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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)生器三類。它們幾類等離子體發(fā)生器的放電特性分別屬于弧光放電等離子體發(fā)生器、高頻感應(yīng)弧光放電等離子體發(fā)生器和輝光放電等離子體發(fā)生器等類型。
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。這類等離子體發(fā)生器通過(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、壁穩(wěn)定弧、磁穩(wěn)定弧或水穩(wěn)定弧,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,等離子體發(fā)生器物理本質(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。
電弧等離子體發(fā)生器的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)移弧炬中,陽(yáng)極兼作炬的噴嘴;而在轉(zhuǎn)移弧炬中,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。
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。
工業(yè)上應(yīng)用的電弧等等離子體發(fā)生器的主要技術(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發(fā)生器,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發(fā)生器以及三相大功率電弧等離子體發(fā)生器的條件已基本成熟。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,故等離子體發(fā)生器可用來(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),等離子體發(fā)生器已廣泛應(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、電容耦合型、微波耦合型和火焰型。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)。
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