擴(kuò)散電弧等離子體的實驗研究及高強(qiáng)度光源的初步研究.pdf

1、電弧等離子體具有高溫和高化學(xué)活性特點，廣泛應(yīng)用于熱噴涂、冶金、機(jī)械加工、材料制備、高亮光源等工業(yè)領(lǐng)域。由于等離子體電導(dǎo)率隨著溫度升高而迅速增加，根據(jù)能量最小原理，大氣壓下電弧具有自收縮效應(yīng)，電弧等離子體存在體積小、參數(shù)梯度大、能量高度集中等特點，在光源應(yīng)用上具有亮度高和輻射效率高的優(yōu)點，然而卻制約了其在材料制備、大面積表面處理等方面上的發(fā)展及光源功率的提高。針對電弧的自收縮現(xiàn)象，論文采用外部條件控制強(qiáng)迫電弧“擴(kuò)散”，開展了“擴(kuò)散電弧”的

2、實驗研究，并就電弧的“收縮”與“擴(kuò)散”性能應(yīng)用于新型電弧等離子體發(fā)生器及高強(qiáng)度光源的研究。論文首先采用磁旋轉(zhuǎn)電弧產(chǎn)生了“擴(kuò)散電弧等離子體”，研究了這種“擴(kuò)散電弧等離子體”的形成機(jī)制;其次，本文設(shè)計了多陰極電弧等離子體發(fā)生器，獲得了大面積的擴(kuò)散電弧等離子體和穩(wěn)定的長層流射流，并探討了這種“擴(kuò)散電弧等離子體”的形成機(jī)制;最后探索了多陰極電弧在高強(qiáng)度光源上的應(yīng)用，并開展了短弧氙燈高強(qiáng)度光源的研究。
　　本文的主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下:

3、r>　　1.設(shè)計了弧室直徑為Φ20～80mm的磁旋轉(zhuǎn)電弧等離子體發(fā)生器，獲得了“擴(kuò)散”狀態(tài)大面積均勻電弧等離子體，研究了形成大面積電弧等離子體的條件，分析了磁旋轉(zhuǎn)電弧產(chǎn)生“擴(kuò)散電弧等離子體”的形成和穩(wěn)定機(jī)制。實驗研究了電弧電流、氣體流量、軸向磁場、弧室尺度等參數(shù)對電弧形態(tài)的影響，結(jié)果表明:大電流下(200～400A)高速旋轉(zhuǎn)的電弧與弧室內(nèi)冷氣的強(qiáng)對流作用使電弧弧柱“分散”，形成大面積擴(kuò)散電弧等離子體，因此稱之為“磁分散電弧等離子體”;分

4、散電弧等離子體具有良好的均勻性和穩(wěn)定性，電弧電壓、電壓波動及等離子體亮度、溫度都比收縮電弧低得多。在較小的電流下(100～150A)，電弧旋轉(zhuǎn)不同步形成多圈螺旋結(jié)構(gòu)，電弧在離心力作用下徑向擴(kuò)張，與相鄰電弧等離子體重疊、聯(lián)接，產(chǎn)生充滿整個弧室的彌散的大面積等離子體，其本質(zhì)是收縮的螺旋結(jié)構(gòu)電弧產(chǎn)生的等離子體的徑向流動作用的結(jié)果。其形成條件比大電流下的擴(kuò)散電弧要苛刻，只在電弧電流100～150A、氣體流量0.6～0.8Nm3/h范圍內(nèi)觀察到完

5、全彌散的電弧等離子體，由于不存在穩(wěn)定的大截面放電通道，電弧電壓及其波動都很大。
　　2.陰極弧根通常收縮于一點。在磁旋轉(zhuǎn)電弧等離子體發(fā)生器中觀察到了在棒狀陰極端面的收縮/擴(kuò)散弧根、多斑點/多弧根、環(huán)形斑點/環(huán)形弧根等多種陰極形態(tài)，利用高速攝影裝置和靜電探針系統(tǒng)診斷了近陰極區(qū)參數(shù)，分析了弧柱與弧根的相互作用關(guān)系。在直徑5mm的純鎢陰極上觀察到了弧根“收縮—擴(kuò)散”模式的轉(zhuǎn)換:隨著電弧電流、軸向磁場的增加，陰極斑點面積增大，并最終突變?yōu)?/p>

6、陰極端面溫度分布均勻的擴(kuò)散型陰極弧根，陰極端面最高溫度顯著降低。在直徑10mm的鑭鎢電極上陰極斑點呈現(xiàn)多斑點的自組織現(xiàn)象和擴(kuò)散斑點:隨著軸向磁場、電弧電流或者陰極溫度的增加，陰極端面邊緣斑點數(shù)量逐漸增多，并最終演化為位于陰極端面邊緣的環(huán)形斑點;陰極斑點為陰極弧根的熱蹤跡，在電弧擴(kuò)散的條件下，分裂陰極斑點或環(huán)形斑點對應(yīng)成為擴(kuò)散電弧在陰極的附著點，即形成多弧根或環(huán)形擴(kuò)散弧根。
　　3.設(shè)計了一套多陰極（3～18個陰極）電弧等離子體發(fā)生

7、器，在直徑40mm弧室中獲得了穩(wěn)定的周向均勻的“擴(kuò)散狀態(tài)”電弧等離子體，并獲得了層流等離子體射流(Ar-He)。
　　(1)周向均勻的電弧等離子體發(fā)光現(xiàn)象類似于輝光放電中的等離子體。分析認(rèn)為，穩(wěn)定的周向均勻的等離子體可能與等離子體輸運性質(zhì)中存在熱導(dǎo)率隨溫度增加速率高于電導(dǎo)率的上升速率，即d(σ/λ)/dT＜0區(qū)域有關(guān)（σ、λ分別為等離子體電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率）。在該區(qū)域等離子體中，重粒子因梯度“擴(kuò)散”攜帶的輸運焓導(dǎo)致熱導(dǎo)率顯著增加，因此

8、稱之為“擴(kuò)散電弧等離子體”;等離子體向中心匯聚流動和擴(kuò)散的陰極弧根形態(tài)是提高電弧周向均勻性和穩(wěn)定性的重要因素。
　　(2)研究了電弧電流、氣體組成、氣體流量等參數(shù)對電弧形態(tài)的影響，并利用光學(xué)診斷系統(tǒng)對等離子體電子激發(fā)溫度、電子數(shù)密度進(jìn)行了診斷。結(jié)果表明，電弧等離子體的擴(kuò)散均勻程度隨電弧電流、He/Ar流量比例的增大而增加，但在較大電流下出現(xiàn)不穩(wěn)定的自收縮現(xiàn)象;擴(kuò)散電弧區(qū)域電子激發(fā)溫度、電子數(shù)密度均低于一般收縮電弧，等離子體可能偏離

9、了局域熱力學(xué)平衡狀態(tài)。
　　(3)陽極弧根形態(tài)顯示，擴(kuò)散電弧可能有利于電弧處于波動較小的往復(fù)模式，從而促使了層流射流的形成。等離子體射流狀態(tài)受Ar-He比例及流量影響很大，在層流射流狀態(tài)下，射流長度隨氣流量增加而逐步加長，氣流量高于一定值后突然轉(zhuǎn)變?yōu)槎痰耐牧魃淞?。本文在電弧功?7kW、氣體流量2.0Nm3/h時，獲得了長300mm、直徑10mm的氦等離子體層流射流。
　　4.以多陰極電弧發(fā)生器為基礎(chǔ)，設(shè)計了一種高亮度平面光

10、源裝置，通過光學(xué)仿真和初步實驗研究，討論了多陰極電弧系統(tǒng)發(fā)展為高強(qiáng)度光源的可行性。
　　5.研究了軸向磁場對短弧氙燈輻射特性的影響，結(jié)果表明:在12mT磁場作用下，氙燈弧電壓（功率）增加了40％，輻射功率增加了70％，輻射效率增加至最高，達(dá)到了23％，輻射功率的增加量主要來自陰極尖端附近及弧柱區(qū)。論文討論了磁場對氙燈輻射性能的作用機(jī)制。
　　6.設(shè)計了內(nèi)置反射鏡的氙燈光源裝置，采用Ar放電模擬試驗光源性能，并測試了電弧電流、