等離子體發(fā)生器

等離子體發(fā)生器是通過外部電場(chǎng)或高頻感應(yīng)電場(chǎng)使得氣體放電的，被外部電場(chǎng)加速的部分電子通過與中性分子碰撞將能量傳遞給氣體，它們之間的非彈性碰撞會(huì)產(chǎn)生激發(fā)（分子或原子中的電子從低能級(jí)轉(zhuǎn)變?yōu)楦吣芗?jí)）、離解（分子分解成原子）或電離（分子或原子的外電子從結(jié)合態(tài)變?yōu)樽杂呻娮樱?br />
自然界產(chǎn)生的等離子體稱為自然等離子體（例如閃電、極光和火焰），而通過多種方法使物質(zhì)從氣體狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈入x子體狀態(tài)，可以在實(shí)驗(yàn)室制得的等離子體稱為人工等離子體，等離子體發(fā)生器（plasmagenerator）即是使用人工方法來獲得等離子體的設(shè)備，是在有限體積的氣體反應(yīng)器中產(chǎn)生的，最常用的發(fā)生器有以下三類：電弧等離子體發(fā)生器、射頻感應(yīng)等離子體發(fā)生器和低氣壓等離子體發(fā)生器。

電弧等離子體發(fā)生器是電弧式氣體放電的一種形式，是可以產(chǎn)生2000-20000K等離子體射流的電弧加熱器，其特點(diǎn)為放電通道溫度高達(dá)6000K以上，弧柱中心溫度高于其表面溫度，弧柱溫度滯后于電流的變化。等離子體流產(chǎn)生在弧柱截面縮小的地方，電流密度可達(dá)幾千安每平方厘米，陰極壓降為幾十伏，弧柱中的電離方式主要是熱電離，電弧能夠迅速的把電能轉(zhuǎn)換為熱能，并且高溫等離子體可以被氣流吹動(dòng)以實(shí)現(xiàn)指定部位的加熱。電弧爐、等離子弧焊槍、割炬就是用了這個(gè)原理，廣泛應(yīng)用于等離子體化學(xué)工業(yè)、冶金、噴焊和機(jī)械加工等領(lǐng)域。

射頻感應(yīng)等離子體發(fā)生器是通過將高頻電源的能量傳輸?shù)焦ぷ鳉怏w使其放電，具有以下優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用：

1. 無電極損耗。高頻感應(yīng)等離子體發(fā)生器的使用壽命主要由電源的真空器件壽命而決定。發(fā)生器結(jié)構(gòu)是線圈感應(yīng)放電，不需電極作用即產(chǎn)生純凈等離子體，反應(yīng)物質(zhì)沒有被電極材料污染，因此可用于精煉熔融藍(lán)寶石、無水石英與光導(dǎo)纖維等高純度耐火材料。
2. 流速低，反應(yīng)充分。由于射頻感應(yīng)等離子體發(fā)生器具有較低的流速和較大的直徑，已廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室，例如工藝生產(chǎn)熔融金屬氧化物等物質(zhì)時(shí)，反應(yīng)物可長(zhǎng)時(shí)間存在于高溫區(qū)域，氣相反應(yīng)充分。

射頻感應(yīng)等離子體發(fā)生器由高頻電源、放電室和等離子體工作氣體供應(yīng)系統(tǒng)構(gòu)成，根據(jù)電源和等離子體耦合方式可分為感應(yīng)耦合型（圖1.3a）、電容耦合型（圖1.3b）、微波耦合型（圖1.3c）和火焰型（圖1.3d）

圖1.3 射頻感應(yīng)等離子體發(fā)生器類型

低氣壓等離子體發(fā)生器通常由高頻電源、放電室、真空系統(tǒng)和氣體供應(yīng)系統(tǒng)四部分組成的一種低氣壓氣體放電裝置一般有以下四種類型：靜態(tài)放電設(shè)備（圖1.4a）、高壓電暈放電設(shè)備（圖1.4b）、高頻（射頻）放電設(shè)備（圖1.4c有3種類型）和微波放電設(shè)備（圖1.4d）。低壓等離子體發(fā)生器已越來越廣泛地用于諸如等離子體聚合、膜制備、蝕刻和清潔之類的表面處理工藝中，把被處理的固體表面或需要聚合膜層的基體表面置于放電環(huán)境中，由等離子體處理。諸如刻蝕過程，是由于低氣壓等離子體為冷等離子體，當(dāng)氣壓為133-13.3Pa左右時(shí)，電子溫度高達(dá)10000K，而氣體溫度只有300K，這樣的溫度分布有兩點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：一不會(huì)燒壞基體，二可以有足夠的能量進(jìn)行表面處理。近些年以來，低氣壓等離子體對(duì)非金屬固體（如玻璃、紡織品、塑料等）的表面處理技術(shù)進(jìn)行了改良。

圖1.4 低氣壓等離子體發(fā)生器類型

通過研制不同類型的等離子體發(fā)生器，能夠滿足不同的工業(yè)需要，等離子體技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室中誕生并走向各行各業(yè)，成為一種新興的表面處理技術(shù)，廣泛應(yīng)用于制造、金屬、汽車、醫(yī)療、塑料、消費(fèi)、航天航空等領(lǐng)域。

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