等離子體發生器（qì）分類

等（děng）離子體發生器（plasma generator）用人（rén）工方法（fǎ）獲得等（děng）離子體的裝置。等（děng）離子體由自然產生的稱為自（zì）然等離子體（如北（běi）極光和閃電），由人工產生（shēng）的稱為實驗室等離子體。實驗室（shì）等離子體是在有限容（róng）積的等離子體發生器中產生的。

等離子體發（fā）生器的放電原理：利（lì）用外加電場或高頻感應電場使氣體導電，稱為氣體放電。氣體放電是產生等離子體的重要手段之一。被（bèi）外加電場加速的部分電（diàn）離氣體中的電子（zǐ）與（yǔ）中性分子碰撞，把從電場得（dé）到的能量傳給（gěi）氣體。電子與中性分子的彈（dàn）性碰撞導致分子動能增加，表現為（wéi）溫度升高（gāo）；而非彈性碰撞則導致（zhì）激發（分子或原子中的電子由低（dī）能級（jí）躍（yuè）遷到高能級）、離解（分子分解為（wéi）原（yuán）子）或電離（lí）（分子或原子的（de）外層電子由束縛態變為自由電子）。高溫氣體通過傳導、對流和輻射把能量傳給（gěi）周圍環境，在（zài）定常條件下，給定容積中的輸入能量（liàng）和損失能量相等。電子（zǐ）和重粒子（離子、分子和原子）間能量傳遞的速率與碰撞頻（pín）率(單位時（shí）間（jiān）內碰（pèng）撞的次數)成正比。在稠密氣體中，碰撞頻繁，兩類粒子的平均動能(即溫（wēn）度)很容易達到平衡，因此電子溫度和氣體溫度大致相等,這是氣壓在一個大氣壓以上時（shí）的通（tōng）常情況,一般稱為熱等離子（zǐ）體或平衡等離子體。在低氣壓條件下，碰撞很（hěn）少，電子從電場得到的能量不容易傳給重粒子，此時電子（zǐ）溫度高於氣體（tǐ）溫度，通常稱為冷等離子體或非平衡等離子體。兩類等離子體各有特點和用途（見等（děng）離子體的工業應用）。氣體放電分為直流放電和交流放電。

在科（kē）學技術和工業領域應用較多的（de）發生器有電弧等離子體發生器（又稱（chēng）等離子體噴槍、電弧加熱器）、工（gōng）頻電弧等離子體發生器、高頻（pín）感應等離（lí）子體發生器、低氣壓等離（lí）子（zǐ）體發生器、燃燒等離子體發生器五類。最（zuì）典型的為電弧（hú）、高頻感應、低氣壓等離子體發生器三類（lèi）。它（tā）們的放電特性分別屬於弧光放電、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  又稱電弧等離子（zǐ）體炬，或稱等離子體噴槍，有時也稱電弧加熱器。它是一種能（néng）夠產生定向"低溫"（約2000～20000開）等離子體射流的放電裝置，已在等離子體化工、冶金、噴塗、噴焊、機械加工和（hé）氣動熱模（mó）擬實驗等領域中得到廣泛應用。通過陰、陽極之間的弧光放電，可產生自由燃（rán）燒、不受約束的電弧，稱為（wéi）自（zì）由電（diàn）弧，它的溫度較低（dī）（約5000～6000開（kāi）），弧柱（zhù）較（jiào）粗。當電極間的電弧（hú）受到外界氣流、發生器器壁、外磁場或水流的壓縮，分別造成氣穩（wěn）定弧（圖2a）、壁穩定弧(圖2b)、磁穩定弧（圖（tú）2c）或水穩定弧(圖2d)，這時弧柱變細，溫度增高（gāo）（約10000開）,這類電弧稱為壓縮電弧（hú）。無論哪種壓縮方式，其（qí）物理本質都（dōu）是設法冷卻弧柱邊界，使被冷卻部分導電性降低，迫使電弧隻能通過中心狹窄通（tōng）道，形成壓縮弧。

電弧等離子體炬主要由（yóu）一個陰極(陽極（jí）用工件代替)或陰、陽兩極，一個放電（diàn）室以及等離子體工作氣供給係（xì）統（tǒng）三部分組（zǔ）成。等離子體炬按（àn）電弧等離（lí）子體的形式可分成非（fēi）轉移弧炬和轉移弧炬。非（fēi）轉移弧炬(圖3a)中,陽極兼作（zuò）炬的噴嘴（zuǐ）;而在轉移弧炬（圖3b）中，陽極是指電弧離開炬轉移到的被加工工件。當然也有兼備轉移弧（hú）和非轉移弧的（de）聯合式等離（lí）子（zǐ）體炬（圖3c）。

電弧等離子體炬（jù）由（yóu）於陰極損耗，必然使等離子體中混入（rù）陰極材料。根據不同的工程（chéng）需要，可（kě）選用損耗程度不（bú）同的材料作陰極。如要陰極損耗盡可（kě）能小，一般（bān）采用難熔材料，但具體選擇材料時應考慮到所使用的工作氣種類。如工作氣為氬、 氮、氫-氮、氫-氬時，常用鈰-鎢或釷－鎢作陰極；工作氣為空氣或純氧時，可用鋯（gào）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、效率和連續使用壽命。一般其輸（shū）出功率範（fàn）圍為10～10瓦,效率較高(約為50%～90%)，使用壽（shòu）命受電極（jí）壽命限（xiàn）製。由於電極受活性工作氣（氧、氯、空氣）的侵蝕,炬的連續壽命一般不超（chāo）過200小時（shí）；備有（yǒu）補充電極的電弧等離子體炬，壽命可達數百小（xiǎo）時。目前製造新型的、可在高壓（yā）強（≤1.01×10帕（pà））和低壓強 (≤1.33帕（pà）)下工作的（de）電弧等（děng）離子體炬以及三相大功率電（diàn）弧等離子體炬的條件已基本成熟。等離子（zǐ）體射流溫度（dù）範圍約在3700～25000開（取決於工作氣種類和功率等因素）,射流速度（dù）範圍為1～10米/秒。

高頻感應等離子體發（fā）生器（qì）  又稱高頻等離（lí）子體炬，或稱射頻等離子體炬。它利用（yòng）無電極（jí）的感應耦（ǒu）合，把高頻（pín）電源的能量輸入到連續（xù）的氣流中進行高頻放電。高頻等離子（zǐ）體發生器及其應用工藝有以下新特（tè）點：

①隻有線圈，沒有電極（jí），故無電極（jí）損耗（hào）問題。發（fā）生器能產生極純淨的等離子體，連續使用壽命取決於高頻電源的（de）電真（zhēn）空器件壽（shòu）命（mìng），一般較長，約為2000～3000小時。在等離子體高溫下，由於參加反應的（de）物質不存（cún）在被電極材（cái）料汙染的問題,故可用來煉製高純（chún）度難熔材料,如熔製藍寶石、無水石英，拉（lā）製單晶、光導纖維、煉製铌（ní）、鉭、海（hǎi）綿鈦等。

②高頻等離子體流速較低（約（yuē）0～10米/秒），弧柱（zhù）直徑較大。近年來，已廣泛應用於實驗室，便於（yú）作大量等離子體過（guò）程試驗。工業上（shàng）製備金屬氧化物、氮化物、碳化物或冶煉金屬時，反應物在高溫區停留時間（jiān）長，使（shǐ）氣相（xiàng）反應很充分。

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為：電感耦合型(圖4a)、電容耦（ǒu）合型(圖4b)、微波耦合型（圖4c）和火（huǒ）焰型(圖4d)。高頻等離子體炬由三（sān）部分組成：高頻電源、放電室、等離子體工作（zuò）氣供給係統。後者除了供軸向工作氣外,還像電弧等離子體（tǐ）炬氣穩（wěn）弧（hú）一樣,切向供入旋轉氣流以冷卻並保護放電室（shì）壁(通常用石英或耐熱性（xìng）較差的材料)。

圖4 高頻（pín）等離子體炬示意圖

等離子體發生器應用

高頻等離（lí）子體炬在工業中已有多方麵的應用，特別是在等離子體化工、冶金和（hé）光學材料提純等方麵。它還可製備超（chāo）導材（cái）料，如用氫高頻等離子體還原釩－矽（或釩－鍺），铌－鋁（或铌－鍺（zhě））的氯化物蒸（zhēng）氣以製（zhì）備超導材料。中國冶金、采礦企業中需處理（lǐ）的鈦礦石、含釩礦渣（zhā）、磷礦石以及工業（yè）難熔廢料含稀有材料的礦渣很多，采用高頻等離子體（tǐ）炬是頗有（yǒu）前（qián）途的冶煉手段，可從中煉出有用的金屬和稀有元素。

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

圖5 低氣壓等離子體發生器

低氣壓等離（lí）子體發生器  一種低氣壓氣體放電裝置，一（yī）般由三部（bù）分組成：產生等離子體的電源（yuán）、放電室、抽（chōu）真空係統和工作氣（或反應（yīng）氣）供給係統。通（tōng）常有四類：靜（jìng）態（tài）放電裝置（zhì）（圖5之a）、高壓電暈放電裝置(圖（tú）5之b)、高頻（射頻）放電裝置（有3種類型，圖5之c）和微波放（fàng）電裝置（圖5之d）。把被處理的固體表麵或需要聚合膜層的基體表麵（miàn）置於放電環境中，由等離子體處理。由（yóu）於低氣壓等離子體為冷等離（lí）子體，當（dāng）氣壓為 133～13.3帕左右時，電子溫度高達10000開，而氣體溫度隻有300開，既不致燒壞基體，又有足夠能量（liàng）進行表麵處（chù）理。  低氣壓（yā）等離子體發生器已日益廣泛應用於等離子體聚合、製備薄膜、刻蝕、清洗等表麵處理（lǐ）工藝中。成功的例子（zǐ）如：在半導體製作工藝中，采用氟裏昂等離子體幹（gàn）腐蝕，用離子鍍法在（zài）金屬表麵生（shēng）成氮化鈦膜等。70年（nián）代以來，低氣壓等（děng）離（lí）子體對非金屬固體（如玻璃、紡織品、塑料等）的表麵處理及改性（xìng）技術也有迅速發展。