Способ плазменно-электромагнитного воздействия на диэлектрический материал
Изобретение относится к технологии термической обработки твердых диэлектрических тел, включая их разрушение, в частности тел с низким коэффициентом поглощения электромагнитного излучения (горные породы, строительные материалы и пр.), и может быть использовано в горном деле и строительстве. Способ плазменно-электромагнитного воздействия на диэлектрический материал заключается в том, что создают плазму плазмотроном, формируют из нее плазменный поток и направленно воздействуют им на поверхность материала, отличающийся тем, что плазму создают и формируют из нее плазменный поток плазмотроном с регулируемыми параметрами, при этом дополнительно создают управляемый поток электромагнитных волн с частотой 0,5-5 ГГц и направляют его в место контакта плазменного потока с поверхностью материала, при этом регулировкой параметров плазмотрона и/или управлением потоком электромагнитных волн обеспечивают и поддерживают температуру плазмы в ее скин-слое в месте контакта плазмы с поверхностью материала в диапазоне 3000-5000 К. В результате достигается повышение производительности разрушения твердых диэлектрических тел и расширение области применении. 6 з.п. ф-лы.
Область применения
Изобретение относится к технологии термической обработки твердых диэлектрических тел, включая их разрушение, в частности тел с низким коэффициентом поглощения электромагнитного излучения (горные породы, строительные материалы и пр.).
Предшествующий уровень техники
Диэлектрические тела, в частности горная порода, являются хрупкими материалами, поэтому, если возникающие в них механические напряжения σ превысят предел прочности σП, то тела растрескиваются и разрушаются. Одним из способов создания в теле напряжений является его неоднородный нагрев, при котором вследствие перепада температуры ΔТ в теле возникают напряжения, равные σ=αΔТЕ, где Е - модуль Юнга, α - коэффициент термического расширения.
Таким образом, создание в теле перепада температуры ΔТ>σП/αЕ обеспечивает разрушение тела.
Известен способ разрушения диэлектрических тел электромагнитным излучением, в котором, воздействуя на тело излучением, например в СВЧ-диапазоне, производят его нагрев. Поскольку поглощение излучения в теле, как правило, происходит неоднородно по его объему, то из-за возникающей разницы температур между частями тела в нем возникают термомеханические напряжения, величина которых превосходит предел прочности (см. Политехнический словарь. Гл. ред. И.И. Артоболевский. М., «Советская энциклопедия», 1976 г., с.93).
Недостатками этого способа являются ограниченность его применения и неуправляемость процессом. Способ эффективно работает, если коэффициент поглощения излучения существенен, а для большинства диэлектрических тел он становится таковым лишь при очень высокой температуре ≥1000 К, когда у диэлектрика появляется заметная электропроводность (см. Ерошев В.К., Козлов Ю.А., Павлова В.Д. Конструирование и технология изготовления паянных металлокерамических узлов, часть 1, М., ЦНИИ «Электроника», 1988, с.43).
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ разрушения, основанный на плазменном нагреве диэлектрического твердого тела, включающий создание плазмы, формирование из нее плазменного потока, направленного извне к поверхности твердого тела и воздействующего на нее (см. патент RU №2365731, кл. E21B 7/15, 27.08.2009).
Недостатками этого способа являются низкая эффективность нагрева вследствие малого коэффициента теплопередачи, характерного для нагрева тела горячим газом, роль которого играет плазма, и ограниченность применения; исключаются тела с высокой теплопроводностью, так как в них тепло выравнивается быстрее, чем подводится (см. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. - М.: Энергоатомиздат, 1990, - 367 с.).
Раскрытие изобретения
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретения, является создание плазменно-электромагнитного способа термического разрушения диэлектрических тел с низким коэффициентом поглощения электромагнитного излучения, позволяющего эффективно разрушать тела даже с повышенной теплопроводностью.
Техническим результатом изобретения является повышение производительности при разрушении твердых диэлектрических тел и расширение области применения.
Задача решается, а технический результат достигается тем, что способ плазменно-электромагнитного воздействия на диэлектрический материал заключается в том, что создают плазму плазмотроном, формируют из нее плазменный поток и направленно воздействуют им на поверхность материала, причем плазму создают и формируют из нее плазменный поток плазмотроном с регулируемыми параметрами, при этом дополнительно создают управляемый поток электромагнитных волн с частотой 0,5-5 ГГц и направляют его в место контакта плазменного потока с поверхностью материала, при этом регулировкой параметров плазмотрона и/или управлением потоком электромагнитных волн обеспечивают и поддерживают температуру плазмы в ее скин-слое в месте контакта плазмы с поверхностью материала в диапазоне 3000-5000 К.
Предпочтительно поток электромагнитных волн подают в скин-слой плазмы в месте контакта плазмы с поверхностью материала из объема материала.
Может быть подан дополнительный поток электромагнитных волн навстречу основному потоку электромагнитных волн.
После формирования плазмотроном плазменного потока последний может быть уменьшен, а мощность потока электромагнитных волн увеличена и таким образом поддерживают температуру в диапазоне 3000-5000 К в скин-слое в месте контакта плазмы с поверхностью материала, при этом используют плазмотрон в виде ВЧ плазмотрона, СВЧ плазмотрона или гибридного плазмотрона.
Плазменный поток может быть сформирован в импульсном режиме и/или поток электромагнитных волн создают в импульсном режиме, а импульсные режимы плазменного потока и потока электромагнитных волн синхронизируют для работы в противофазе.
В ходе проведенного исследования выявлено, что сочетание создания управляемого потока электромагнитных волн с частотой 0,5-5 ГГц и направления его в место контакта плазменного потока с поверхностью материала и поддержка температуры плазмы в месте контакта с поверхностью материала в диапазоне 3000-5000 К с одновременной регулировкой плазменного потока путем изменения параметров плазмотрона и/или управлением потоком электромагнитных волн позволяет менять глубину проникновения тепла, а тем самым управлять геометрией разрушения, поскольку, как только температура поверхности диэлектрического материала подрастает на величину ΔT=σв/αЕ, в теле появляются трещины и оно разрушается. При этом установлено, что сочетание указанных выше параметров плазмы и потока электромагнитных волн позволяет резко сократить время нагрева диэлектрического материала и повысить производительность процесса разрушения диэлектрического материала.
Положительный эффект достигается тем, что вследствие увеличения плотности мощности потока q тепла в диэлектрический материал снижается время τ его нагрева ΔT, необходимое для разрушения породы: ΔT~q√τ (см. Сканави Г.И., Физика диэлектриков, М., Физматгиз, 1958 г.). При этом суммарные энергозатраты W падают, так как W=qτ~(ΔT)2/q - const/q, а это позволяет эффективнее разрушать диэлектрический материал, в частности горную породу.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 схематически показано воздействие плазменного потока и потока электромагнитных волн на разрушаемое диэлектрическое тело.
Лучший вариант осуществления изобретения
С помощью плазмотрона создают плазменный поток 1, направляя его непосредственно на поверхность диэлектрического материала 2. Плазма, контактируя с ней, передает диэлектрическому материалу 2 свою энергию, нагревая его. В место контакта плазменного потока 1 с поверхностью диэлектрического материала 2 подают поток электромагнитных волн 3, генерируемый, например, СВЧ генератором. Поток электромагнитных волн 3 поглощается в узком скин-слое 4 плазмы (см. фиг.1), соприкасающемся с поверхностью диэлектрического материала 2, и выделяет в нем всю свою энергию, интенсифицируя нагрев диэлектрического материала 2.
Если диэлектрический материал 2 имеет ограниченные размеры, то поток электромагнитных волн 3 подают извне на его поверхность, противоположную поверхности, контактирующей с плазмой. Поток электромагнитных волн 3, проходя без потерь сквозь диэлектрический материал 2, изнутри диэлектрического материала 2 поступает в зону контакта плазменного потока 1 с диэлектрическим материалом 2 и полностью поглощается в узком скин-слое 4 плазмы, непосредственно контактирующей с поверхностью диэлектрического материала 2. Это существенно повышает удельную плотность мощности, выделяемой на поверхности диэлектрического материала 2, причем представляется возможность подавать дополнительный поток электромагнитных волн (не показан) навстречу основному потоку электромагнитных волн 3 и, кроме того, после формирования плазмотроном плазменного потока 1 последний уменьшать, а мощность потока электромагнитных волн 3 увеличивать и таким образом поддерживать температуру в диапазоне 3000-5000 К в скин-слое 4 в месте контакта плазмы с поверхностью материала 2, что расширяет возможности по регулировке процесса воздействия на диэлектрические материалы 2 и позволяет повысить производительность при проведении такого воздействия.
Если диэлектрический материал 2 имеет неограниченные размеры (полуплоскость), или доступ к его противоположной стороне затруднен, то поток электромагнитных волн 3, направленный навстречу плазменному потоку 1, формируют в объеме диэлектрического материала 2 с помощью электродов (антенны), предварительно расположенных в диэлектрическом материале 2.
На расширение возможности регулирования воздействия на диэлектрические материалы 2 и, как следствие, расширение области применения и повышение производительности при разрушении твердых диэлектрических тел 2 направлено формирование плазменного потока 1 в импульсном режиме и/или создание потока электромагнитных волн 3 в импульсном режиме, причем предпочтительно импульсные режимы плазменного потока 1 и потока электромагнитных волн 3 синхронизовать для работы в противофазе.
Промышленная применимость
Настоящее изобретение может быть использовано в горной промышленности и строительстве при бурении скважин и возведении гражданских и промышленных объектов в горной местности, а также для интенсивного нагрева различного рода диэлектрических материалов в других отраслях промышленности.
1. Способ плазменно-электромагнитного воздействия на диэлектрический материал, заключающийся в том, что создают плазму плазмотроном, формируют из нее плазменный поток и направленно воздействуют им на поверхность материала, отличающийся тем, что плазму создают и формируют из нее плазменный поток плазмотроном с регулируемыми параметрами, при этом дополнительно создают управляемый поток электромагнитных волн с частотой 0,5-5 ГГц и направляют его в место контакта плазменного потока с поверхностью материала, при этом регулировкой параметров плазмотрона и/или управлением потоком электромагнитных волн обеспечивают и поддерживают температуру плазмы в ее скин-слое в месте контакта плазмы с поверхностью материала в диапазоне 3000-5000 К.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поток электромагнитных волн подают в скин-слой плазмы в месте контакта плазмы с поверхностью материала из объема материала.
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что подают дополнительный поток электромагнитных волн навстречу основному потоку электромагнитных волн.
4. Способ по п.2, отличающийся тем, что после формирования плазмотроном плазменного потока последний уменьшают, а мощность потока электромагнитных волн увеличивают и таким образом поддерживают температуру в диапазоне 3000-5000 К в скин-слое в месте контакта плазмы с поверхностью материала.
5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что используют плазмотрон в виде ВЧ плазмотрона, СВЧ плазмотрона или гибридного плазмотрона.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что формируют плазменный поток в импульсном режиме и/или создают поток электромагнитных волн в импульсном режиме.
7. Способ по п.6, отличающийся тем, что импульсные режимы плазменного потока и потока электромагнитных волн синхронизируют для работы в противофазе.
