeným z alespoň jednoho permanentního magnetu a/nebo z alespoň jednoho elektromagnetu.

5. Plazmová tryska k vytváření fyzikálně a chemicky aktivního prostředí podle nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že je tvořena nejméně jednou dutou elektrodou (1) z vodivého nebo vodivého a dielektrického materiálu s alespoň jedním prvkem (14), lokálně zvyšujícím hustotu elektromagnetické energie uvnitř duté elektrody (1) a/nebo na jejím ústí a/nebo vně, který je tvořen konstrukčním prvkem (12) a/nebo fyzikálním prvkem (17), působícím v příčném

-9CZ 286310 B6 a/nebo podélném směru vzhledem k proudícímu pracovnímu médiu (5), a dále je tvořena nejméně jedním napěťovým zdrojem (3), který je připojen přes impedanční přizpůsobovací člen (4), tvořený systémem regulačních, transformačních a přenosových prvků, na vodivou část duté elektrody (1).

6. Plazmová tryska podle nároku 5, vyznačující se tím, že konstrukční prvek (12) je tvořen drsným povrchem materiálu elektrody (1) a/nebo dutinou a/nebo výstupkem a/nebo hrotem a/nebo ostřím, umístěným uvnitř dutiny (13) elektrody (1) a/nebo vně a/nebo v jejím ústí; a/nebo otvoiy a/nebo štěrbinami, vytvořenými v duté elektrodě (1), a/nebo kontaktním místem vodivé části (19) elektrody (1) s dielektrickým materiálem (18).

7. Plazmová tryska podle nároků 5až 6, vyznačující se tím, že fyzikální prvek (17) je vybrán ze skupiny, tvořené přídavnou elektrodou o jiném potenciálu než má dutá elektroda (1), a/nebo zdrojem elektricky nabitých částic nebo do vyšších energetických hladin excitovaných částic a/nebo zdrojem fotonů nebo částic s vysokými energiemi, působícími v příčném a/nebo podélném směru vzhledem k proudícímu pracovnímu médiu (5).

8. Plazmová tryska podle nároků 5až 7, vyznačující se tím, že v duté elektrodě (1) nebo vně duté elektrody (1) je umístěn magnet a/nebo elektromagnet (20).

9. Plazmová tryska podle nároků 5 až 8, v y z n a č u j í c í se t i m, že dutá elektroda (1) je upevněna k nevodivému držáku (2), který umožňuje ruční nebo mechanické ovládání.