等離子體發生器分類

等離子體（tǐ）發生器（plasma generator）用人工（gōng）方（fāng）法獲得等（děng）離子體的裝置。等離子體由自然產生的稱為（wéi）自（zì）然等離子體（如北極光和閃電），由人工產生的稱為實驗室等離子（zǐ）體。實驗室等離子體是在有限容積的等離子體發生器中產生的。

等離子體發生器的放電原理：利用外加電場（chǎng）或高頻感應電（diàn）場使（shǐ）氣體導電，稱為氣體放電。氣體放（fàng）電是產生等（děng）離子體的（de）重要手段之一。被外加電場加速（sù）的部分電離氣體中的電子與中性分子碰撞，把從電場得到的能量傳給氣體（tǐ）。電子與中性分子的彈性碰撞導致分子動能增加（jiā），表（biǎo）現為溫度升高；而非彈性碰撞則導致激發（分子或原子中的電子由低能級躍遷到高能（néng）級）、離解（分子（zǐ）分解為原（yuán）子）或電離（分子或原子（zǐ）的（de）外層電子（zǐ）由束縛態變為自由電子）。高溫氣體通過傳導、對流和輻（fú）射把能量傳給周圍環（huán）境，在定常（cháng）條件下，給（gěi）定容積中的輸入能量和損失能量相等。電子（zǐ）和（hé）重粒子（離子、分子和原子）間能量傳（chuán）遞的速率與（yǔ）碰撞頻率(單位時間內碰撞的次（cì）數)成正比。在稠密氣體中，碰撞頻繁，兩（liǎng）類粒子的平（píng）均動能(即溫度)很容易（yì）達到平衡，因此（cǐ）電子溫度和（hé）氣體溫度大致相等,這是氣壓在一個大氣壓以（yǐ）上時的通常情況,一般稱為熱等離子體或平衡等離子體（tǐ）。在低氣壓條件下（xià），碰撞很少，電子從電場（chǎng）得到的能量（liàng）不容易傳給重粒子，此時電子溫度高於氣體溫度（dù），通常稱為冷（lěng）等離子體或非（fēi）平衡等離子體。兩類等離子（zǐ）體各有特點和用途（見等（děng）離子體的工業（yè）應用）。氣體放電分為直流放電和交流放電（diàn）。

在科學技術和工業領域應用較多的發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（děng）離子體發生器、高頻感應等離子體發生器、低氣壓等離子體發生器、燃燒等離子體發生器五類。最典型的為電弧（hú）、高頻感應、低氣壓等（děng）離子體發生器三類。它（tā）們的放電特性分別屬於弧光放（fàng）電、高頻感應弧光放電和輝光放電等類型（xíng）。

電弧等離子體發生器（qì）  又稱電弧等離子體炬，或稱等離子體噴槍（qiāng），有時也稱（chēng）電弧加熱器（qì）。它是一種能夠產生定向"低溫"（約2000～20000開）等離子體射流的放電裝置，已在等離（lí）子體化工、冶（yě）金（jīn）、噴塗、噴焊、機械加工和氣動熱模擬實驗等領（lǐng）域中得到廣泛應用。通過陰、陽極之間的弧光放電，可產生自由（yóu）燃（rán）燒、不受約束的電（diàn）弧，稱為自（zì）由電弧，它的溫度較低（約5000～6000開），弧柱較粗。當電極間的電弧受（shòu）到外界氣流（liú）、發生器器壁、外磁場或（huò）水流（liú）的壓（yā）縮，分別造成氣穩定弧（圖2a）、壁穩定弧(圖2b)、磁穩定弧（hú）（圖2c）或水穩定弧(圖2d)，這時（shí）弧柱變細，溫度增高（約10000開）,這類電弧稱為（wéi）壓縮電弧。無（wú）論哪種壓（yā）縮方式，其物理本質都是設法（fǎ）冷卻弧柱邊界，使被冷卻部分導電性降低，迫使電（diàn）弧（hú）隻能通過中心狹窄通道，形成壓縮弧。

電弧（hú）等離子體炬主要由（yóu）一個陰極(陽（yáng）極用工件代替)或陰、陽兩極，一個放電室以及等離子體工作氣供給係統三部分組成。等離子體（tǐ）炬按電弧（hú）等離子體的形式可分成非（fēi）轉移弧炬（jù）和轉移弧炬。非轉移弧炬(圖3a)中,陽極兼作炬的噴嘴;而在轉移弧炬（圖3b）中（zhōng），陽（yáng）極是指電弧離開炬轉移到（dào）的被加工工（gōng）件。當然也有兼備轉（zhuǎn）移弧和非轉移弧的聯合式等離子體炬（圖3c）。

電弧等離（lí）子體炬由於陰極損耗，必然使等離（lí）子體中混入陰極材料。根據不同的工程需要，可選用損耗程（chéng）度不同的材料作陰極。如要陰極損耗盡可（kě）能小，一般采用難熔材料，但具體選擇材料時應考慮到（dào）所使用的工作氣種類。如工作氣為氬、 氮、氫（qīng）-氮、氫-氬時，常用鈰-鎢或釷－鎢作陰極；工作氣（qì）為空氣或（huò）純氧（yǎng）時，可用鋯或水冷銅作陰極。

圖3 等離子體弧的形式

工業上應用的電弧等離子體炬的主要技術指標是功率、效率和連（lián）續使用壽命。一般其（qí）輸出功率範圍為10～10瓦,效率較高(約為50%～90%)，使（shǐ）用壽命受電極壽命限製。由於電極（jí）受活性（xìng）工作氣（氧、氯、空氣）的（de）侵蝕,炬的（de）連續（xù）壽命一般（bān）不超過200小時；備有補充電（diàn）極的電弧等離子體炬，壽命可達數百小時。目前製造新型的、可在高壓強（≤1.01×10帕（pà））和低（dī）壓強 (≤1.33帕)下（xià）工作的電弧等離子（zǐ）體炬以及三（sān）相大功率電弧等離子體炬的條件已基本成熟。等離子體射流溫度範圍（wéi）約在3700～25000開（取決於（yú）工作（zuò）氣種類和功率等因素）,射流速度範圍為1～10米/秒。

高頻感應等離子體發生器  又稱（chēng）高頻等離子體炬，或稱射頻等離子（zǐ）體炬。它利用無電極的感應耦合，把高頻電源（yuán）的能量輸入到連續的氣流中進行高頻放電。高頻等離子體（tǐ）發生器及其應用（yòng）工藝有以下新特（tè）點：

①隻有線圈，沒有電極，故無電極（jí）損耗問題。發生器能產生極純淨的（de）等離子體，連續使用壽命取決於高頻電源的電真（zhēn）空器件壽命，一般較長，約為2000～3000小時。在等離（lí）子體高溫下，由於參加（jiā）反應的物質（zhì）不存在被電極材料汙染的問題,故（gù）可用（yòng）來煉製高（gāo）純（chún）度難熔材料,如熔製藍寶石、無水石英，拉製單晶、光導纖維、煉製铌、鉭、海綿鈦等。

②高頻等離子體流速較低（dī）（約（yuē）0～10米/秒），弧柱直徑較大（dà）。近年來，已廣（guǎng）泛應用於實驗室，便於作大量等離子體過程試驗。工業上製備金屬氧化（huà）物、氮化物、碳化物或冶煉金屬時，反應物在高（gāo）溫區（qū）停留時間（jiān）長，使氣相（xiàng）反（fǎn）應很充分（fèn）。

根據電源與等離子體耦合的方式不同，高頻等離子體炬可分（fèn）為：電感耦合（hé）型(圖4a)、電（diàn）容耦合型(圖4b)、微波耦合型（圖4c）和火焰（yàn）型(圖4d)。高頻（pín）等（děng）離子體炬由三部分組（zǔ）成（chéng）：高頻（pín）電源、放電室（shì）、等離子體工作氣供給係統。後（hòu）者（zhě）除（chú）了供軸向工作（zuò）氣外（wài）,還（hái）像電弧等離子體炬氣穩弧一樣,切向供入（rù）旋（xuán）轉氣流以冷卻並（bìng）保護放電室（shì）壁(通常用石英或耐熱性較差的材（cái）料)。

圖4 高頻等離子體炬示意（yì）圖

等離（lí）子（zǐ）體發生器應用

高頻等離子體炬在（zài）工業中已有多方麵的應用，特別是在等離子體化工、冶金和光學材料提純等方麵。它（tā）還可製備（bèi）超導材料，如用氫高頻等離（lí）子體還原釩－矽（或（huò）釩－鍺），铌－鋁（或铌－鍺）的氯化物蒸氣以製備（bèi）超導（dǎo）材料。中國（guó）冶金、采礦（kuàng）企（qǐ）業中需處理的（de）鈦礦石、含釩礦渣、磷礦（kuàng）石以及工業難（nán）熔廢料含稀有材料的礦（kuàng）渣很多，采用高頻等（děng）離（lí）子（zǐ）體炬是頗有（yǒu）前途的冶煉手段（duàn），可從中煉出有用的金屬和稀有元素（sù）。

高頻（pín）等離子體發生器的功率輸出範圍為0.5～1兆瓦，效率為50%～75%，放電室中心溫度一般約高達7000～10000開。

圖5 低氣壓等離子體發生器（qì）

低氣壓等離子體發生器（qì）  一（yī）種低氣壓氣體放電裝置，一般（bān）由三部分組成：產（chǎn）生等離子體的電源、放電室、抽真空係統和工作氣（或反（fǎn）應氣）供給係統。通常有四類：靜態放電裝置（圖5之a）、高壓電暈放（fàng）電裝置(圖5之b)、高頻（射頻）放（fàng）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（gù）體表麵或需要聚（jù）合膜層的基體表麵置於（yú）放電環境中，由等離子體處理。由於低氣壓等離子（zǐ）體為冷等離子（zǐ）體，當氣壓（yā）為（wéi） 133～13.3帕左右時，電子溫度高達10000開，而氣體溫度隻（zhī）有300開，既不致燒壞基體，又有足夠（gòu）能量進行表麵處理（lǐ）。  低（dī）氣壓等（děng）離子體發生器已日益（yì）廣泛應用於等（děng）離子（zǐ）體聚合、製備薄膜、刻蝕（shí）、清洗等表麵處理工藝中。成功的例子如：在半導體製作工藝中，采用氟裏昂等離子體幹腐蝕，用離子鍍法在金屬表麵（miàn）生成氮化鈦膜等。70年代以（yǐ）來，低氣（qì）壓等離子體對非金屬（shǔ）固體（如玻璃、紡織品、塑料等）的（de）表麵處理及改性技術（shù）也有（yǒu）迅速發展。