等离子体发生器的类型
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发布时间：2022-05-17 07:14
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时间：2023-08-17 07:41
通常指低频放电，在气压和电流范围不同时，由于气体中电子数、碰撞频率、粒子扩散和热量传递速度不同，会出现暗电流区、辉光放电区和弧光放电区（图 1）。电流的大小是根据电源负载特性曲线（图 1）中两条相应于电阻R1、R2的下降直线和放电特性曲线的交点(工作点A、B、C)确定的。
①暗电流区 电子在电场加速的情况下，获得足够能量，通过与中性分子碰撞，新产生的电子数迅速增加，电流增大到10～10-安时，在阳极附近才出现很薄的发光层。
②辉光放电区 电流再增大（10～10安）时，在较低的气压条件下，阴极受到快速离子的轰击而发射电子，这些电子在电场作用下向阳极方向加速运动。阴极附近有一个电位差很大的阴极位降区。电极之间的中间部分是电位梯度不很大的正柱区，其中的介质是非平衡等离子体。正柱区的电子和离子以同一速度向壁面扩散，并在壁面复合，放出能量(这是没有气体对流时的情况)。经典理论中电子密度在横截面上的分布是贝塞耳函数的形式。在阳极附近有一个几毫米厚的阳极位降区，其中的电位差与气体电离电位的数值大致相等。
③弧光放电区 当电流超过 10安且气体压力也较高时，正柱区产生的焦耳热大于粒子扩散带到壁面的热量,使正柱区中心部分温度升高,气体电导率增加，以致电流向正柱区中心集中，形成不稳定的收缩现象。最后，导电正柱缩成一根温度很高、电流密度很大的电弧，这就是弧光放电。在阴极,电流密度达10～10安/厘米，形成阴极斑点，根据热电子发射（热阴极）或场致发射（冷阴极）的机理，发出电子。在阳极也有阳极斑点。由于电子带着本身的动能进入阳极，进入时又放出相当于逸出功的能量，再加上阳极位降区的发热量，使阳极加热比阴极大得多。弧光放电的阴极和阳极位降区电位降总共不过一二十伏，中间是正柱区。
弧柱中热量的散失主要依靠热传导、对流和辐射。在定常、轴对称、洛伦兹力和轴向热传导可忽略，以及气体压力和轴向电场在横截面上呈均匀分布的条件下，根据气体性质参数和管道的几何形状对磁流体力学基本方程组进行简化，可以算出管道中气流速度和温度分布以及电弧各参量。
电弧中电流密度高，往往存在着磁流体力学效应。外加磁场或自身磁场较强时,电弧受到洛伦兹力J×B(J是电流密度,B是磁感应强度）的作用。电弧在垂直磁场作用下所作的旋转运动，可使气体加热得更为均匀，并使弧根在电极上高速运动，从而减少电极烧损，还对电弧的稳定有明显影响。自身磁场对电弧有箍缩作用，产生的磁压(Pm=B/2μe，式中μe为磁导率)梯度能导致气体的宏观流动。在阴极附近，由于电流密度很大，相应的磁压较高。离开阴极后，电弧截面加大，磁压沿轴向降低，引起气体由阴极区向正柱区流动，形成阴极射流，其流速可达到100米/秒左右。在阳极斑点附近也存在着同样机理的阳极射流。 通常指工频和高频放电。工频放电时，阴、阳极以工频交替变化，其放电特性与直流放电有类似之处。高频放电时，电子仍是从电场取得能量的主要粒子。高频电场使电子往复运动，在此过程中，电子与分子碰撞并把能量传给分子，使气体温度升高，或产生激发、离解与电离现象。碰撞后的电子运动变为无规律的，在电场作用下又按照电场力的方向加速，这样不断地把能量从电场传给气体。在高频放电中，每单位体积气体中输入功率的平均值圴为：
式中n为电子密度；e为电子电荷；Ee为高频电场强度的幅值;m为电子质量;vo为碰撞频率；ω为外加电场的频率。 在科学技术和工业领域应用较多的发生器有电弧等离子体发生器（又称等离子体喷*、电弧加热器）、工频电弧等离子体发生器、高频感应等离子体发生器、低气压等离子体发生器、燃烧等离子体发生器五类。最典型的为电弧、高频感应、低气压等离子体发生器三类。它们的放电特性分别属于弧光放电、高频感应弧光放电和辉光放电等类型。
电弧等离子体发生器 又称电弧等离子体炬，或称等离子体喷*，有时也称电弧加热器。它是一种能够产生定向低温（约2000～20000开）等离子体射流的放电装置，已在等离子体化工、冶金、喷涂、喷焊、机械加工和气动热模拟实验等领域中得到广泛应用。通过阴、阳极之间的弧光放电，可产生自由燃烧、不受约束的电弧，称为自由电弧，它的温度较低（约5000～6000开），弧柱较粗。当电极间的电弧受到外界气流、发生器器壁、外磁场或水流的压缩，分别造成气稳定弧（图2a）、壁稳定弧(图2b)、磁稳定弧（图2c）或水稳定弧(图2d)，这时弧柱变细，温度增高（约10000开）,这类电弧称为压缩电弧。无论哪种压缩方式，其物理本质都是设法冷却弧柱边界，使被冷却部分导电性降低，迫使电弧只能通过中心狭窄通道，形成压缩弧。
电弧等离子体炬主要由一个阴极(阳极用工件代替)或阴、阳两极，一个放电室以及等离子体工作气供给系统三部分组成。等离子体炬按电弧等离子体的形式可分成非转移弧炬和转移弧炬。非转移弧炬(图3a)中,阳极兼作炬的喷嘴;而在转移弧炬（图3b）中，阳极是指电弧离开炬转移到的被加工工件。当然也有兼备转移弧和非转移弧的联合式等离子体炬（图3c）。
电弧等离子体炬由于阴极损耗，必然使等离子体中混入阴极材料。根据不同的工程需要，可选用损耗程度不同的材料作阴极。如要阴极损耗尽可能小，一般采用难熔材料，但具体选择材料时应考虑到所使用的工作气种类。如工作气为氩、 氮、氢-氮、氢-氩时，常用铈-钨或钍－钨作阴极；工作气为空气或纯氧时，可用锆或水冷铜作阴极。
工业上应用的电弧等离子体炬的主要技术指标是功率、效率和连续使用寿命。一般其输出功率范围为10～10瓦,效率较高(约为50%～90%)，使用寿命受电极寿命*。由于电极受活性工作气（氧、氯、空气）的侵蚀,炬的连续寿命一般不超过200小时；备有补充电极的电弧等离子体炬，寿命可达数百小时。目前制造新型的、可在高压强（≤1.01×10帕）和低压强 (≤1.33帕)下工作的电弧等离子体炬以及三相大功率电弧等离子体炬的条件已基本成熟。等离子体射流温度范围约在3700～25000开（取决于工作气种类和功率等因素）,射流速度范围为1～10米/秒。
高频感应等离子体发生器 又称高频等离子体炬，或称射频等离子体炬。它利用无电极的感应耦合，把高频电源的能量输入到连续的气流中进行高频放电。高频等离子体发生器及其应用工艺有以下新特点：
①只有线圈，没有电极，故无电极损耗问题。发生器能产生极纯净的等离子体，连续使用寿命取决于高频电源的电真空器件寿命，一般较长，约为2000～3000小时。在等离子体高温下，由于参加反应的物质不存在被电极材料污染的问题,故可用来炼制高纯度难熔材料,如熔制蓝宝石、无水石英，拉制单晶、光导纤维、炼制铌、钽、海绵钛等。
②高频等离子体流速较低（约0～10米/秒），弧柱直径较大。近年来，已广泛应用于实验室，便于作大量等离子体过程试验。工业上制备金属氧化物、氮化物、碳化物或冶炼金属时，反应物在高温区停留时间长，使气相反应很充分。
根据电源与等离子体耦合的方式不同，高频等离子体炬可分为：电感耦合型(图4a)、电容耦合型(图4b)、微波耦合型（图4c）和火焰型(图4d)。高频等离子体炬由三部分组成：高频电源、放电室、等离子体工作气供给系统。后者除了供轴向工作气外,还像电弧等离子体炬气稳弧一样,切向供入旋转气流以冷却并保护放电室壁(通常用石英或耐热性较差的材料)。
