предыдущая страница                                              следующая страница

2.4. Многоцелевая электродуговая установка

Удобной для исследовательских целей является электродуговая установка, описанная в [19] (рис. 2.8). Устройство позволяет варьировать различные параметры процесса - величину тока и напряжения, зазор между электродами, давление гелия, расстояние от дуги до охлаждаемой поверхности, температурный градиент и т. д., что дает возможность проводить экспериментальные работы с различными электродами. Основой установки является емкость (3) из нержавеющей стали с водяной рубашкой. Перед напуском газообразного гелия емкость вакуумируется до 10-20 Торр. В качестве испаряемого анода используются графитовые стержни (1) диаметром 6 мм и длиной 200 мм, в качестве неиспаряемого катода (2) - стержни диаметром 12-16 мм. Графитовые электроды предварительно подвергаются в течение 2 ч термообработке в вакуумной печи при 800 оС и хранятся в вакуум-эксикаторе.
Установка может работать как при постоянном, так и при переменном токе. В качестве источника питания (4) дуги постоянного тока используется генератор типа СГ-300, обмотка самовозбуждения которого отсоединена от генератора и запитана от независимого источника постоянного напряжения, что обеспечивает более стабильные условия горения дуги при токах 50-150 А. Источником питания дуги переменного тока служит трансформатор типа ТПО-10/20/40ПК, напряжение в первичной обмотке которого регулируется автотрансформатором типа АОМН-40-220-75 УХЛ4. Стабилизация дуги переменного тока достигается последовательным включением в цепь вторичной обмотки трансформатора дросселя индуктивностью 0,6 на 10-3 Гн и сопротивлением 0,019 Ом. Крутопадающие вольт-амперные характеристики, как и при постоянном токе, позволяют стабилизировать ток, чтобы в определенном диапазоне он не зависел от расстояния между электродами.
Скорость испарения графитового стержня и длина дуги регулируются и поддерживаются постоянными путем изменения напряжения в обмотке управления асинхронного двигателя РД-09 (13). Неиспаряемый электрод (катод) перемещается с помощью реечной передачи вместе с тонким полированным стержнем (5) из нержавеющей стали диаметром 4 мм. Над графитовыми электродами располагается охлаждаемый водой медный экран (6), увеличивающий холодную поверхность, на которую осаждается сажа, и защищающий резиновые уплотнения во фланце емкости (3) от перегрева. Токовводы (7) выполнены из медных трубок и также охлаждаются водой. Таким образом, вся поверхность, на которую может осаждаться сажа, является охлаждаемой.
Медный держатель испаряемого стержня, вблизи которого горит дуга, защищен от оплавления графитовым кольцом (8). При использовании дополнительной подставки установка может работать и в горизонтальном положении. Кроме того, ее конструкция позволяет изменять взаимное расположение электродов по отношению друг к другу, что дает возможность изучать условия осаждения и охлаждения сажи при различных положениях электродов и охлаждаемой поверхности.

Рис. 2.8. Схема многоцелевой электродуговой установки: 1 – графито-вый стержень; 2 - нерасходуемый электрод; 3 - емкость;
4 - источник питания; 5 - стержень; 6 - медный экран; 7 - токовводы; 8 - графитовое кольцо; 9 - сосуд; 10 - дополнительный медный экран; 11 - осциллограф; 12 - вакуумметр; 13 - асинхронный двигатель РД-09.

Для проведения экспериментов в более сложном варианте внутрь емкости (3) помещается дополнительный охлаждаемый водой сосуд (9), диаметр которого (110 мм) близок диаметрам охлаждаемых поверхностей, используемых в ряде работ, и, по-видимому, является оптимальным. Имеющийся между экраном (6) и сосудом (9) зазор закрывается дополнительным медным экраном (10). Температура этого слабоохлаждаемого экрана, прикрепленного только в нескольких точках к охлаждаемому водой экрану (6), измеряется с помощью термопары. Если убрать экран (10), сажа может осаждаться на охлаждаемую и находящуюся в “тени” от облучения дугой поверхность емкости (3).
В качестве поверхности, которая одновременно находилась бы на оптимальном расстоянии от дуги и в то же время создавала бы “тень” на поверхности емкости (3), вместо сосуда (9) использовали охлаждаемую водой цилиндрическую винтовую спираль с таким же диаметром намотки, как и диаметр сосуда (9). Спираль навивали из медной трубки диаметром 10 мм с шагом 20 мм.
Контроль осуществляли через специальное застекленное окно как визуально, так и с помощью амперметра, вольтметра и осциллографа (11).
Изучение распределения осаждаемых фуллеренов по стенкам охлаждаемой емкости показало, что на стенках, расположенных ближе к дуге, сажи осаждается больше, чем на удаленных участках. Такая картина имеет место при вертикальном расположении электродов, когда подвижным является тонкий испаряемый стержень (рис. 2.9, а). Если подвижным стержнем становится катод (рис. 2.9, б), сажа на стенках емкости распределяется более равномерно.
При горизонтальном расположении электродов условия осаждения сажи другие. Большая часть сажи (до 90 %) за счет конвективных потоков осаждается над дугой (рис. 2.9, в и г).
Как и в случае вертикального расположения (см. рис. 2.9, б), более равномерный слой сажи над дугой образуется при перемещении катода (рис. 2.9, г). Оказалось, что содержание фуллеренов в саже, равномерно распределенной по поверхности (см. рис. 2.9, б), на 3–4 % выше, чем при неравномерном распределении. По-видимому, увеличение выхода фуллеренов в этом случае связано с образованием более тонкого, лучше охлаждаемого слоя сажи.
Выход фуллеренов на этой установке достигает 25 %.

Рис. 2.9. Распределение сажи при различном размещении электродов для вертикального и горизонтального расположения установки.

предыдущая страница                                              следующая страница