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等離子體發生器

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等離子體發生器(plasma generator)用人工方法獲得等離子體的裝置。等離子體由自然產生的稱為自然等離子體(如北極光和閃電),由人工產生的稱為實驗室等離子體。實驗室等離子體是在有限容積的等離子體發生器中產生的。

等離子體發生器釋義

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如果環境温度較低,等離子體能夠通過輻射和熱傳導等方式向壁面傳遞能量,因此,要在實驗室內保持等離子體狀態,發生器供給的能量必須大於等離子體損失的能量。不少人工產生等離子體的方法(如爆炸法、激波法等)產生的等離子體狀態只能持續很短時間(10~10秒左右),而有工業應用價值的等離子體狀態則要維持較長時間(幾分鐘至幾十小時)。能產生後一種等離子體的方法主要有:直流弧光放電法、交流工頻放電法、高頻感應放電法、低氣壓放電法(例如輝光放電法)和燃燒法。前四种放電都用電學手段獲得,而燃燒則利用化學手段獲得。
等離子體發生器的放電原理:利用外加電場或高頻感應電場使氣體導電,稱為氣體放電。氣體放電是產生等離子體的重要手段之一。被外加電場加速的部分電離氣體中的電子與中性分子碰撞,把從電場得到的能量傳給氣體。電子與中性分子的彈性碰撞導致分子動能增加,表現為温度升高;而非彈性碰撞則導致激發(分子或原子中的電子由低能級躍遷到高能級)、離解(分子分解為原子)或電離(分子或原子的外層電子由束縛態變為自由電子)。高温氣體通過傳導、對流和輻射把能量傳給周圍環境,在定常條件下,給定容積中的輸入能量和損失能量相等。電子和重粒子(離子、分子和原子)間能量傳遞的速率與碰撞頻率(單位時間內碰撞的次數)成正比。在稠密氣體中,碰撞頻繁,兩類粒子的平均動能(即温度)很容易達到平衡,因此電子温度和氣體温度大致相等,這是氣壓在一個大氣壓以上時的通常情況,一般稱為熱等離子體或平衡等離子體。在低氣壓條件下,碰撞很少,電子從電場得到的能量不容易傳給重粒子,此時電子温度高於氣體温度,通常稱為冷等離子體或非平衡等離子體。兩類等離子體各有特點和用途(見等離子體的工業應用)。氣體放電分為直流放電和交流放電。

等離子體發生器類型

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等離子體發生器直流放電

圖1  直流放電各區域的伏安特性曲線 圖1 直流放電各區域的伏安特性曲線
通常指低頻放電,在氣壓和電流範圍不同時,由於氣體中電子數、碰撞頻率、粒子擴散和熱量傳遞速度不同,會出現暗電流區、輝光放電區和弧光放電區(圖 1)。電流的大小是根據電源負載特性曲線(圖 1)中兩條相應於電阻R1、R2的下降直線和放電特性曲線的交點(工作點ABC)確定的。
①暗電流區 電子在電場加速的情況下,獲得足夠能量,通過與中性分子碰撞,新產生的電子數迅速增加,電流增大到10~10-安時,在陽極附近才出現很薄的發光層。
②輝光放電區 電流再增大(10~10安)時,在較低的氣壓條件下,陰極受到快速離子的轟擊而發射電子,這些電子在電場作用下向陽極方向加速運動。陰極附近有一個電位差很大的陰極位降區。電極之間的中間部分是電位梯度不很大的正柱區,其中的介質是非平衡等離子體。正柱區的電子和離子以同一速度向壁面擴散,並在壁面複合,放出能量(這是沒有氣體對流時的情況)。經典理論中電子密度在橫截面上的分佈是貝塞耳函數的形式。在陽極附近有一個幾毫米厚的陽極位降區,其中的電位差與氣體電離電位的數值大致相等。
③弧光放電區 當電流超過 10安且氣體壓力也較高時,正柱區產生的焦耳熱大於粒子擴散帶到壁面的熱量,使正柱區中心部分温度升高,氣體電導率增加,以致電流向正柱區中心集中,形成不穩定的收縮現象。最後,導電正柱縮成一根温度很高、電流密度很大的電弧,這就是弧光放電。在陰極,電流密度達10~10安/釐米,形成"陰極斑點",根據熱電子發射(熱陰極)或場致發射(冷陰極)的機理,發出電子。在陽極也有"陽極斑點"。由於電子帶着本身的動能進入陽極,進入時又放出相當於逸出功的能量,再加上陽極位降區的發熱量,使陽極加熱比陰極大得多。弧光放電的陰極和陽極位降區電位降總共不過一二十伏,中間是正柱區。
弧柱中熱量的散失主要依靠熱傳導、對流和輻射。在定常、軸對稱、洛倫茲力和軸向熱傳導可忽略,以及氣體壓力和軸向電場在橫截面上呈均勻分佈的條件下,根據氣體性質參數和管道的幾何形狀對磁流體力學基本方程組進行簡化,可以算出管道中氣流速度和温度分佈以及電弧各參量。
電弧中電流密度高,往往存在着磁流體力學效應。外加磁場或自身磁場較強時,電弧受到洛倫茲力J×B(J是電流密度,B是磁感應強度)的作用。電弧在垂直磁場作用下所作的旋轉運動,可使氣體加熱得更為均勻,並使弧根在電極上高速運動,從而減少電極燒損,還對電弧的穩定有明顯影響。自身磁場對電弧有箍縮作用,產生的磁壓(Pm=B/2μe,式中μe為磁導率)梯度能導致氣體的宏觀流動。在陰極附近,由於電流密度很大,相應的磁壓較高。離開陰極後,電弧截面加大,磁壓沿軸向降低,引起氣體由陰極區向正柱區流動,形成陰極射流,其流速可達到100米/秒左右。在陽極斑點附近也存在着同樣機理的陽極射流。

等離子體發生器交流放電

通常指工頻和高頻放電。工頻放電時,陰、陽極以工頻交替變化,其放電特性與直流放電有類似之處。高頻放電時,電子仍是從電場取得能量的主要粒子。高頻電場使電子往復運動,在此過程中,電子與分子碰撞並把能量傳給分子,使氣體温度升高,或產生激發、離解與電離現象。碰撞後的電子運動變為無規律的,在電場作用下又按照電場力的方向加速,這樣不斷地把能量從電場傳給氣體。在高頻放電中,每單位體積氣體中輸入功率的平均值圴為:
式中n為電子密度;e為電子電荷;Ee為高頻電場強度的幅值;m為電子質量;vo為碰撞頻率;ω為外加電場的頻率。

等離子體發生器等離子體發生器的種類

在科學技術和工業領域應用較多的發生器有電弧等離子體發生器(又稱等離子體噴槍、電弧加熱器)、工頻電弧等離子體發生器、高頻感應等離子體發生器、低氣壓等離子體發生器、燃燒等離子體發生器五類。最典型的為電弧、高頻感應、低氣壓等離子體發生器三類。它們的放電特性分別屬於弧光放電、高頻感應弧光放電和輝光放電等類型。
電弧等離子體發生器  又稱電弧等離子體炬,或稱等離子體噴槍,有時也稱電弧加熱器。它是一種能夠產生定向"低温"(約2000~20000開)等離子體射流的放電裝置,已在等離子體化工、冶金、噴塗、噴焊、機械加工和氣動熱模擬實驗等領域中得到廣泛應用。通過陰、陽極之間的弧光放電,可產生自由燃燒、不受約束的電弧,稱為自由電弧,它的温度較低(約5000~6000開),弧柱較粗。當電極間的電弧受到外界氣流、發生器器壁、外磁場或水流的壓縮,分別造成氣穩定弧(圖2a)、壁穩定弧(圖2b)、磁穩定弧(圖2c)或水穩定弧(圖2d),這時弧柱變細,温度增高(約10000開),這類電弧稱為壓縮電弧。無論哪種壓縮方式,其物理本質都是設法冷卻弧柱邊界,使被冷卻部分導電性降低,迫使電弧只能通過中心狹窄通道,形成壓縮弧。
圖2  壓縮電弧 圖2 壓縮電弧
電弧等離子體炬主要由一個陰極(陽極用工件代替)或陰、陽兩極,一個放電室以及等離子體工作氣供給系統三部分組成。等離子體炬按電弧等離子體的形式可分成非轉移弧炬和轉移弧炬。非轉移弧炬(圖3a)中,陽極兼作炬的噴嘴;而在轉移弧炬(圖3b)中,陽極是指電弧離開炬轉移到的被加工工件。當然也有兼備轉移弧和非轉移弧的聯合式等離子體炬(圖3c)。
電弧等離子體炬由於陰極損耗,必然使等離子體中混入陰極材料。根據不同的工程需要,可選用損耗程度不同的材料作陰極。如要陰極損耗盡可能小,一般採用難熔材料,但具體選擇材料時應考慮到所使用的工作氣種類。如工作氣為氬、 氮、氫-氮、氫-氬時,常用鈰-鎢或釷-鎢作陰極;工作氣為空氣或純氧時,可用鋯或水冷銅作陰極。
圖3  等離子體弧的形式 圖3 等離子體弧的形式
工業上應用的電弧等離子體炬的主要技術指標是功率、效率和連續使用壽命。一般其輸出功率範圍為10~10瓦,效率較高(約為50%~90%),使用壽命受電極壽命限制。由於電極受活性工作氣(氧、氯、空氣)的侵蝕,炬的連續壽命一般不超過200小時;備有補充電極的電弧等離子體炬,壽命可達數百小時。目前製造新型的、可在高壓強(≤1.01×10帕)和低壓強 (≤1.33帕)下工作的電弧等離子體炬以及三相大功率電弧等離子體炬的條件已基本成熟。等離子體射流温度範圍約在3700~25000開(取決於工作氣種類和功率等因素),射流速度範圍為1~10米/秒。
高頻感應等離子體發生器  又稱高頻等離子體炬,或稱射頻等離子體炬。它利用無電極的感應耦合,把高頻電源的能量輸入到連續的氣流中進行高頻放電。高頻等離子體發生器及其應用工藝有以下新特點:
①只有線圈,沒有電極,故無電極損耗問題。發生器能產生極純淨的等離子體,連續使用壽命取決於高頻電源的電真空器件壽命,一般較長,約為2000~3000小時。在等離子體高温下,由於參加反應的物質不存在被電極材料污染的問題,故可用來煉製高純度難熔材料,如熔制藍寶石、無水石英,拉制單晶、光導纖維、煉製鈮、鉭、海綿鈦等。
②高頻等離子體流速較低(約0~10米/秒),弧柱直徑較大。近年來,已廣泛應用於實驗室,便於作大量等離子體過程試驗。工業上製備金屬氧化物、氮化物、碳化物或冶煉金屬時,反應物在高温區停留時間長,使氣相反應很充分。
根據電源與等離子體耦合的方式不同,高頻等離子體炬可分為:電感耦合型(圖4a)、電容耦合型(圖4b)、微波耦合型(圖4c)和火焰型(圖4d)。高頻等離子體炬由三部分組成:高頻電源、放電室、等離子體工作氣供給系統。後者除了供軸向工作氣外,還像電弧等離子體炬氣穩弧一樣,切向供入旋轉氣流以冷卻並保護放電室壁(通常用石英或耐熱性較差的材料)。
圖4  高頻等離子體炬示意圖 圖4 高頻等離子體炬示意圖

等離子體發生器應用

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高頻等離子體炬在工業中已有多方面的應用,特別是在等離子體化工、冶金和光學材料提純等方面。它還可製備超導材料,如用氫高頻等離子體還原釩-硅(或釩-鍺),鈮-鋁(或鈮-鍺)的氯化物蒸氣以製備超導材料。中國冶金、採礦企業中需處理的鈦礦石、含釩礦渣、磷礦石以及工業難熔廢料含稀有材料的礦渣很多,採用高頻等離子體炬是頗有前途的冶煉手段,可從中煉出有用的金屬和稀有元素。
高頻等離子體發生器的功率輸出範圍為0.5~1兆瓦,效率為50%~75%,放電室中心温度一般約高達7000~10000開。
低氣壓等離子體發生器  一種低氣壓氣體放電裝置,一般由三部分組成:產生等離子體的電源、放電室、抽真空系統和工作氣(或反應氣)供給系統。通常有四類:靜態放電裝置(圖5之a)、高壓電暈放電裝置(圖5之b)、高頻(射頻)放電裝置(有3種類型,圖5之c)和微波放電裝置(圖5之d)。把被處理的固體表面或需要聚合膜層的基體表面置於放電環境中,由等離子體處理。由於低氣壓等離子體為冷等離子體,當氣壓為 133~13.3帕左右時,電子温度高達10000開,而氣體温度只有300開,既不致燒壞基體,又有足夠能量進行表面處理。  低氣壓等離子體發生器已日益廣泛應用於等離子體聚合、製備薄膜、刻蝕、清洗等表面處理工藝中。成功的例子如:在半導體制作工藝中,採用氟里昂等離子體幹腐蝕,用離子鍍法在金屬表面生成氮化鈦膜等。70年代以來,低氣壓等離子體對非金屬固體(如玻璃、紡織品、塑料等)的表面處理及改性技術也有迅速發展。
圖5 低氣壓等離子體發生器 圖5 低氣壓等離子體發生器

等離子體發生器參考書目

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