等離子體發(fā)生器分類

等離子體發(fā)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(chǎn)生的稱為自然等離子體（如北極光和閃電），由人工產(chǎn)生的稱為實(shí)驗(yàn)室等離子體。實(shí)驗(yàn)室等離子體是在有限容積的等離子體發(fā)生器中產(chǎn)生的。

等離子體發(fā)生器的放電原理：利用外加電場(chǎng)或高頻感應(yīng)電場(chǎng)使氣體導(dǎo)電，稱為氣體放電。氣體放電是產(chǎn)生等離子體的重要手段之一。被外加電場(chǎng)加速的部分電離氣體中的電子與中性分子碰撞，把從電場(chǎng)得到的能量傳給氣體。電子與中性分子的彈性碰撞導(dǎo)致分子動(dòng)能增加，表現(xiàn)為溫度升高；而非彈性碰撞則導(dǎo)致激發(fā)（分子或原子中的電子由低能級(jí)躍遷到高能級(jí)）、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(tài)變?yōu)樽杂呻娮樱?。高溫氣體通過(guò)傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射把能量傳給周圍環(huán)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(shí)間內(nèi)碰撞的次數(shù))成正比。在稠密氣體中，碰撞頻繁，兩類粒子的平均動(dòng)能(即溫度)很容易達(dá)到平衡，因此電子溫度和氣體溫度大致相等,這是氣壓在一個(gè)大氣壓以上時(shí)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(chǎng)得到的能量不容易傳給重粒子，此時(shí)電子溫度高于氣體溫度，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(diǎn)和用途（見(jiàn)等離子體的工業(yè)應(yīng)用）。氣體放電分為直流放電和交流放電。

在科學(xué)技術(shù)和工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較多的發(fā)生器有電弧等離子體發(fā)生器（又稱等離子體噴槍、電弧加熱器）、工頻電弧等離子體發(fā)生器、高頻感應(yīng)等離子體發(fā)生器、低氣壓等離子體發(fā)生器、燃燒等離子體發(fā)生器五類。最典型的為電弧、高頻感應(yīng)、低氣壓等離子體發(fā)生器三類。它們的放電特性分別屬于弧光放電、高頻感應(yīng)弧光放電和輝光放電等類型。

電弧等離子體發(fā)生器  又稱電弧等離子體炬，或稱等離子體噴槍，有時(shí)也稱電弧加熱器。它是一種能夠產(chǎn)生定向"低溫"（約2000～20000開(kāi)）等離子體射流的放電裝置，已在等離子體化工、冶金、噴涂、噴焊、機(jī)械加工和氣動(dòng)熱模擬實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。通過(guò)陰、陽(yáng)極之間的弧光放電，可產(chǎn)生自由燃燒、不受約束的電弧，稱為自由電弧，它的溫度較低（約5000～6000開(kāi)），弧柱較粗。當(dāng)電極間的電弧受到外界氣流、發(fā)生器器壁、外磁場(chǎng)或水流的壓縮，分別造成氣穩(wěn)定弧（圖2a）、壁穩(wěn)定弧(圖2b)、磁穩(wěn)定?。▓D2c）或水穩(wěn)定弧(圖2d)，這時(shí)弧柱變細(xì)，溫度增高（約10000開(kāi)）,這類電弧稱為壓縮電弧。無(wú)論哪種壓縮方式，其物理本質(zhì)都是設(shè)法冷卻弧柱邊界，使被冷卻部分導(dǎo)電性降低，迫使電弧只能通過(guò)中心狹窄通道，形成壓縮弧。

電弧等離子體炬主要由一個(gè)陰極(陽(yáng)極用工件代替)或陰、陽(yáng)兩極，一個(gè)放電室以及等離子體工作氣供給系統(tǒng)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(zhuǎn)移弧炬和轉(zhuǎn)移弧炬。非轉(zhuǎn)移弧炬(圖3a)中,陽(yáng)極兼作炬的噴嘴;而在轉(zhuǎn)移弧炬（圖3b）中，陽(yáng)極是指電弧離開(kāi)炬轉(zhuǎn)移到的被加工工件。當(dāng)然也有兼?zhèn)滢D(zhuǎn)移弧和非轉(zhuǎn)移弧的聯(lián)合式等離子體炬（圖3c）。

電弧等離子體炬由于陰極損耗，必然使等離子體中混入陰極材料。根據(jù)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，一般采用難熔材料，但具體選擇材料時(shí)應(yīng)考慮到所使用的工作氣種類。如工作氣為氬、 氮、氫-氮、氫-氬時(shí)，常用鈰-鎢或釷－鎢作陰極；工作氣為空氣或純氧時(shí)，可用鋯或水冷銅作陰極。

圖3 等離子體弧的形式

工業(yè)上應(yīng)用的電弧等離子體炬的主要技術(shù)指標(biāo)是功率、效率和連續(xù)使用壽命。一般其輸出功率范圍為10～10瓦,效率較高(約為50%～90%)，使用壽命受電極壽命限制。由于電極受活性工作氣（氧、氯、空氣）的侵蝕,炬的連續(xù)壽命一般不超過(guò)200小時(shí)；備有補(bǔ)充電極的電弧等離子體炬，壽命可達(dá)數(shù)百小時(shí)。目前制造新型的、可在高壓強(qiáng)（≤1.01×10帕）和低壓強(qiáng) (≤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。等離子體射流溫度范圍約在3700～25000開(kāi)（取決于工作氣種類和功率等因素）,射流速度范圍為1～10米/秒。

高頻感應(yīng)等離子體發(fā)生器  又稱高頻等離子體炬，或稱射頻等離子體炬。它利用無(wú)電極的感應(yīng)耦合，把高頻電源的能量輸入到連續(xù)的氣流中進(jìn)行高頻放電。高頻等離子體發(fā)生器及其應(yīng)用工藝有以下新特點(diǎn)：

①只有線圈，沒(méi)有電極，故無(wú)電極損耗問(wèn)題。發(fā)生器能產(chǎn)生極純凈的等離子體，連續(xù)使用壽命取決于高頻電源的電真空器件壽命，一般較長(zhǎng)，約為2000～3000小時(shí)。在等離子體高溫下，由于參加反應(yīng)的物質(zhì)不存在被電極材料污染的問(wèn)題,故可用來(lái)煉制高純度難熔材料,如熔制藍(lán)寶石、無(wú)水石英，拉制單晶、光導(dǎo)纖維、煉制鈮、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(lái)，已廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室，便于作大量等離子體過(guò)程試驗(yàn)。工業(yè)上制備金屬氧化物、氮化物、碳化物或冶煉金屬時(shí)，反應(yīng)物在高溫區(qū)停留時(shí)間長(zhǎng)，使氣相反應(yīng)很充分。

根據(jù)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(tǒng)。后者除了供軸向工作氣外,還像電弧等離子體炬氣穩(wěn)弧一樣,切向供入旋轉(zhuǎn)氣流以冷卻并保護(hù)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

等離子體發(fā)生器應(yīng)用

高頻等離子體炬在工業(yè)中已有多方面的應(yīng)用，特別是在等離子體化工、冶金和光學(xué)材料提純等方面。它還可制備超導(dǎo)材料，如用氫高頻等離子體還原釩－硅（或釩－鍺），鈮－鋁（或鈮－鍺）的氯化物蒸氣以制備超導(dǎo)材料。中國(guó)冶金、采礦企業(yè)中需處理的鈦礦石、含釩礦渣、磷礦石以及工業(yè)難熔廢料含稀有材料的礦渣很多，采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(fā)生器的功率輸出范圍為0.5～1兆瓦，效率為50%～75%，放電室中心溫度一般約高達(dá)7000～10000開(kāi)。

圖5 低氣壓等離子體發(fā)生器

低氣壓等離子體發(fā)生器  一種低氣壓氣體放電裝置，一般由三部分組成：產(chǎn)生等離子體的電源、放電室、抽真空系統(tǒng)和工作氣（或反應(yīng)氣）供給系統(tǒng)。通常有四類：靜態(tài)放電裝置（圖5之a(chǎn)）、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于放電環(huán)境中，由等離子體處理。由于低氣壓等離子體為冷等離子體，當(dāng)氣壓為 133～13.3帕左右時(shí)，電子溫度高達(dá)10000開(kāi)，而氣體溫度只有300開(kāi)，既不致燒壞基體，又有足夠能量進(jìn)行表面處理。  低氣壓等離子體發(fā)生器已日益廣泛應(yīng)用于等離子體聚合、制備薄膜、刻蝕、清洗等表面處理工藝中。成功的例子如：在半導(dǎo)體制作工藝中，采用氟里昂等離子體干腐蝕，用離子鍍法在金屬表面生成氮化鈦膜等。70年代以來(lái)，低氣壓等離子體對(duì)非金屬固體（如玻璃、紡織品、塑料等）的表面處理及改性技術(shù)也有迅速發(fā)展。