等离子体发生器

用于实验室的设备

等离子体发生器（plasma generator）用人工方法获得等离子体的装置。等离子体由自然产生的称为自然等离子体（如北极光和闪电），由人工产生的称为实验室等离子体。实验室等离子体是在有限容积的等离子体发生器中产生的。

应用

高频等离子体炬在工业中已有多方面的应用，特别是在等离子体化工、冶金和光学材料提纯等方面。它还可制备超导材料，如用氢高频等离子体还原钒－硅（或钒－锗），铌－铝（或铌－锗）的氯化物蒸气以制备超导材料。中国冶金、采矿企业中需处理的钛矿石、含钒矿渣、磷矿石以及工业难熔废料含稀有材料的矿渣很多，采用高频等离子体炬是颇有前途的冶炼手段，可从中炼出有用的金属和稀有元素。

高频等离子体发生器的功率输出范围为0.5～1兆瓦，效率为50%～75%，放电室中心温度一般约高达7000～10000开。

低气压等离子体发生器　一种低气压气体放电装置，一般由三部分组成：产生等离子体的电源、放电室、抽真空系统和工作气（或反应气）供给系统。通常有四类：静态放电装置（图5之a）、高压电晕放电装置(图5之b)、高频（射频）放电装置（有3种类型，图5之c）和微波放电装置（图5之d）。把被处理的固体表面或需要聚合膜层的基体表面置于放电环境中，由等离子体处理。由于低气压等离子体为冷等离子体，当气压为 133～13.3帕左右时，电子温度高达10000开，而气体温度只有300开，既不致烧坏基体，又有足够能量进行表面处理。　低气压等离子体发生器已日益广泛应用于等离子体聚合、制备薄膜、刻蚀、清洗等表面处理工艺中。成功的例子如：在半导体制作工艺中，采用氟里昂等离子体干腐蚀，用离子镀法在金属表面生成氮化钛膜等。70年代以来，低气压等离子体对非金属固体（如玻璃、纺织品、塑料等）的表面处理及改性技术也有迅速发展。

释义

如果环境温度较低，等离子体能够通过辐射和热传导等方式向壁面传递能量，因此，要在实验室内保持等离子体状态，发生器供给的能量必须大于等离子体损失的能量。不少人工产生等离子体的方法（如爆炸法、激波法等）产生的等离子体状态只能持续很短时间（10～10秒左右），而有工业应用价值的等离子体状态则要维持较长时间（几分钟至几十小时）。能产生后一种等离子体的方法主要有：直流弧光放电法、交流工频放电法、高频感应放电法、低气压放电法（例如辉光放电法）和燃烧法。前四种放电都用电学手段获得，而燃烧则利用化学手段获得。

等离子体发生器的放电原理：利用外加电场或高频感应电场使气体导电，称为气体放电。气体放电是产生等离子体的重要手段之一。被外加电场加速的部分电离气体中的电子与中性分子碰撞，把从电场得到的能量传给气体。电子与中性分子的弹性碰撞导致分子动能增加，表现为温度升高；而非弹性碰撞则导致激发（分子或原子中的电子由低能级跃迁到高能级）、离解（分子分解为原子）或电离（分子或原子的外层电子由束缚态变为自由电子）。高温气体通过传导、对流和辐射把能量传给周围环境，在定常条件下，给定容积中的输入能量和损失能量相等。电子和重粒子（离子、分子和原子）间能量传递的速率与碰撞频率(单位时间内碰撞的次数)成正比。在稠密气体中，碰撞频繁，两类粒子的平均动能(即温度)很容易达到平衡，因此电子温度和气体温度大致相等,这是气压在一个大气压以上时的通常情况,一般称为热等离子体或平衡等离子体。在低气压条件下，碰撞很少，电子从电场得到的能量不容易传给重粒子，此时电子温度高于气体温度，通常称为冷等离子体或非平衡等离子体。两类等离子体各有特点和用途（见等离子体的工业应用）。气体放电分为直流放电和交流放电。

类型

直流放电

通常指低频放电，在气压和电流范围不同时，由于气体中电子数、碰撞频率、粒子扩散和热量传递速度不同，会出现暗电流区、辉光放电区和弧光放电区（图 1）。电流的大小是根据电源负载特性曲线（图 1）中两条相应于电阻R1、R2的下降直线和放电特性曲线的交点(工作点A、B、C)确定的。

①暗电流区　电子在电场加速的情况下，获得足够能量，通过与中性分子碰撞，新产生的电子数迅速增加，电流增大到10～10-安时，在阳极附近才出现很薄的发光层。

②辉光放电区　电流再增大（10～10安）时，在较低的气压条件下，阴极受到快速离子的轰击而发射电子，这些电子在电场作用下向阳极方向加速运动。阴极附近有一个电位差很大的阴极位降区。电极之间的中间部分是电位梯度不很大的正柱区，其中的介质是非平衡等离子体。正柱区的电子和离子以同一速度向壁面扩散，并在壁面复合，放出能量(这是没有气体对流时的情况)。经典理论中电子密度在横截面上的分布是贝塞耳函数的形式。在阳极附近有一个几毫米厚的阳极位降区，其中的电位差与气体电离电位的数值大致相等。

弧柱中热量的散失主要依靠热传导、对流和辐射。在定常、轴对称、洛伦兹力和轴向热传导可忽略，以及气体压力和轴向电场在横截面上呈均匀分布的条件下，根据气体性质参数和管道的几何形状对磁流体力学基本方程组进行简化，可以算出管道中气流速度和温度分布以及电弧各参量。

电弧中电流密度高，往往存在着磁流体力学效应。外加磁场或自身磁场较强时,电弧受到洛伦兹力J×B(J是电流密度,B是磁感应强度）的作用。电弧在垂直磁场作用下所作的旋转运动，可使气体加热得更为均匀，并使弧根在电极上高速运动，从而减少电极烧损，还对电弧的稳定有明显影响。自身磁场对电弧有箍缩作用，产生的磁压(Pm=B/2μe，式中μe为磁导率)梯度能导致气体的宏观流动。在阴极附近，由于电流密度很大，相应的磁压较高。离开阴极后，电弧截面加大，磁压沿轴向降低，引起气体由阴极区向正柱区流动，形成阴极射流，其流速可达到100米/秒左右。在阳极斑点附近也存在着同样机理的阳极射流。

交流放电

通常指工频和高频放电。工频放电时，阴、阳极以工频交替变化，其放电特性与直流放电有类似之处。高频放电时，电子仍是从电场取得能量的主要粒子。高频电场使电子往复运动，在此过程中，电子与分子碰撞并把能量传给分子，使气体温度升高，或产生激发、离解与电离现象。碰撞后的电子运动变为无规律的，在电场作用下又按照电场力的方向加速，这样不断地把能量从电场传给气体。在高频放电中，每单位体积气体中输入功率的平均值圴为：

式中n为电子密度；e为电子电荷；Ee为高频电场强度的幅值;m为电子质量;vo为碰撞频率；ω为外加电场的频率。

等离子体

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、高频感应、低气压等离子体发生器三类。它们的放电特性分别属于弧光放电、高频感应弧光放电和辉光放电等类型。

电弧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(图3a)中,阳极兼作炬的喷嘴;而在转移弧炬（图3b）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（图3c）。

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离子体炬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炬，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炬以及三相大功率电弧等离子体炬的条件已基本成熟。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，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(图4a)、电容耦合型(图4b)、微波耦合型（图4c）和火焰型(图4d)。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)。

参考书目

S.Flugge,ed.,Handbuck der Physik, Bd.22.pp.254～444，Springer-Verlag,Berlin,Heidelberg，1956.

B．格罗斯等著，过增元、傅维标译：，科学出版社，北京，1980. (B.Gross，B.Grycz and K.Miklossy，Plasma Technology,lliffe Books Press, London, 1968.)

C.B德列斯文主编，唐福林、陈允明、毛斌泽：，科学出版社，北京，1980。

金佑民、樊友三编著，吴承康审阅：，清华大学出版社，北京，1984。

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