Устройство для получения униполярного коронного разряда

 

Изобретение относится к технической физике, в частности к аппаратам электронно-ионной технологии. Сущность: вокруг концов протяженного коронирующего электрода расположены тороидальные кольца адиабатической магнитной ловушки. Коронирующий электрод выполнен многоострийным в виде стержня с радиально отходящими иглами разной высоты, а внешний электрод зоны генерации представляет собой систему металлических полос, огибающих иглы. Коронирующий электрод подключен к источникам постоянного и переменного напряжений. В качестве источника переменного напряжения использован высоковольтный трансформатор. 1 табл. 4 ил.

Изобретение относится к технической физике, в частности к аппаратам электронно-ионной технологии, и может быть использовано для получения заряженных частиц в устройствах электрографии, электрофильтрах статического электричества, электрических сепараторах, рентгенографии, аппаратах полупроводниковой технологии.

Известно устройство для получения униполярного коронного разряда (устройство для зарядки электрографических носителей изображения), содержащее коронирующий электрод, связанный с высоковольтными источниками переменного и постоянного напряжений, заземленную пластину электрод для формирования поля разряда, экранирующую сетку, соединенную с низковольтным источником питания, коллектор, расположенный в плоскости сетки и заземленный через резистор, а также постоянный магнит, силовые линии которого в зоне генерации параллельны плоскости сетки.

Принцип работы устройства основан на генерации носителей заряда коронным разрядом переменного тока в перпендикулярных электрическом и магнитном полях, отделении с помощью постоянного электрического поля однополярных ионов из зоны генерации и осаждении их на пластину-электрод.

Наличие магнитного поля приводит к вращению электронов, испускаемых с поверхности коронирующего электрода, вокруг силовых линий магнитного поля и тем самым удлиняет их путь с момента вылета до момента возвращения при переменах полярностей полуволн напряжения возбуждения коронного разряда, что приводит к увеличению числа столкновений электронов с молекулами (атомами) воздуха и тем самым увеличивает концентрацию ионизированных отрицательных и положительных ионов в облаке, окружающем коронирующий электрод, повышая значение плотности тока разряда.

Однако и в этом случае при довольно сложной конструкции устройства эффективность описанного технического решения недостаточна вследствие малых размеров области ионизации (максимальный диаметр облака, в котором происходит эффективная ионизация молекул (атомов) воздуха электронами, двигающимися с циклотронной частотой по спиралям, равен, как правило, нескольким диаметрам коронирующего провода. Кроме того, для осуществления вышеуказанного технического решения используется магнитное поле значительной индукции, что требует постоянного магнита больших размеров и приводит к увеличению габаритов устройства, его стоимости.

Технический результат изобретения повышение эффективности устройства коронного разряда путем расширения зоны генерации.

Устройство содержит параллельно расположенные коронирующий многоострийный электрод, связанный с высоковольтными постоянным и переменным источниками питания, заземленный противоэлектрод-пластину, внешний электрод зоны генерации, выполненный в виде системы металлических полос в диэлектрических оболочках (полосы огибают иглы коронирующего электрода), экранирующую сетку, соединенную с низковольтным источником питания, электромагнит в виде адиабатической магнитной ловушки.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема данного устройства; на фиг. 2 показано распределение силовых линий магнитного поля в зоне генерации; на фиг. 3 и 4 представлены коронирующий электрод и система внешнего электрода.

Коронирующий электрод выполнен в виде стержня 1 с отходящими от него тонкими стержнями 2. Коронирующий электрод через конденсатор 3 и дроссель 4 подключен соответственно к переменному 5 и постоянному 6 источникам напряжений. Вдоль коронирующего электрода, повторяя рельеф тонких стержней, расположена система токопроводящих металлических полос 7, помещенных в резиновые оболочки 8. Система полос 7 через резистор с регулируемым сопротивлением 9 заземлена. Два торроидальных кольца 10 магнитной системы подключены к источнику 11. Экранирующая сетка 12 расположена между коронирующим электродом и противоэлектродом-пластиной 13.

Устройство работает следующим образом.

Магнитная система из двух колец 10 создает в зоне генерации магнитное поле, силовые линии которого распределены в большом объеме пространства, как показано на фиг. 2. Это создает условия для эффективного коронного разряда не в локальном объеме, а во всем пространстве, занятом силовыми линиями магнитного поля. Для использования этой возможности коронирующий электрод выполнен звездообразным многоострийным (фиг. 4), причем его огибающая повторяет форму распределения силовых линий магнитного поля. Электрическое поле, необходимое для возбуждения коронного разряда, создается не только коронирующим электродом и противоэлектродом 13, но и системой полос 7, образующих внешний электрод зоны генерации. Полосы 7 для создания равновероятного коронного разряда расположены на одинаковом расстоянии от острий стержней 2, т. е. огибают последние.

В итоге в зоне генерации имеют скрещенные электрическое и магнитное поля, что приводит к резкому увеличению концентрации электронов в зоне генерации, так как под действием указанных полей электроны закручиваются вокруг оси коронирующего электрода. Используя в грубом приближении формулу B_кр= где U_р напряжение между коронирующим электродом и полосами 7; R радиус системы полос 7; r радиус коронирующего электрода; e/m_e удельный заряд электрона, можно добиться в устройстве эффекта типа магнетронного.

Вращение электронов в поперечном магнитном поле удлиняет их путь с момента вылета с поверхности стержней 2 до момента возвращения на эту поверхность при перемене полярности полуволн напряжения возбуждения коронного разряда, а следовательно, увеличивает число столкновений электронов с молекулами воздуха, увеличивая тем самым концентрацию ионизированных молекул в облаке, окружающем коронирующий электрод.

В зависимости от места вылета электрона со стержней 2 плоскость его вращения наклонена. Но двигаясь по ней, электрон попадает в другие условия направления E и B, что изменяет его движение и ведет к поперечному дрейфу. Это выравнивает плотность ионизированного газа в облаке.

С краев электрода 1 электроны в облаке удерживает магнитная ловушка. Эффект магнитного зеркала заключен в том, что электрон, дрейфуя из области с меньшей B в область с большей B, сохраняет постоянным магнитный момент вращения, т.е. при возрастании B возрастает и кинетическая энергия вращения. Закон сохранения энергии требует тогда, чтобы скорость дрейфа электрона уменьшилась. При некотором значении B электрон просто тормозится в одной плоскости вращения и отражается в обратном направлении.

Таким образом, правильно подобрав B в зоне генерации, исключают выход электронов из зоны генерации как вдоль Е, так и с краев электрода 1. Это позволяет полностью исключить пробой заряженных электрографических носителей изображения.

Для отделения однополярных ионов и осаждения их на поверхности обрабатываемого материала между коронирующим электродом и противоэлектродом 13 приложено постоянное напряжение соответствующей полярности.

Поскольку траектории движения ионов слабо зависят от величины индукции магнитного поля, подвижность электронов в направлении, перпендикулярном линиям магнитного поля, становится ниже, чем для ионов, и поступление электронов на поверхность обрабатываемого материала, располагаемого на пластине 13, практически исключено.

Для управления максимальной величиной потенциала зарядки материала в устройстве предусмотрена экранирующая сетка 12, потенциал которой может иметь некоторое промежуточное значение между потенциалом земли и потенциалом коронирующего электрода. Во избежание замыкания переменного напряжения от источника 5 через источник 6 предусмотрен дроссель 4, а для исключения возможности попадания постоянного высоковольтного напряжения от источника 6 на источник 5 используется конденсатор 3. Для предотвращения дугового разряда полосы 7 помещены в резиновые оболочки 8.

При подаче переменного напряжения (10 кВ, 50 Гц) от источника 5 между коронирующим электродом и системой полос 7 возбуждается коронный разряд. Под действием скрещенных Е и B (индукция 0,1 Т) электроны многократно циклируют, интенсивно ионизируя молекулы воздуха. Для выделения ионов из зоны генерации и перехода их на поверхность обрабатываемого материала между электродом 1 и противоэлектродом-пластиной 13 приложено постоянное напряжение (до 25 кВ) от источника 6. Подсоединение осуществляется через дроссель 4 (L=0,5 Г). При подаче постоянного смещающего напряжения часть электронов может отклониться. Для предотвращения их пробоя на обрабатываемый материал на экранирующую сетку 12 подается промежуточный потенциал (до 150 В). На систему полос 7 подается 50% потенциала противоэлектрода 13. Конденсатор 3 имеет С=0,5 мкФ х 10 кВ. Коронирующий электрод выполнен из вольфрамовой проволоки толщиной 1 мм. Его длина 30 см. Вокруг центрального провода через 45^о приваривались острия. Полосы 7 (8 шт) выполнены из стали 35 х 2 см. Расстояние от оси электрода 1 до противоэлектрода не более 35 см. Диаметр торроидальных колец магнитной системы 15 см. Питание от двух источников Б5-21.

В таблице представлены результаты испытания предлагаемого технического решения в сравнении с прототипом. Определялась плотность тока, протекающего между коронирующим электродом и противоэлектродом-пластиной.

Как видно из таблицы, в предлагаемом устройстве по сравнению с прототипом удается получить плотности тока разряда в 7-10 раз большие.

Предлагаемое техническое решение по сравнению с прототипом обеспечивает следующие преимущества: устройство имеет упрощенную конструкцию (вместо высоковольтного генератора используется высоковольтный трансформатор), позволяет в широких пределах эффективно управлять плотностью тока разряда.

Использование предлагаемого технического решения позволит при уменьшении затрат значительно повысить производительность труда в электронной промышленности и тем самым получить значительный экономический эффект.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ УНИПОЛЯРНОГО КОРОННОГО РАЗРЯДА, содержащее протяженный коронирующий электрод, связанный с высоковольтными источниками постоянного и переменного напряжений и расположенный параллельно заземленному противоэлектроду, выполненному в виде пластины, экранирующую сетку, расположенную между коронирующим электродом и противоэлектродом, и магнит, отличающееся тем, что в качестве магнита выбран электромагнит, выполненный в виде адиабатической магнитной ловушки, состоящий из двух тороидальных колец, расположенных вокруг концов коронирующего электрода, выполненного в виде стержня, с радиально отходящими иглами разной высоты по длине стержня, рельеф которых повторяет распределение силовых линий магнитного поля, коронирующий электрод окружен дополнительно введенным внешним электродом зоны генерации, подключенным через резистор с переменным сопротивлением к заземленному противоэлектроду и выполненным в виде системы металлических полос в диэлектрических оболочках, огибающих иглы коронирующего электрода, причем экранирующая сетка расположена с наружной стороны внешнего электрода зоны генерации, а в качестве источника переменного напряжения использован высоковольтный трасформатор.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5