RU2516198C2

RU2516198C2 - Method of obtaining carbon nanostructures (versions) and device for its realisation (versions)

Info

Publication number: RU2516198C2
Application number: RU2011130710/28A
Authority: RU
Inventors: Загир Хуснимарданович Исрафилов; Данис Ирекович Исрафилов; Айгуль Раязовна Батталова
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Центр Новых Технологий "НУР"
Priority date: 2011-07-21
Filing date: 2011-07-21
Publication date: 2014-05-20
Also published as: RU2011130710A

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: invention relates to obtaining carbon nanostructures. In method of obtaining carbon nanostructures, which includes ignition in vacuum chamber of glow discharge under condition of constant electric current, hydrocarbon gas is supplied into near-cathode region of vacuum chamber in discharge channel in axial and tangential way, and hydrocarbon gas processing is performed under certain parameters of glow discharge. In the second version of the method mixture of inert gas with carbon porder particles is axially supplied into near-cathode region of vacuum chamber into discharge channel with supply of inert gas in tangential way. In device for obtaining carbon nanostructures, containing vacuum chamber with placed in it electrodes, direct current power supply unit, connected to anode and cathode, vacuum chamber has first tangential inlets into near-cathode region for hydrocarbon gas supply and second axial inlet from the cathode side for hydrocarbon gas supply, with electrodes being placed at R=20÷100 mm distance from each other in vacuum chamber. In the second version of device, vacuum chamber has first tangential inlets into near-cathode region for inert gas supply, and second axial inlet from the cathode side for supply of inert gas mixture with carbon powder particles.

EFFECT: invention makes it possible to obtain carbon particles in form of powder, which considerably extends their application, to simplify device and method for obtaining carbon nanostructures, as well as to increase coefficient of efficiency.

6 cl, 4 dwg

Description

Изобретения относятся к способам и устройствам получения углеродных наноструктур, таких как углеродные глобулы и углеродные нанотрубки различной формы, которые могут быть использованы в наноэлектронике в качестве частей электронных микросхем и приборов на их основе с субмикронными рабочими элементами - нанотранзисторы, нанодиоды, нанокатоды, а также углеродные наноструктуры могут быть использованы в виде добавок при получении материалов с заданными свойствами, для получения наномодифицированных материалов.The invention relates to methods and devices for producing carbon nanostructures, such as carbon globules and carbon nanotubes of various shapes, which can be used in nanoelectronics as parts of electronic microcircuits and devices based on them with submicron work elements - nanotransistors, nanodiodes, nanocathodes, as well as carbon nanostructures can be used as additives in the preparation of materials with desired properties to obtain nanomodified materials.

Известен способ получения углеродных нанотрубок, который включает напыление углеродных пленок в вакуумной камере в атмосфере инертного газа, причем напыление углеродных пленок, содержащих нанотрубки, производится путем магнетронного распыления при постоянном токе, процесс распыления проводят при давлении инертного газа в камере (1-5)·10^-2Topp и силе постоянного тока питания мишени 40-100 мА, патент на изобретение RU №2218299 C1, 10.12.2003 г.A known method of producing carbon nanotubes, which includes the deposition of carbon films in a vacuum chamber in an inert gas atmosphere, the carbon films containing nanotubes being sprayed by direct current magnetron sputtering, the sputtering process is carried out at an inert gas pressure in the chamber (1-5) 10 ^-2 Topp and direct current power of the target 40-100 mA, patent for invention RU No. 2218899 C1, 12/10/2003

Данный способ получения углеродных пленок был реализован с помощью магнетронного распыления на постоянном токе. Для приготовления пленок использовалась научно-исследовательская вакуумная установка УРМ-3, оснащенная магнетроном на постоянном токе. Схема экспериментальной установки состоит из вакуумной камеры, магнетронного узла с мишенью, держателя нагревателя, второго нагревателя и натекателя камеры. Питание нагревателя (держателя подложек) осуществляется от первого блока питания, а магнетрона - от другого блока питания. В вакуумный блок установки входят форвакуумный насос, натекатель, байпасный клапан, форвакуумный клапан, диффузионный насос с азотной ловушкой и высоковакуумный затвор. В качестве мишени использовался диск из чистого графита для стержней реакторов с металлическими катализаторами Y, Ni. Площади поверхностей составных частей мишени соотносились как C:Y:Ni=94:5:1, патент на изобретение RU №2218299 C1, 10.12.2003 г.This method of producing carbon films was implemented using direct current magnetron sputtering. For the preparation of films, the URM-3 research vacuum unit equipped with a direct current magnetron was used. The experimental setup consists of a vacuum chamber, a magnetron assembly with a target, a heater holder, a second heater, and a leak chamber. The heater (substrate holder) is powered from the first power supply, and the magnetron from another power supply. The vacuum unit of the installation includes a fore-vacuum pump, leakage, bypass valve, fore-vacuum valve, diffusion pump with a nitrogen trap and a high-vacuum shutter. A pure graphite disk was used as a target for reactor rods with metal catalysts Y, Ni. The surface areas of the components of the target were correlated as C: Y: Ni = 94: 5: 1, patent for the invention RU No. 2221899 C1, 12/10/2003.

Известен способ получения углеродных наноструктур, выбранный в качестве прототипов предлагаемых способов по обеим вариантам, патент на изобретение RU №2355625 от 20.05.2009 г., который включает магнетронное напыление на подложку при постоянном токе в вакуумной камере в атмосфере инертного газа углеродных пленок с нанотрубками, при этом используют подложку, выполненную с заданными выступающими неровностями ее поверхности, а перед магнетронным напылением на подложку наносят катализатор в виде тонкой пленки металла. Данным способом получают нанотрубки различной формы, такие как X-Y-образные нанотрубки, а также глобулы (нанокурганы).A known method for producing carbon nanostructures, selected as prototypes of the proposed methods for both options, patent for invention RU No. 2355625 dated 05/20/2009, which includes magnetron sputtering on a substrate with direct current in a vacuum chamber in an inert gas atmosphere of carbon films with nanotubes, they use a substrate made with predetermined protruding irregularities of its surface, and before the magnetron sputtering, a catalyst in the form of a thin metal film is applied to the substrate. This method produces nanotubes of various shapes, such as X-Y-shaped nanotubes, as well as globules (nanokurgan).

Данный способ был реализован с помощью вакуумной установки, выбранной в качестве прототипов предлагаемых устройств по обеим вариантам. Схема экспериментальной установки по патенту на изобретение RU №2355625 от 20.05.2009 г. состоит из вакуумной камеры, магнетронного узла с мишенью, держателя первого нагревателей, второго нагревателя и натекателя камеры. Питание нагревателя (держателя подложек) осуществляется от блока питания, а магнетрона - от другого блока питания. В вакуумный блок установки входят форвакуумный насос, натекатель, байпасный клапан, форвакуумный клапан, диффузионный паромасляный насос с азотной ловушкой и высоковакуумный затвор. В качестве подложек использовалась слюда, покрытая тонким слоем золота. Напыление тонкого слоя золота осуществлялось путем термического нагревания золота в вакуумной камере. После чего проводился отжиг подложек, что приводило к равномерному распределению пленки золота по поверхности слюды. В результате образовалась пленка толщиной примерно 1 мкм и менее. Далее эти подложки помещались в вакуумную установку, и ее откачивали до давления 10^-5 Topp, проводилось магнетронное напыление углеродной пленки в остаточной атмосфере инертного газа.This method was implemented using a vacuum installation selected as prototypes of the proposed devices for both options. The experimental setup for the invention patent RU No. 2355625 of May 20, 2009 consists of a vacuum chamber, a magnetron assembly with a target, a holder for the first heaters, a second heater and a leak chamber. The heater (substrate holder) is powered by the power supply, and the magnetron from another power supply. The vacuum unit of the installation includes a fore-vacuum pump, leakage, bypass valve, fore-vacuum valve, diffusion steam-oil pump with a nitrogen trap and a high-vacuum shutter. As substrates, mica coated with a thin layer of gold was used. A thin layer of gold was sprayed by thermal heating of gold in a vacuum chamber. After that, annealing of the substrates was carried out, which led to a uniform distribution of the gold film over the surface of the mica. As a result, a film of a thickness of about 1 μm or less was formed. Then these substrates were placed in a vacuum installation, and it was pumped out to a pressure of 10 ^-5 Topp, magnetron sputtering of a carbon film was carried out in a residual inert gas atmosphere.

Недостатком известного способа и устройства - прототипов является их сложность, недостаточный коэффициент полезного действия (кпд), углеродные наноструктуры получаются в виде напыленных на пленку наноструктур, что ограничивает их применение.The disadvantage of this method and device prototypes is their complexity, insufficient efficiency (efficiency), carbon nanostructures are obtained in the form of nanostructures deposited on a film, which limits their use.

Технический результат в предлагаемых изобретениях заключается в получении углеродных частиц в виде порошка, что значительно расширяет их применением, например, использование в виде добавок при получении материалов с заданными свойствами, для получения наномодифицированных материалов. Технический результат также заключается в упрощении предлагаемых способа и устройства получения углеродных наноструктур, а также в повышении коэффициента полезного действия (кпд).The technical result in the proposed invention is to obtain carbon particles in the form of a powder, which significantly expands their application, for example, use in the form of additives in the preparation of materials with desired properties, to obtain nanomodified materials. The technical result also consists in simplifying the proposed method and device for producing carbon nanostructures, as well as in increasing the efficiency (efficiency).

Технический результат в способе получения углеродных наноструктур, в его первом варианте, включающем зажигание в вакуумной камере тлеющего разряда при постоянном электрическом токе, достигается тем, что в прикатодную область вакуумной камеры в канал разряда аксиально и тангенциально подают углеводородный газ, обработку углеводородного газа осуществляют при следующих параметрах тлеющего разряда: ток разряда I=50÷1000 мА, расстояние между электродами R=20÷100 мм, параметр вдува γ=-0,35÷0,85, γ=(G_t1-G_a1)/(G_t1+G_a1), давление в межэлектродном промежутке P=20÷100 мм рт.ст.; где I - ток разряда, мА, R - расстояние между электродами, мм, γ - параметр вдува, G_t1 - тангенциальный расход углеводородного газа, кг·с^-1, G_a1 - аксиальный расход углеводородного газа, кг·с^-1.The technical result in a method for producing carbon nanostructures, in its first embodiment, including ignition in a vacuum chamber of a glow discharge at a constant electric current, is achieved by the fact that hydrocarbon gas is axially and tangentially supplied to the discharge channel in the cathode region of the vacuum chamber, the hydrocarbon gas is processed at the following glow discharge parameters: discharge current I = 50 ÷ 1000 mA, distance between electrodes R = 20 ÷ 100 mm, injection parameter γ = -0.35 ÷ 0.85, γ = (G _t1 -G _a1 ) / (G _t1 + G _a1 ), the pressure in the interelectrode gap P = 20 ÷ 100 mm Hg; where I is the discharge current, mA, R is the distance between the electrodes, mm, γ is the injection parameter, G _t1 is the tangential flow of hydrocarbon gas, kg · s ^-1 , G _a1 is the axial flow of hydrocarbon gas, kg · s ^-1 .

Технический результат в способе получения углеродных наноструктур, в его втором варианте, включающем зажигание в вакуумной камере тлеющего разряда при постоянном электрическом токе, достигается тем, что в при катодную область вакуумной камеры в канал разряда аксиально подают смесь инертного газа с частицами порошка углерода и тангенциально подают инертный газ, обработку смеси осуществляют при следующих параметрах тлеющего разряда: ток разряда I=50÷1000 мА; расстояние между электродами R=20÷100 мм; параметр вдува γ=-0,35÷0,85, γ=(G_t2-G_a2)/(G_t2+G_a2), давление в межэлектродном промежутке P=20÷100 мм рт.ст.; где I - ток разряда, мА, R - расстояние между электродами, мм, γ - параметр вдува, G_t2 - тангенциальный расход инертного газа, кг·с^-1, G_a2 - аксиальный расход смеси инертного газа с частицами порошка углерода, кг·с^-1.The technical result in a method for producing carbon nanostructures, in its second embodiment, which includes ignition in a vacuum chamber of a glow discharge at a constant electric current, is achieved by the fact that in the cathode region of the vacuum chamber a mixture of inert gas with particles of carbon powder is axially fed and tangentially fed inert gas, the mixture is processed at the following glow discharge parameters: discharge current I = 50 ÷ 1000 mA; the distance between the electrodes R = 20 ÷ 100 mm; blowing parameter γ = -0.35 ÷ 0.85, γ = (G _t2 -G _a2 ) / (G _t2 + G _a2 ), pressure in the interelectrode gap P = 20 ÷ 100 mm Hg; where I is the discharge current, mA, R is the distance between the electrodes, mm, γ is the blowing parameter, G _t2 is the inertial gas tangential flow rate, kg · s ^-1 , G _a2 is the axial flow rate of the inert gas mixture with carbon powder particles, kg · s ^-1 .

Технический результат в устройстве для получения углеродных наноструктур, в его первом варианте, содержащем вакуумную камеру с размещенными в ней электродами, блок питания постоянного тока, подключенный к аноду и катоду, достигается тем, что вакуумная камера имеет первые тангенциальные входы в прикатодную область для подачи углеводородного газа в количестве n≥1, где n натуральный ряд чисел, и второй аксиальный вход со стороны катода для подачи углеводородного газа, электроды размещены в вакуумной камере на расстоянии R=20÷100 мм друг от друга. Катод может быть выполнен полым.The technical result in a device for producing carbon nanostructures, in its first embodiment, containing a vacuum chamber with electrodes placed in it, a DC power supply connected to the anode and cathode, is achieved by the fact that the vacuum chamber has first tangential entries into the cathode region for supplying hydrocarbon gas in the amount of n≥1, where n is a natural series of numbers, and the second axial input from the cathode to supply hydrocarbon gas, the electrodes are placed in a vacuum chamber at a distance of R = 20 ÷ 100 mm from each other a. The cathode can be made hollow.

Технический результат в устройство для получения углеродных наноструктур, в его втором варианте, содержащем вакуумную камеру с размещенными в ней электродами, блок питания постоянного тока, подключенный к аноду и катоду, достигается тем, что вакуумная камера имеет первые тангенциальные входы в прикатодную область для подачи инертного газа в количестве n≥1, где n натуральный ряд чисел, и второй аксиальный вход со стороны катода для подачи смеси инертного газа с частицами порошка углерода, электроды размещены в вакуумной камере на расстоянии R=20÷100 мм друг от друга. Катод может быть выполнен полым.The technical result in a device for producing carbon nanostructures, in its second embodiment, containing a vacuum chamber with electrodes placed in it, a DC power supply connected to the anode and cathode, is achieved by the fact that the vacuum chamber has first tangential entries into the near-cathode region for supplying an inert gas in the amount of n≥1, where n is a natural series of numbers, and the second axial input from the cathode to supply a mixture of inert gas with particles of carbon powder, the electrodes are placed in a vacuum chamber at a distance and R = 20 ÷ 100 mm from each other. The cathode can be made hollow.

На фиг.1 схематично изображена схема устройства получения углеродных наноструктур по первому варианту устройства, которое является устройством осуществления первого варианта способа получения углеродных наноструктур.Figure 1 schematically shows a diagram of a device for producing carbon nanostructures according to the first embodiment of the device, which is a device for implementing the first variant of the method of producing carbon nanostructures.

На фиг.2 схематично изображена схема устройства получения углеродных наноструктур по второму варианту устройства, которое является устройством осуществления второго варианта способа получения углеродных наноструктур.Figure 2 schematically shows a diagram of a device for producing carbon nanostructures according to the second variant of the device, which is a device for implementing the second variant of the method of producing carbon nanostructures.

На фиг.3 изображен разрез вихревой камеры с выполненными тангенциальными входами по первому варианту предлагаемого устройства.Figure 3 shows a section of a vortex chamber with made tangential inputs according to the first embodiment of the proposed device.

На фиг.4 изображен разрез вихревой камеры с выполненными тангенциальными входами по второму варианту предлагаемого устройства.Figure 4 shows a section of a vortex chamber with made tangential inputs according to the second variant of the proposed device.

Устройство для получения углеродных наноструктур, в его первом варианте (фиг.1), (фиг.3) содержит вакуумную камеру 1 с размещенными в ней электродами - анодом 2 и катодом 3, блок питания постоянного тока 4, подключенный к аноду 2 и катоду 3, вакуумная камера 1 имеет первые тангенциальные в прикатодную область входы 5₁, 5₂, для подачи углеводородного газа в количестве n=2, где n натуральный ряд чисел от единицы, и второй аксиальный со стороны катода 3 вход 6 для подачи углеводородного газа, электроды - анод 2 и катод 3 размещены в вакуумной камере 1 на расстоянии R=20÷100 мм друг от друга. Второй аксиальный вход 6 может быть расположен на расстоянии до 10 см от катода 3 выше но потоку. Устройство также содержит вихревую камеру 7 установленную за катодом 3 по потоку в сторону анода 2. Вихревая камера 7 выполнена цилиндрической формы, из меди и установлена электроизолированно от катода 3. Первые тангенциальные входы 5₁ и 5₂ для подачи углеводородного газа выполнены тангенциально и диаметрально противоположно друг другу в вихревой камере 7. Анод 2 и катод 3 выполнены из меди цилиндрической формы и имеют охлаждающие водяные рубашки 8. Вакуумная камера 1 выполнена цилиндрической формы с межэлектродной кварцевой вставкой 9 цилиндрической формы. Принимающее устройство - принимающая ловушка для приема полученных углеродных наноструктур может быть размещена за анодом 2 в разрядной камере 1 или вне ее, что на чертеже не показано. Принимающая ловушка может быть выполнена, например, в виде герметичной емкости, установленной до размещения преграждающей углеродные частицы заглушки за анодом 2. Заглушка должна быть выполнена в виде сетки, ячейки которой по размеру меньше размера частиц полученных углеродных наноструктур, чтобы углеродные наноструктуры оседали в принимающую емкость. Катод 3 выполнен полым. За счет наличия охлаждающей водяной рубашки 8 предусмотрено охлаждение анода 2 и катода 3. Расходомерами можно обеспечить необходимую подачу углеводородного газа по первым тангенциальным в прикатодную область входам 5₁, 5₂ и второму аксиальному со стороны катода 3 входу 6 в вакуумную камеру 1. Прикатодная область - это расстояние от катода 3 в сторону анода 2 по потоку составляющее от 3 мм до 5 мм.A device for producing carbon nanostructures, in its first embodiment (figure 1), (figure 3) contains a vacuum chamber 1 with electrodes placed in it - anode 2 and cathode 3, a DC power supply 4 connected to the anode 2 and cathode 3 , the vacuum chamber 1 has the first tangential in the cathode region inlets 5 ₁ , 5 ₂ , for supplying hydrocarbon gas in an amount n = 2, where n is a natural number of numbers from one, and the second axial 6 from the cathode 3 input for supplying hydrocarbon gas, electrodes - anode 2 and cathode 3 are placed in a vacuum chamber 1 at a distance R = 20 ÷ 100 mm apart. The second axial inlet 6 can be located at a distance of up to 10 cm from the cathode 3 above but to the flow. The device also contains a vortex chamber 7 installed downstream of the cathode 3 towards the anode 2. The vortex chamber 7 is made of cylindrical shape made of copper and is electrically insulated from the cathode 3. The first tangential inlets 5 ₁ and 5 ₂ for the supply of hydrocarbon gas are made tangentially and diametrically opposite to each other in the vortex chamber 7. The anode 2 and the cathode 3 are made of cylindrical copper and have cooling water jackets 8. The vacuum chamber 1 is made of a cylindrical shape with an interelectrode quartz insert 9 of a cylinder riche form. Receiving device - receiving trap for receiving the obtained carbon nanostructures can be placed behind the anode 2 in the discharge chamber 1 or outside it, which is not shown in the drawing. The receiving trap can be, for example, in the form of a sealed container installed before placing the plug blocking the carbon particles behind the anode 2. The plug should be made in the form of a grid, the cells of which are smaller than the particle size of the obtained carbon nanostructures, so that the carbon nanostructures are deposited in the receiving container . The cathode 3 is made hollow. Due to the presence of a cooling water jacket 8, cooling of the anode 2 and cathode 3 is provided. Flowmeters can provide the necessary supply of hydrocarbon gas through the first tangential in the near-cathode region inlets 5 ₁ , 5 ₂ and the second axial 6 from the side of the cathode 3 in the vacuum chamber 1. The cathode region is the distance from the cathode 3 towards the anode 2 downstream of 3 mm to 5 mm.

Устройство для получения углеродных наноструктур, в его втором варианте (фиг.2), (фиг.4) содержит вакуумную камеру 1 с размещенными в ней электродами - анодом 2 и катодом 3, блок питания постоянного тока 4, подключенный к аноду 2 и катоду 3, вакуумная камера 1 имеет первые тангенциальные в прикатодную область входы 10₁, 10₂ в количестве n=2, где n натуральный ряд чисел от единицы, для подачи инертного газа и второй аксиальный со стороны катода 3 вход 11 для подачи смеси инертного газа с частицами порошка углерода, электроды - анод 2 и катод 3 размещены в вакуумной камере 1 на расстоянии R=20÷100 мм друг от друга. Второй аксиальный вход 11 может быть расположен на расстоянии до 10 см от катода 3 выше по потоку. Устройство также содержит вихревую камеру 7, установленную за катодом 3 по потоку в сторону анода 2. Вихревая камера 7 выполнена цилиндрической формы, из меди и установлена электроизолированно от катода 3. Первые тангенциальные входы 10₁, 10₂ в количестве n=2, для подачи инертного газа выполнены тангенциально и диаметрально противоположно друг другу в вихревой камере 7. Анод 2 и катод 3 выполнены цилиндрической формы из меди и имеют охлаждающие водяные рубашки 8. Катод 3 выполнен полым. Принимающее устройство - принимающая ловушка для приема полученных углеродных наноструктур может быть размещена за анодом 2 в разрядной камере 1 или вне ее, что на чертеже не показано. Принимающая ловушка может быть выполнена, например, в виде герметичной емкости, установленной до размещения преграждающей углеродные частицы заглушки за анодом 2. Заглушка должна быть выполнена в виде сетки, ячейки которой по размеру меньше размера частиц полученных углеродных наноструктур, чтобы углеродные наноструктуры оседали в принимающую емкость. Вакуумная камера 1 выполнена цилиндрической формы с межэлектродной кварцевой вставкой 9 цилиндрической формы. Второй аксиальный вход 11 предназначен для аксиального вдува инертного газа с частицами углерода. Углеродные частицы должны быть по своему размеру соизмеримы с размерами частиц, например, муки, чтобы могли не опадать в осадок, а перемешиваться с молекулами инертного газа. На расстоянии 10÷20 см. выше по потоку от катода 3 в канале разрядной камеры 1 расположена воронка 12 имеющая вентиль 13 для подачи углеродных частиц в поток инертного газа. Концентрация углеродных частиц в общем потоке смеси инертного газа с частицами порошка углерода составляет ≤20%.A device for producing carbon nanostructures, in its second embodiment (figure 2), (figure 4) contains a vacuum chamber 1 with electrodes placed in it - anode 2 and cathode 3, a DC power supply 4 connected to the anode 2 and cathode 3 , the vacuum chamber 1 has the first tangential to the cathode region inlets 10 ₁ , 10 ₂ in the amount n = 2, where n is a natural series of numbers from unity, for supplying inert gas and the second axial 11 from the side of cathode 3 for supplying a mixture of inert gas with particles carbon powder, electrodes - anode 2 and cathode 3 are placed in a vacuum smart chamber 1 at a distance R = 20 ÷ 100 mm apart. The second axial inlet 11 may be located up to 10 cm from the cathode 3 upstream. The device also contains a vortex chamber 7, installed downstream of the cathode 3 towards the anode 2. The vortex chamber 7 is made of a cylindrical shape made of copper and is electrically insulated from the cathode 3. The first tangential inputs 10 ₁ , 10 ₂ in the amount of n = 2, for feeding inert gas are tangentially and diametrically opposed to each other in the vortex chamber 7. The anode 2 and the cathode 3 are made of cylindrical shape from copper and have cooling water jackets 8. The cathode 3 is made hollow. Receiving device - receiving trap for receiving the obtained carbon nanostructures can be placed behind the anode 2 in the discharge chamber 1 or outside it, which is not shown in the drawing. The receiving trap can be, for example, in the form of a sealed container installed before placing the plug blocking the carbon particles behind the anode 2. The plug should be made in the form of a grid, the cells of which are smaller than the particle size of the obtained carbon nanostructures, so that the carbon nanostructures are deposited in the receiving container . The vacuum chamber 1 is made of a cylindrical shape with an interelectrode quartz insert 9 of a cylindrical shape. The second axial inlet 11 is designed for axial injection of an inert gas with carbon particles. Carbon particles should be commensurate in size with the size of the particles, for example, flour, so that they can not fall into the sediment, but mix with inert gas molecules. At a distance of 10 ÷ 20 cm. Upstream from the cathode 3 in the channel of the discharge chamber 1 is a funnel 12 having a valve 13 for supplying carbon particles to an inert gas stream. The concentration of carbon particles in the total stream of a mixture of inert gas with particles of carbon powder is ≤20%.

Прикатодная область - это расстояние от катода 3 в сторону анода 2 по потоку составляющее от 3 мм до 5 мм. Расходомерами можно обеспечить необходимую подачу в прикатодную область вакуумной камеры 1 инертного газа по первым тангенциальным входам 10₁ и 10₂. Расходомером можно обеспечить необходимую подачу смеси инертного газа с частицами порошка углерода по второму аксиальному входу 11 в при катодную область вакуумной камеры 1.The cathode region is the distance from the cathode 3 towards the anode 2 downstream of 3 mm to 5 mm. Flow meters can provide the necessary supply to the cathode region of the inert gas vacuum chamber 1 through the first tangential inlets 10 ₁ and 10 ₂ . The flowmeter can provide the necessary supply of a mixture of inert gas with particles of carbon powder at the second axial inlet 11 into the cathode region of the vacuum chamber 1.

Инертный газ - это любой инертный газ.Inert gas is any inert gas.

Практическую реализацию предлагаемых способов и устройств - аксиальную и тангенциальную подачу необходимых веществ в вакуумную камеру 1 можно осуществить по оборудованию описанному в работе - Исрафилов З.Х. «Тлеющий разряд в вихревом потоке воздуха. Тепло- и массообмен в плазмохимических процессах» - материалы международной школы - семинара. Академия наук БССР, институт тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова. 4.2, с.57-65, Минск. - 1982 г.The practical implementation of the proposed methods and devices - axial and tangential supply of the necessary substances into the vacuum chamber 1 can be carried out according to the equipment described in the work - Israfilov Z.Kh. “A glow discharge in a swirling stream of air. Heat and mass transfer in plasma-chemical processes ”- materials of the international school - seminar. The Academy of Sciences of the BSSR, the Institute of Heat and Mass Transfer named after A.V. Lykova. 4.2, p. 57-65, Minsk. - 1982

Рассмотрим осуществление первого варианта способа получения углеродных наноструктур и работу устройства изображенного на фиг.1.Consider the implementation of the first variant of the method for producing carbon nanostructures and the operation of the device depicted in figure 1.

Включают блок питания постоя иного тока 4, в вакуумной камере 1 зажигают тлеющий разряд при постоянном электрическом токе, в прикатодную область вакуумной камеры 1 в канал разряда аксиально и тангенциально подают углеводородный газ, например, пропан или бутан, обработку углеводородного газа осуществляют при следующих параметрах тлеющего разряда: ток разряда I=50÷1000 мА; расстояние между электродами R=20÷100 мм; параметр вдува γ=-0,35÷0,85, γ=(G_t1-G_a1)/(G_t1+G_a1), давление в межэлектродном промежутке P=20÷100 мм рт.ст.; где I - ток разряд, мА, R - расстояние между электродами, мм, γ - параметр вдува, G_t1 - тангенциальный расход углеводородного газа, кг·с^-1, G_a1 - аксиальный расход углеводородного газа, кг·с^-1. Например, при давлении P=80 мм рт.ст., при G_t1=6·10^-5 кг·с^-1, при G_a1=9·10^-5 кг·с^-1, γ=-0,2. При G_t1=13,5·10^-5 кг·с^-1, при G_a1=1,5·10^-5 кг·с^-1, γ=0,80.They include a constant current power supply unit 4, a glow discharge is ignited in a vacuum chamber 1 at a constant electric current, a hydrocarbon gas, for example propane or butane, is axially and tangentially fed into the discharge channel of the vacuum chamber 1 in the cathode region, the hydrocarbon gas is processed at the following glow parameters discharge: discharge current I = 50 ÷ 1000 mA; the distance between the electrodes R = 20 ÷ 100 mm; blowing parameter γ = -0.35 ÷ 0.85, γ = (G _t1 -G _a1 ) / (G _t1 + G _a1 ), pressure in the interelectrode gap P = 20 ÷ 100 mm Hg; where I is the discharge current, mA, R is the distance between the electrodes, mm, γ is the blowing parameter, G _t1 is the tangential flow of hydrocarbon gas, kg · s ^-1 , G _a1 is the axial flow of hydrocarbon gas, kg · s ^-1 . For example, at a pressure of P = 80 mm Hg, with G _t1 = 6 · 10 ^-5 kg · s ^-1 , with G _a1 = 9 · 10 ^-5 kg · s ^-1 , γ = -0.2. With G _t1 = 13.5 · 10 ^-5 kg · s ^-1 , with G _a1 = 1.5 · 10 ^-5 kg · s ^-1 , γ = 0.80.

Обработку углеводородного газа осуществляют в течение всего времени включения разрядной камеры и осуществления подачи обрабатываемого вещества. Полученные углеродные наноструктуры принимают принимающей ловушкой, которая может быть размещена за анодом 2 в разрядной камере 1 или вне ее, что на чертеже не показано.The processing of hydrocarbon gas is carried out during the entire time the discharge chamber is turned on and the feed substance is supplied. The obtained carbon nanostructures are received by a receiving trap, which can be placed behind the anode 2 in the discharge chamber 1 or outside it, which is not shown in the drawing.

Рассмотрим осуществление второго варианта способа получения углеродных наноструктур и работу устройства изображенного на фиг.2 по его второму варианту.Consider the implementation of the second variant of the method for producing carbon nanostructures and the operation of the device depicted in figure 2 according to its second variant.

Включают блок питания постоянного тока 4, в вакуумной камере 1 зажигают тлеющий разряд при постоянном электрическом токе, в прикатодную область вакуумной камеры 1 в канал разряда аксиально подают смесь инертного газа с частицами порошка углерода за счет того, что открывают вентиль 13 воронки 12 и углеродные частицы в количестве ≤20% перемешиваются с частицами инертного газа, который подают аксиально, и одновременно тангенциально подают инертный газ, обработку смеси осуществляют при следующих параметрах тлеющего разряда: ток разряда I=50÷1000 мА, расстояние между электродами R=20÷100 мм, параметр вдува γ=-0,35÷0,85, γ=(G_t2-G_a2)/(G_t2+G_a2), давление в межэлектродном промежутке Р=20÷100 мм рт.ст.; где I - ток разряда, мА, R - расстояние между электродами, мм, γ - параметр вдува, G_t2 - тангенциальный расход инертного газа, кг·с^-1, G_a2- аксиальный расход смеси инертного газа с частицами углерода, кг·с^-1. Например, при давлении P=80 мм рт.ст., при G_t2=6·10^-5 кг·с^-1, при G_a2=9·10^-5 кг·с^-1, γ=-0,2. При G_t2=13,5·10^-5 кг·с^-1, при G_a2=1,5·10^-5 кг·с^-1, γ=0,80. Обработку инертного газа с углеродными частицами осуществляют в течение всего времени включения разрядной камеры и осуществления подачи обрабатываемой смеси. Полученные углеродные наноструктуры принимают принимающей ловушкой, которая может быть размещена за анодом 2 в разрядной камере 1 или вне ее, что на чертеже не показано.The direct current power supply unit 4 is turned on, a glow discharge is ignited in the vacuum chamber 1 at a constant electric current, an inert gas mixture with carbon powder particles is axially fed into the discharge channel in the cathode region of the vacuum chamber 1 due to the opening of funnel 12 valve 13 and carbon particles in an amount of ≤20% they are mixed with particles of an inert gas, which is supplied axially, and at the same time, an inert gas is tangentially supplied, the mixture is processed at the following glow discharge parameters: discharge current I = 50 ÷ 1000 m , The distance between the electrodes is R = 20 ÷ 100 mm, the blowing parameter γ = -0,35 ÷ 0,85, γ = (G t2 -G a2) / (G t2 + G a2), the pressure in the electrode gap R = 20 ÷ 100 mmHg; where I is the discharge current, mA, R is the distance between the electrodes, mm, γ is the blowing parameter, G _t2 is the inertial gas tangential flow rate, kg · s ^-1 , G _a2 is the axial flow rate of the inert gas mixture with carbon particles, kg · s ^-1 . For example, at a pressure of P = 80 mm Hg, with G _t2 = 6 · 10 ^-5 kg · s ^-1 , with G _a2 = 9 · 10 ^-5 kg · s ^-1 , γ = -0.2. With G _t2 = 13.5 · 10 ^-5 kg · s ^-1 , with G _a2 = 1.5 · 10 ^-5 kg · s ^-1 , γ = 0.80. The processing of inert gas with carbon particles is carried out during the entire time the discharge chamber is turned on and the mixture to be treated is supplied. The obtained carbon nanostructures are received by a receiving trap, which can be placed behind the anode 2 in the discharge chamber 1 or outside it, which is not shown in the drawing.

В прикатодной области вакуумной камеры 1, по обеим вариантам предлагаемых способов и устройств, осуществляются основные процессы обеспечивающие существование самостоятельного разряда. Под действием сильного электрического ноля электроны ускоряются, и пройдя астоново пространство приобретают энергию достаточную для интенсивного возбуждения атомов. Здесь ионизация атомов пренебрежимо мала, так как энергия электронов значительно меньше потенциала ионизации (в среднем 10-15 эВ) частиц. Проходя область первого катодного свечения электроны ускоряются до энергии, достаточной для ионизации атомов газа. Анодная область вакуумной камеры 1 характеризуется анодным падением напряжения, плотностью тока на электроде и определенной протяженностью. Тлеющий разряд воздействует на углеводородный газ по первым вариантам предлагаемых способа и устройства и на смесь инертного газа с углеродными частицами во вторых вариантах предлагаемых способа и устройства, в установленном диапазоне параметров осуществляется эффективное воздействие на углеводородный газ для первых вариантов способа и устройства и на инертный газ с углеродными частицами во вторых вариантах способа и устройства неравновесной плазмой в вакуумной камере 1.In the near-cathode region of the vacuum chamber 1, according to both versions of the proposed methods and devices, the main processes are carried out ensuring the existence of an independent discharge. Under the action of a strong electric zero, the electrons are accelerated, and after passing through the aston space they acquire enough energy for the intense excitation of atoms. Here, the ionization of atoms is negligible, since the electron energy is much less than the ionization potential (on average 10-15 eV) of the particles. Passing the region of the first cathode glow, the electrons are accelerated to an energy sufficient to ionize the gas atoms. The anode region of the vacuum chamber 1 is characterized by an anode voltage drop, the current density at the electrode and a certain extent. A glow discharge acts on a hydrocarbon gas according to the first variants of the proposed method and device and on a mixture of inert gas with carbon particles in the second variants of the proposed method and device; in the established range of parameters, an effective effect on the hydrocarbon gas for the first variants of the method and device and on the inert gas carbon particles in the second variants of the method and device of non-equilibrium plasma in a vacuum chamber 1.

Параметры устанавливаемые для получения углеродных наноструктур по обеим вариантам способов и устройств - ток разряда I=50÷1000 мА, расстояние между электродами R=20÷100 мм, параметр вдува γ=-0,35÷0,85, давление в межэлектродном промежутке P=20÷100 мм рт.ст. выбраны именно такими, потому что за границами этих параметров не будет получен технический результат.The parameters set for producing carbon nanostructures according to both versions of the methods and devices are the discharge current I = 50 ÷ 1000 mA, the distance between the electrodes R = 20 ÷ 100 mm, the injection parameter γ = -0.35 ÷ 0.85, the pressure in the interelectrode gap P = 20 ÷ 100 mm Hg are chosen exactly like that, because beyond the boundaries of these parameters a technical result will not be obtained.

Повышение кпд обеспечивается за счет того, что по сравнению с прототипом увеличена зона взаимодействия плазмы с обрабатываемым веществом за счет тангенциального вдува углеводородного газа, для первых вариантов способа и устройства и за счет тангенциального вдува инертного газа по вторым вариантам способа и устройства. Технический результат - упрощение предлагаемых способов и предлагаемых устройств по сравнению с прототипами обеспечивается за счет того, что способ и устройство не имеют магнетрона. В предлагаемых изобретениях получаются углеродные частицы в виде порошка. Получение углеродных частиц в виде порошка обеспечивается за счет того, что в процессе формирования необходимых углеродных наноструктур используется тлеющий разряд и его взаимодействие с распыленными в инертном газе углеродными частицами. Получают фуллерены - молекулы углерода, состоящие из 60÷70 атомов в одной молекуле.The increase in efficiency is ensured due to the fact that, in comparison with the prototype, the interaction zone of plasma with the processed substance is increased due to the tangential injection of hydrocarbon gas for the first versions of the method and device and due to the tangential injection of inert gas according to the second variants of the method and device. The technical result is a simplification of the proposed methods and proposed devices in comparison with the prototypes due to the fact that the method and device do not have a magnetron. In the proposed inventions, carbon particles are obtained in the form of a powder. The production of carbon particles in the form of a powder is ensured due to the fact that during the formation of the necessary carbon nanostructures, a glow discharge and its interaction with carbon particles sprayed in an inert gas are used. Get fullerenes - carbon molecules consisting of 60 ÷ 70 atoms in one molecule.

Claims

1. A method of producing carbon nanostructures, including ignition in a vacuum chamber of a glow discharge at constant electric current, characterized in that hydrocarbon gas is axially and tangentially fed into the discharge channel in the cathode region of the vacuum chamber, the hydrocarbon gas is processed at the following glow discharge parameters:
discharge current I = 50 ÷ 1000 mA,
distance between electrodes R = 20 ÷ 100 mm,
blowing parameter γ = -0.35 ÷ 0.85, γ = (G _t1 -G _a1 ) / (G _t1 + G _a1 ),
the pressure in the interelectrode gap P = 20 ÷ 100 mm Hg, where
I is the discharge current, mA,
R is the distance between the electrodes, mm,
γ is the blowing parameter,
G _t1 - tangential flow rate of hydrocarbon gas, kg · s ^-1 ,
G _a1 - axial flow rate of hydrocarbon gas, kg · s ^-1 ,
P is the pressure in the interelectrode gap, mm Hg

2. A method of producing carbon nanostructures, including ignition in a vacuum chamber of a glow discharge at constant electric current, characterized in that the mixture of inert gas and particles of carbon powder is axially fed into the cathode region of the vacuum chamber and the inert gas is tangentially supplied, the mixture is processed at the following glow discharge parameters:
discharge current I = 50-1000 mA,
distance between electrodes R = 20 ÷ 100 mm,
blowing parameter γ = -0.35 ÷ 0.85, γ = (G _t2 -G _a2 ) / (G _t2 + G _a2 ),
the pressure in the interelectrode gap P = 20 ÷ 100 mm Hg, where
I is the discharge current, mA,
R is the distance between the electrodes, mm,
γ is the blowing parameter,
G _t2 - tangential inert gas flow rate, kg · s ^-1 ,
G _a2 - axial flow rate of a mixture of inert gas with particles of carbon powder, kg · s ^-1 ,
P is the pressure in the interelectrode gap, mm Hg

3. A device for producing carbon nanostructures, containing a vacuum chamber with electrodes placed in it, a DC power supply connected to the anode and cathode, characterized in that the vacuum chamber has first tangential entries in the cathode region for supplying hydrocarbon gas in an amount n≥1 , where n is a natural series of numbers, and the second axial input from the cathode for supplying hydrocarbon gas, the electrodes are placed in a vacuum chamber at a distance of R = 20 ÷ 100 mm from each other.

4. The device according to claim 3, characterized in that the cathode is made hollow.

5. A device for producing carbon nanostructures, containing a vacuum chamber with electrodes placed in it, a DC power supply connected to the anode and cathode, characterized in that the vacuum chamber has first tangential entries into the cathode region for supplying inert gas in an amount of n≥1 , where n is a natural series of numbers, and the second axial input from the cathode to supply a mixture of inert gas with particles of carbon powder, the electrodes are placed in a vacuum chamber at a distance of R = 20 ÷ 100 mm from each other.

6. The device according to claim 5, characterized in that the cathode is hollow.