Самодельный плазматрон в фотографиях: путь от идеи к реализации
В этой статье подробно рассматривается процесс создания самодельного плазматрона — устройства для генерации плазмы. Материал основан на практическом опыте, включая как неудачные попытки, так и успешные решения, и сопровождается фотографиями каждого этапа.
Как работает плазматрон: базовый принцип
Принцип действия большинства плазматронов, от маломощных до промышленных установок в несколько мегаватт, основан на одном физическом процессе. Между катодом из тугоплавкого материала (например, вольфрама) и интенсивно охлаждаемым медным анодом зажигается электрическая дуга. Через зону дуги продувается плазмообразующий газ — рабочее тело. Им может быть воздух, водяной пар, аргон или другие газы. Под воздействием высокой температуры дуги газ ионизируется, переходя в состояние низкотемпературной плазмы — четвертого агрегатного состояния вещества. В мощных промышленных установках для стабилизации плазменной струи и снижения эрозии анода вдоль сопла часто устанавливается электромагнитная катушка.
Эволюция конструкции: учтенные ошибки
Описываемая конструкция является уже второй версией устройства. Первый прототип, лишенный активного охлаждения анода, не позволил добиться стабильной работы. В нем использовался водяной пар от самодельного электропарогенератора, а в качестве катода — тонкий вольфрамовый электрод диаметром 2 мм, который быстро выгорал. Малое сопло анода (1.2 мм) постоянно засорялось. Хотя устойчивой плазмы получить не удалось, кратковременные «проблески» обнадежили и стимулировали к дальнейшей работе. Изучение серийного аппарата «Алплаз» помогло понять общую схему, но было решено не копировать его полностью, а разработать собственную, более адаптированную конструкцию.
Устройство и ключевые компоненты
В текущей версии плазматрона в качестве рабочего тела испытывались и пар, и воздух. Пар давал более интенсивную плазму, но для устойчивой работы его необходимо перегревать, чтобы избежать конденсации на холодных деталях. Поскольку перегреватель пока не реализован, основные эксперименты ведутся со сжатым воздухом.
Вот как устроен плазматрон изнутри:
Сердце устройства — сменный анод, выточенный из меди, с диаметром сопла 1.8–2 мм. Он установлен в бронзовый анодный блок, состоящий из двух частей. Между ними создана полость для циркуляции охлаждающей жидкости (воды или тосола), что предотвращает перегрев и разрушение анода.
Катод изготовлен из более толстого (4 мм) вольфрамового стержня, заточенного на конус. Он дополнительно охлаждается потоком подаваемого под давлением рабочего газа. На фотографии ниже представлен полностью разобранный узел плазматрона, демонстрирующий все его составные части.
Схема питания и запуска
Электрическая дуга зажигается механическим способом: оператор вручную подает катод вперед, пока он не коснется анода, а затем быстро отводит его на 2–4 мм, разрывая контакт, но поддерживая дуговой разряд. Питание на анод подается через трубки системы охлаждения, а на катод — по отдельному проводу, подключенному к его держателю.
Общая схема подключения включает несколько ключевых элементов:
- Балластный резистор: Для ограничения тока можно использовать любой мощный нагревательный прибор на 3–5 кВт, например, несколько параллельно соединенных ТЭНов или кипятильников.
- Дроссель: Устанавливается после выпрямителя для сглаживания тока. Должен быть рассчитан на ток до 20 А (в данной конструкции — около 100 витков толстого медного провода).
- Силовые диоды: В выпрямительном мосту применяются диоды с запасом по параметрам: ток от 50 А и напряжение от 500 В.
Для подачи воздуха используется автомобильный компрессор, а для циркуляции охлаждающей жидкости в замкнутом контуре — насос от омывателя стекол. Они питаются от отдельного 12-вольтового блока питания.
Результаты испытаний и выводы
Данная конструкция позволила добиться стабильной генерации плазмы в течение 5–10 минут, что стало значительным прогрессом. Однако устройство все еще носит экспериментальный характер и имеет ряд недостатков, которые предстоит устранить:
- Износ анода: Медные сменные аноды постепенно выгорают. Их изготовление, особенно с резьбовым соединением, трудоемко. Более перспективным представляется вариант с бесрезьбовым креплением.
- Эффективность охлаждения: Теплообмен недостаточен, так как охлаждающая жидкость не контактирует напрямую с телом анода. Конструкция с прямым охлаждением была бы эффективнее.
- Сложность повторения: Детали были выточены из подручных материалов, что делает конструкцию уникальной и сложной для точного воспроизведения.
- Безопасность: Для безопасной работы с сетевым питанием критически необходим мощный разделительный (развязывающий) трансформатор.
Демонстрация возможностей
Несмотря на экспериментальный статус, плазматрон демонстрирует впечатляющую мощность. На заключительных фотографиях запечатлен процесс резки металлической проволоки и стальных пластин. Струя плазмы и брызги раскаленного металла разлетаются почти на метр, наглядно показывая высокую температуру и энергию, которую может генерировать это самодельное устройство.
Этот обзор наглядно показывает, что создание работоспособного плазматрона в домашних условиях — сложная, но выполнимая инженерная задача, требующая терпения, анализа ошибок и последовательного совершенствования конструкции.