送交者: CANADAGE 于 October 31, 2001 00:03:08:
四．怎么产生热等离子体？
在“人间”产生热等离子体的方法有很多，比如电击穿；射频放电；微波激发；冲击波；激光；高能粒子流；甚至高温加热的手段。在实验室和工业界，目前常见的有以下四种热等离子体产生装置，行话叫“炬”(火把的意思)：
1。直流等离子体炬 (d.c. torch)
2。转移电弧枪(trasfer arc)
3。感应等离子体炬(inductively coupled plasma torch)
4。微波等离子体炬(microwave plasma torch )
右边的彩色图片是常见的直流等离子体炬的实物和剖面原理图。
前面讲了闪电就是一种等离子体。天阴的日子，滚滚黑云里会积累电荷，这电荷是高空中气体碰撞所产生的。当电压达到30000伏以上的时候，原本不导电的空气就会被击穿，形成电弧通道，空气被电弧加热成为等离子体，就是炫目的闪电。还记得本杰明·弗兰克林和他的风筝么？他老先生在18世纪，甚至就明明白白地告诉人们，雷雨云靠地面的一面往往是带负电的。
直流等离子体炬的原理实在与闪电相似，不过产生的等离子体却是连续的。在圆锥形的阴极电极和圆筒形的阳极电极间打出电弧(电流约几十至几百安培)，由阴极后方导入的气体(通常是惰性气体氩气，Ar),立即被电弧的高温激发，变成等离子体，从圆筒形的阳极电极的远阴极的洞口喷出，形成等离子体火焰的射流(plasma＿jet)。所以圆筒形的阳极电极有时也被叫作喷嘴。圆锥形的阴极通常用难熔金属钨(搀少量钍(Th)以增强热电子发射率)制造，而阳极为铜。因为电弧的根打在阳极上，阳极电极需要强制水冷。在直流等离子体炬操作时，弧根在电路稳定原理和气体动力学的作用下，是沿着圆筒的内壁前后移动并高速旋转的。这样，铜阳极不至立刻被电弧烧坏。为了进一步延长直流炬的使用寿命，较复杂的直流等离子体炬还用加磁场控制的方法加速弧根旋转。直流等离子体炬体积小，产生的等离子体能量密度高，是非常实用的等离子体源。在结构上，连接拖带的只有两根电缆和气管水管，所以可以方便地装在机器手上，完成各种任务。如果作简单的等离子体喷涂工作，有时工人就直接握在手里干了。
转移电弧枪产生等离子体的原理与直流等离子体炬相同，但当等离子体形成以后，依靠电路控制，把阳极转移到炬外的导电基体上。这样电弧很稳定，而且对所处理的(作为外电极使用)材料发出的热通量很大。由于可以拉长电弧，形成的等离子体的功率可以很高。工业上有兆瓦级(1-10MW)的转移电弧装置。转移电弧枪多用于切割，表面涂覆、金属冶炼、有害废料处理等方面。近年来，利用转移电弧，以工业化规模制备金属纳米粉末，以及进一步合成碳化物、氮化物等纳米材料，也取得了长足的进展。
基于电弧的热等离子体技术，要寻根得话，都有百年历史了。电弧等离子体技术的主要缺点是要用金属电极材料，因此一般所能使用的等离子体气体只限于那些惰性气体和还原性气体，比如Ar─He，Ar─H2,或者N2等等。对于许多要求氧化气氛或其它有腐蚀性的化学工艺，它们就无能为力了。某些工艺对产品纯度要求很严，不能容忍电极材料的微量污染，直流电炬也不能用。再一个问题是电极的使用寿命，虽有水冷，也就几百小时左右，增强维修成本。在某些应用项目上，一旦电极烧穿漏水，还可能造成爆炸危险。另外由于等离子体火焰在高温下的黏度很高，对于使用直流等离子体炬作喷涂来讲，如何把原料粉末从侧面送进等离子体火焰内，也不是容易的事。
感应等离子体炬和微波等离子体炬都是无电极发生等离子体的装置。下图是常见的感应等离子体炬实物和剖面原理图。
先复习一下中学的物理实验课。一根两头接到电池正负极上(当然带个开关)的电线绷直了，下边摆个指南针。把开关迅速地接通再断开，发现指南针随着摆动了一下。由此证明，电流的变化会产生磁(楞次定律)。到大学再学《电磁学》，知道这还不算完，那产生的磁通量一变，还能产生电。所以热处理工业上，用个通高频电流的螺旋线圈套住工件，产生的趋肤电流和工件本身电阻一起按欧姆定律发出焦耳热，就把工件“烧”得红红的，达到热处理的目的。这技术也是百年历史了。1961年，科学家瑞德(T。B。Reed)首次用石英管中流动的气体，代替工件的位置，在射频电流的作用下，得到了稳定的等离子体。这就是现代感应等离子体炬的滥觞。为了有效地离解气体分子，电流频率必须足够高。现在一般都是用的2～4MHz的射频(Radio─Frenquency)源来激发感应等离子体。所以文献上比较完整的称呼，往往是射频感应耦合等离子体。
感应等离子体炬有很多长处。首先它没有电极，等离子体是被气流和水冷的石英管或陶瓷管约束在炬中并向外喷射的，因此它不仅可以使用惰性和还原性气氛，还可以使用氧化性气氛，甚至有腐蚀性的气体作为等离子体气体，而且没有电极材料沾污的忧虑。第二，由于这种空心圆筒构造，欲处理的粉末材料或液相原料乃至气相原料，可以从轴向引入，这点对于充分促进高温等离子体和材料之间的热传导是非常有利的。第三，感应热等离子体的体积比较大，温度梯度比直流电弧等离子体小，即均匀性好。第四，感应热等离子体的速度比直流电弧等离子体小一个数量级，材料在等离子体中滞留时间长，可以得到充分的加热。缺点是等离子体的能量密度较低，整个装置的电力耦合效率也较低。不过最近使用全固体电路的发生器(传统的是用大功率射频振荡电子管)可以大大改善这个参数。
最后说一下微波等离子体发生装置。微波的振荡频率比上述射频高得多，目前实验室常用的微波源是2．45GHz。微波所携带的能量(行进波放电，TWD)也可以电离气体生产等离子体。但微波的传播必须在波导管中实现，所以微波等离子体炬必须集成在微波回路里，这是一个在使用灵活性方面的先天缺陷。由于行进波与等离子体相互制约，且行进波迅速衰减，等离子体的性质不够均匀。而且能见到的微波等离子体发生装置的功率都比较小(小于30kW)。微波等离子体发生装置目前在科研院校实验室作化学气相淀积的比较多，也有用来作纳米粉末的。但作为工业大规模生产的装置，看来还有较长的路要走。