SE428862B - Uhf-plasmatron - Google Patents

Description

8104923-1 , LW 10 15 20 25 30 35 H0 sig i den riktning som fältstyrkan ökar - leder till att urladdningen förskjuter sig i riktning mot urladdnings- rörets vägg, varför urladdningsröret överhettas.

En UHF-plasmatron är känd (jämför exempelvis den amerikan- ska patentskriften 3 H17 287), vilken innefattar dels en koaxialvågledarövergång, dels en koaxialledning med ytter- och centrumledare och dels en urladdningskammare. Medelst den effekt, som uttages från en rektangelformad vâgledare, alstrar i koaxialkanalen man med hjälp av koaxíalvågledar- övergången en elektromagnetisk våg med symmetrisk struktur av s k TEM-typ. I denna plasmatron fungerar urladdningen som förlängning av koaxialledningens centrumledare. Genom att dels fälten är högt symmetriska och dels fältets elek- triska komposant ökar i riktning mot_centrumet får ur- laddningen hög elektrodynamisk stabilitet. Förekomsten av TEM-vågens radiella komposant minskar emellertid denna kän- da plasmatrons överslagshållfasthet, varjämte den effekt, som skall införas i urladdningen i denna plasmatron, är låg.

Användningsområdet för plasmatronen med dylikt sätt att ini- tiera urladdningen begränsas emellertid till spektroskopi- ändamålen.

Anläggningar för framställning av finfördelade pulver av svårsmälta ämnen i ett ljusbågurladdningsplasma är kända (jämför exempelvis den amerikanska patentskriften 3 812 239 och den franska patentskriften 2 15H 9H9), vilka består av en s k ljusbågplasmatron, en enhet för införande av utgångs- ämnen, en reaktor och en anordning för uppsamling av pulver.

En medelst en ljusbåge alstrad plasmastråle är, tekniskt sett, mest lättillgänglig och förhållandevis billig att åstad- komma. Alla processtekniska problem kan emellertid ej lösas framgångsrikt medelst ljusbågplasmaalstrare. I de fall, då man önskar erhålla mycket rena pulver, får elektroderna ej erodera. Ej heller godtages elektrodernas förhållandevis låga beständighet i aggressiva gasmedier (syrgas, klor, klor- väte, klorider). Tvärsnittsytan hos urladdningskanalen i dylika plasmatroner är dessutom, i regel, liten, varför plasmat strömmar ut med hög hastighet (ca 105 m/s). 10 20 25 30 35 HO 8104923-1 När ljusbågplasmatronerna användes vid anläggningar för framställning av pulver av svårsmälta föreningar, är därför uppehållstiden för utgångsämnena i en zon, där höga tem- peraturer uppträder, högst 10-3-10- s, vilket-resulterar i en förhållandevis låg omvandlingsgrad för utgångsämnena till slutprodukten, varigenom denna förorenas ytterligare.

Problemet med att eliminera föroreningen löses delvis ge- nom att för nämnda ändamål använda elektrodlösa HF- och UHF-plasmatroner.

En anläggning för framställning av finfördelade pulver av svårsmälta nitrider, karbider, oxider,etc i ett UHF- urladdningsplasma är känd (jämför exempelvis V N Troizky, B M Grebzov, S V Gourov "Syntes av sammansatta nitrider i ett lågtemperaturplasma" i samlingsverket "Högtemperatur- syntes och egenskaper hos svårsmälta metaller", Riga, "Zi- natne", 1979, s 51-69). Denna kända anläggning innefattar en UHF-plasmatron med urladdningskammare, en enhet för in- förande av utgångsämnen, en reaktor, ett filter och en pulveruppsamlingsbehållare.

Den ovan nämnda kända anläggningen är baserad på en elek- trodlös UHF-plasmatron, som utgöres av en vågledarkoaxial- övergång, där en s k plasmasträng fungerar som centrumledare i koaxialledningen. Plasmatronen är avsedd för uppvärmning av en stationär ström av kvävgas, syrgas eller luft till en s k medelmassatemperatur av 2000 - 5500 K. Urladdningen stabiliseras och formas längs centrumaxeln för plasmatronens kvartsurladdningskammare medelst ett gasdynamiskt förfarande genom vridning av en plasmaalstrande gasström. En ström av ett uppvärmt energiöverföringsmedel, som i regel sam- tidigt utgör en av de kemiska reaktanterna, införes i form av en s k högtemperaturfackla från plasmatronen i enheten för införande av utgångsämnen och vidare in i reaktorn.

Den med plasmatronen förbundna enheten för införande av ut-' gångsämnen utgöres av ett ringformat uppsamlingsrör, vari- från reaktionsblandningen genom ett system av radiella hål 81049234 10 15 20 25 30 35 HO inmatas i reaktionsbehállaren, i form av s k steggasstrålar, som är riktade vinkelrätt eller lutar en viss vinkel mot plasmaströmmen.

Högtemperaturgasströmmen inmatas vidare tillsammans med utgângsämnena i reaktionsbehållaren, där dessa ämnen blandas, uppvärmes och bringas att reagera med varandra, vilket leder till bildande av slutprodukten. I reaktionsbehållaren stel- nar dessutom partiklar av finfördelat pulver. Reaktionsbe- hållaren har formen av en cylindrisk, vattenkyld metallkam- mare, vari ett rör av värmebeständigt material (exempelvis grafit eller kvarts) är anordnat utan att det är i kontakt med kammarens kalla väggar.

Gas-dammströmmen strömmar ut från reaktionsbehållaren in i filtret för avskiljning av det finfördelade pulvret. Filtret utgöres av ett slangtygfilter, varifrån det utfällda pulvret 'periodvis (satsvis) kan bortskakas till uppsamlingsbehålla- ren och utmatas hermetiskt tätt.

Eftersom UHF-plasmatronen bildar en roterande plasmaalstran- de gasström kan en blandning av bestämda ämnen - i och för effektivare uppvärmning ? omedelbart inmatas i plasmatronens urladdningskammare utan att störa de stabila brinningsför- hållandena för urladdningen genom försämring av plasmatro- nens anpassning till vågledarna och utan att riskera att kvartsurladdningsröret genombrännes genom att reaktions- produkterna i fast fas utfälles på urladdningsrörets yta under inverkan av från strömmens vridning härrörande centri- fugalkrafter. Av samtliga skäl måste blandningen av utgångs- ämnena införas i utrymmet under urladdníngsfacklan.

Genom att enheten för införande av utgångsämnen - i avsevärd grad på grund av plasmatronens konstruktiva utformning - är uppbyggd i form av ett ringformat uppsamlingsorgan, kan endast gas- eller ångformiga ämnen med låg kokpunkt inmatas är svåra' på upp- samlingsorganets väggar och uppsamlingsorganet eventuellt effektivt, varvid pulverformiga material i-fast fas att inmata medelst denna enhet, då pulvret utfälles 10 15 20 25 30 35 5 8101023-1 kan tilltäppas. Detta begränsar den kända anläggningens möjlig- heter vad beträffar sortimentet av de material, som skall er- hållas.

När utgångsämnena införes i plasmaflödet radiellt, får dessutom de flöden, som skall blandas med varandra, om urladdningen stabi- liseras virvelmässigt, gasdynamisk instabilitet, varjämte en av- sevärd mängd utgângsämnen bortföres till förhållandevis kalla områden, vilket minskar utbytet av det framställda pulvret, ökar energiförbrukningen för pulverframställningen och leder till att pulvret förorenas av de icke omsatta utgângsämnena och reaktions- mellanprodukterna. ' Eftersom reaktionsbehâllarens kanal måste ha en tämligen stor längd för att värmeväxlings- och massabytesförloppen skall kunna genomföras effektivare i reaktionsblandningen, vilket resulterar i en högre kemisk omvandlingsgrad för utgångsämnena, utfälles en avsevärd del av det finfördelade pulvret på reaktionsbehållarens kanalväggar, varför kanalens genomströmningsyta minskar gradvis och anläggningens kontinuerliga drifttid blir kortare.

Det huvudsakliga syftet med föreliggande uppfinning är att åstad- komma en UHF-plasmatron, som lämpligen kan användas i en UHF- anläggning för framställning av finfördelade pulver, vilken an- läggning genom bättre elektrodynamisk stabilisering av UHF-ur- laddningen samt genom ökning av plasmatronens effekt får högre verkningsgrad och längre kontinuerlig drifttid, samtidigt som de framställda finfördelade pulvren får högre renhetsgrad.

Detta syfte uppnås enligt föreliggande uppfinning medelst en UHF-plasmatron, som innefattar en till en energikälla ansluten koaxialledning med en yttre ledare och en centrumledare, vid vilkens ände en urladdningskammare är fäst, och ett inlopp för inmatning av utgångsämnen, varvid plasmatronen, enligt uppfin- ningen, innefattar två radialledningar med en enda gemensam leda- re i form av en skiva, som är förbunden med koaxialledningens centrumledare, medan radialledningarnas båda andra ledare är bil- dade av ändytorna hos en cylinder som omgiver skivan och som är anordnad koaxiellt med skivan, varvid cylinderns ena ändyta är 10 15 20 25 30 35 40 81049234 6 kopplad till koaxialledningens yttre ledare och dess motsatta ändyta är försedd med ett centrumhål, som inrymmer urladdníngs- kammaren, varvid inloppet för inmatning av utgângsämnen är ut- format som en vattenkyld sond, som är förd genom den ihåliga centrumledaren i plasmatronens koaxialledning, varvid sondens plana, mot urladdningskammaren vända ändyta är anpassad till att sammanfalla med planet för plasmatronens skiva.

Plasmatronen enligt uppfinningen kan användas i en UHF-anläggning för framställning av finfördelade pulver, vilken innefattar dels en UHF-plasmatron med urladdningskammare, som är avsedd för ef- fektiv uppvärmning av ett stationärt flöde av plasmaasltrande gas till höga temperaturer, dels en enhet för införande av ut- gângsämnen, dels en reaktionsbehâllare för erhållande av fin- fördelade pulver genom en kemisk reaktion mellan utgångsämnena, som strömmar tillsamans med flödet av plasmaalstrande högtempe- raturgasen, dels filter och dels en pulveruppsamlingsbehàllare, varvid plasmatronen tillsammans med filtren omedelbart är anord- nad på en övre basyta hos reaktionsbehâllaren, som har formen av en stympad kon, vars mindre basyta är förbunden med en pulver- uppsamlingsbehållare, medan enheten för införande av utgângsämnen utgöres av en vattenkyld sond, som är förd genom den ihåliga centrumledaren hos plasmatronens koaxialledning, varvid sondens plana, mot urladdningskammaren vända ändyta är anpassad till pla- net för plasmatronens skiva.

Uppfinningen beskrives närmare nedan under hänvisning till bifo- gade ritning, på vilken fig. 1 schematiskt visar UHF-plasmatronen enligt uppfinningen och fig. 2 schematiskt visar en UHF-an1ägg- ning innehållande plasmatronen för framställning av finfördelade pulver.

UHF-plasmatronen innefattar en rektangelformad vågledare 1 (fig. 1), en koaxialvågledarövergång 2 och en koaxialledning. Pâ en ände hos koaxialledningens ihåliga centrumledare 3 är koaxiellt med denna en dielektrisk urladdningskammare 4 fäst. Plasmatronen in- nefattar ytterligare två radialledningar 5 med en enda gemensam ledare i form av en skiva 6, som är kopplad till koaxialledningens centrumledare 3. Den ena radialledningens 5 andra ledare bildas av en ändyta hos en cylinder 7, som omgiver skivan 6 och som är 10 15 20 25 30 35 81011923-1 kopplad till koaxialledningens yttre ledare 8. Den andra radial- ledningens 5 andra ledare utgöres av cylinderns 7 motsatta änd- yta 7, vari finns ett centrumhål för upptagande av urladdnings- kammaren 4. Radialledningarna 5 är skilda från varandra medelst ett stycke av en koaxialledning 9, vars centrumledare utgöres av skivans 6 sidoyta.

Den i fig. 2 visade UHF-anläggningen för framställning av fin- fördelade pulver innefattar dels en plasmatron med en urladdnings- kammare 4, dels en enhet 10 för inmatning av utgångsämnen, dels en reaktionsbehållare 11, dels filter 12 och dels en pulveruppsam- lingsbehållare 13. l Enheten 10 för införande av utgângsämnen utgöres av en ihålig, vattenkyld metallsond med en genomgående cylindrisk kanal för direkt inmatning av en blandning av utgångsämnen i plasmatronens urladdningskammare 4, i form av en ångström eller en aerosol, om minst ett av utgàngsämnena är i fast fas. Sonden är anordnad_ noggrant axiellt med centrumledaren 3 så, att dess undre ändyta är anpassad till skivans 6 plan. U Reaktionsbehâllaren 11 utgöres av en ihålig stympad kon, vars större basyta är vänd uppåt. Vid den större basytan är medelst flänsar fästa plasmatronen och ett hus hos slangfiltren 12, vil- kas antal bör väljas i beroende av anläggningens kapacitet.

Ett slangformat, av tyg framställt filtrerelement 14 i varje filter 12 är stelt fäst på den undre basdelen av filtrets hus.

Slangens övre rörliga del är förbunden med en skakanordning 15, som gör det möjligt att periodvis, allteftersom filtret 12 igen- sättes, skaka det på filtret 12 utfällda pulvret bort in i upp- samlingsbehâllaren och härigenom återställa filtrets 12 funktions- duglighet.

Pulveruppsamlingsbehâllaren 13 är medelst en fläns förbunden med reaktionsbehållarens 11 undre basdel och försedd med en lâsanord- ning 16, som möjliggör tätt tillslutande av uppsamlingsbehâllaren 13 efter avslutat förlopp samt "öppen" (förseglingsfri) transport av uppsamlingsbehâllaren 13 och efterföljande utmatning av den 10 15 20 30 35 40 8104923-1 a högaktiva, finfördelade pulverformiga produkten utan att denna bringas i kontakt med atmosfärluft.

Anläggningen fungerar pâ följande sätt. .f En plasmaalstrande gas exempelvis kvävgas inmatas i en ringformad spalt mellan sonden hos enheten 10 för inmatning av utgångsämnen och insidan hos plasmatronens centrumledare 3. Gasen strömmar ge- nom den ringformade spalten mellan den dielektriska urladdnings- kammaren 4 och sonden in i ett under sonden liggande utrymme i kammaren 4. Man startar därefter en UHF-generator medelst en på ritningen icke visad urladdningsinitierande anordning. Energin överföres över koaxialvågledarövergången 2 till den av den yttre ledaren 8 och centrumledaren 3 uppbyggda koaxialledningen och vi- dare över radialledningarna 5 till ett av den dielektriska kamma- ren 4 avgränsat utrymme, där en urladdning initieras. Genom att urladdningskammarens 4 centrumaxel är anpassad till radialled- ningarnas 5 centrumaxel, kommer den att ligga i det av radial- ledningarna 5 alstrade elektriska fältets täthetsmaximum, vilket på grund av utbredningseffekten för urladdningar i ökningsrikt- ningen bidrar till att urladdningen får hög elektrodynamisk sta- bilitet. Eftersom kammaren 4 är inriktad längs elektriska fält- linjer, vilka i radialledningarna 5 är belägna vinkelrätt mot deras ledande ytor, d.v.s. mot cylinderns 7 ändytor, får plasma- tronen hög överslagshâllfasthet.

Plasmatronen säkerställer alltså en likformig tillförsel av elektromagnetisk energi från radialledningarnas 5 perimeter till urladdningen, som uppträder vid ledningarnas 5 centrumaxel, där energitätheten är maximal, varför urladdningen effektivt stabili- seras elektrodynamiskt genom att urladdningen utbreder sig i ök- ningsriktningen för energitätheten.

Utgângsämnena överföres av bärargasen via centrumhâlet i sonden hos enheten 10 för inmatning av utgångsämnen direkt till UHF-ur- laddningszonen, där de blandas med högtemperaturströmmen av plas- maalstrande gas och får dess temperatur.

Den reaktion mellan utgângsämnena, som redan initieras i plas- matronens urladdningskammare 4, resulterar i bildande av ett 10 15 20 25 30 35 40 8104923-1 finfördelat pulver av oxid, nitrid eller karbid, i beroende av den plasmaalstrande gasens sammansättning. Gasströmmen med i denna förekommande finfördelade pulverpartiklar strömmar ut från urladdningskammaren 4 in i reaktionsbehållaren 11, där reaktionen mellan utgångsämnena slutföres, pulverpartiklarnas stelnande av- slutas och gaspulverströmmens temperatur sjunker till en nivå, vid vilken normala värmedriftförhâllanden för filtrerelementet 14 av tyg säkerställes.

Gasströmmen med däri förekommande finfördelade pulverpartiklar strömmar ut från reaktionsbehållaren 11 in i slangfiltren 12, där pulvret avskiljes och avgaserna efter absorbering av skadliga för- oreningsämnen tillföres ett recirkulationssteg eller bortföres till ett utsugningssystem. Det på filtret 12 utfällda pulvret bortföres periodvis medelst skakanordningen 15 - allteftersom filtret 12 igensättes - till reaktorbehâllarhusets sidoyta, var- ifrån det inkommer i pulveruppsamlingsbehållaren 13. Efter avslu- tad "pulversyntes" tillslutes pulveruppsamlingsbehållaren 13 tätt medelst låsanordningen 16, varefter behållaren 13 frigöres från reaktionsbehållarens 11 undre fläns och avlastas i inert atmosfär.

Att vid anläggningen enligt uppfinningen använda UHF-plasmatronen med axialsymmetrisk, plasmaalstrande gasström utan virvelstabili- sering av urladdningen samt att direkt inmata utgângsämnena i urladdningskammaren 4 gör det möjligt att intensifiera utgångs- ämnenas uppvärmning till reaktionstemperaturen icke endast genom effektivare värmeväxling mot högtemperaturplasmaflödet utan även genom att utgångsämnena omedelbart i plasmatronens urladdnings- kammare 4 direkt absorberar UHF-svängningsenergin. Vid samma märk- effekt hos plasmatronen kan man härigenom öka koefficienten för nyttigt utnyttjande av plasmastrålens entalpi med 25 - 30 % jämfört med de kända ljusbåg- eller HF-plasmatronerna.

Genom att den plasmaalstrande gasen i plasmatronen enligt upp- finningen icke behöver vridas virvelmässigt utfälles dammpartiklar i fast fas ej på urladdningskammarens 4 insida, vilket i hög grad ökar kammarens 4 funktionssäkerhet i synnerhet när framställning av finfördelade pulver med hög elektrisk ledningsförmåga efter- strävas. 10 15 20 25 30- 35 a1o@92s-1 10 Genom att plasmatronen, omfattande enheten 10 för inmatning av utgångsämnen, samt reaktionsbehällaren 11, filtren 12 och upp- samlingsbehâllaren 13 är utformade utan anslutningsrör med stor längd elimineras intensiv igensättning (av arbetsytorna och ge- nomströmningsytorna) medelst finfördelade pulver, vilket 2 - 3 gånger ökar anläggningens kontinuerliga drifttid jämfört med de kända anläggningarna, där anslutningsrör med stor längd användes.

Tack vare att uppsamlingsbehållaren 13 är försedd med en tätt tillslutande låsanordning, kan de framställda finfördelade pulv- ren, som i regel uppvisar mycket hög kemisk aktivitet, utmatas utan att de bringas i kontakt med atmosfärluft, vilket avsevärt ökar renhetsgraden för de material, som skall framställas. Titan- nitrid med en partikelstorlek av exempelvis 0,03/um, som framställts under hermetiska utmatningsförhâllanden, är fri från kemosorberat vatten och syre.

Användandet av plasmatronen med axialsymmetrisk plasmaalstrande gasström och med direktinmatning av utgångsämnena i plasmatronens urladdningskammare gör det möjligt att uppbygga reaktionsbehâl- laren 11 i form av en ihålig stympad kon, vars mindre basyta är förbunden med pulveruppsamlingsbehâllaren 13, varvid man pâ konens övre större basyta samtidigt kan fästa några få filter 12, vilka bidrar till att öka anläggningens kontinuerliga drifttid.

UHF-anläggningen gör det alltså möjligt att framställa finfördelade pulver med högre renhetsgrad, eftersom dessa icke innehåller de föroreningsämnen, som är svåra att avlägsna, utan innehåller snabbt flyktigt klorväte. Anläggningen säkerställer en 100-procentig om- vandlingsgrad för utgångsämnena till slutprodukten. Det tekniska processförloppet för framställning av finfördelade pulver kräver icke användning av dyrbar ammoniak.

Medelpartikelstorleken för de pulver, som kan framställas med an- läggningen, varierar mellan 0,001 och 0,1/um. Anläggningens kapa- citet uppgår till 100 - 500 g/h, vilket innebär att man årligen kan framställa högst 500 kg finfördelat pulver.

L

Claims (1)

1. 0 15 8104923-1 11 Patentkrav UHF-plasmatron innefattande en till en energikälla kopplad koaxialledning med en yttre ledare (8) och med en dentrum- ledare (3), på vars ände en urladdningskammare (4) är fäst och ett inlopp (10) för inmatning av utgångsämnen, k ä n n e - t e c k n a d med en enda gemensam ledare i form av en skiva (6), som är av att den innefattar två radialledningar (5) kopplad till koaxialledningens centrumledare (3), medan radial- ledningarnas (5) båda andra ledare utgöres av respektive änd- ytor hos en skivan (6) omgivande, med denna koaxiell cylinder (7), vars ena ändyta är ansluten till koaxialledningens yttre ledare (8), medan dess motsatta ändyta är försedd med ett centrumhål, som inrymmer urladdningskammaren (4), varvid in- loppet (10) för inmatning av utgångsämnen är utformat som en vattenkyld sond, som är förd genom den ihåliga centrumledaren (3) i plasmatronens koaxialledning, varvid sondens plana, mot urladdningskammaren (4) vända ändyta är anpassad till att sam- manfalla med planet för plasmatronens skiva (6).