讲解等离子体发生器的种类

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（又称等离子体喷枪、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三类。它们几类等离子体发生器的放电特性分别属于弧光放电等离子体发生器、高频感应弧光放电等离子体发生器和辉光放电等离子体发生器等类型。

电弧等离子体发生器又称电弧等离子体炬，或称等离子体喷枪，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。这类等离子体发生器通过阴、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、壁稳定弧、磁稳定弧或水稳定弧，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，等离子体发生器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。

电弧等离子体发生器的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。非转移弧炬中,阳极兼作炬的喷嘴;而在转移弧炬中，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。

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等离子体发生器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限制。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发生器，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发生器以及三相大功率电弧等离子体发生器的条件已基本成熟。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,故等离子体发生器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，等离子体发生器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、电容耦合型、微波耦合型和火焰型。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)。