金屬等離子體發生器結構改進及實驗研究

武 森，李占賢

（1.華北理工大學 機械工程學院，河北 唐山 063210；2.河北省工業機器人產業技術研究院，河北 唐山 063210）

0 引言

真空電弧放電所產生的金屬等離子體由于含有足夠高濃度的金屬離子，而且具有定向運動的特性，在離子束表面分析、脈沖等離子體推力器、離子沉積／注入等領域具有廣泛的應用［1－2］。另外，真空電弧也是電力系統研究真空電弧斷路器特性的模型體系［3］。本文旨在文獻［4］中有關低氣壓金屬電弧的相關工作基礎上，進一步確定基于實驗室已有金屬放電結構進行低氣壓金屬電弧等離子體實驗的實驗參數，并通過合理的設計對已有結構進行改良，以降低擊穿放電的允許實驗氣壓，延長放電時間。

1 金屬等離子體原發生器重復實驗

以文獻［4］的工作數據作為實驗參數設置參考，起初設定的第一次實驗參數為：氣壓p＝8.1×10－1Pa、電壓U＝70V、電流I＝30A。金屬等離子體發生器結構如圖1所示，為了減小實驗影響因素，僅采用紫銅作為實驗中的電極耗材，電極放電尺寸如圖2所示，實驗現象如圖3所示。其他參數不變，圖4為電流參數設置為40A時的實驗現象。采用高壓擊穿的方式引弧（高壓點火電壓9kV），因為冷卻水溫度越低，實驗中帶走的熱量越多，越不利于電弧維持穩定，所以重復實驗時冷卻水設置為20℃。以此為基礎實驗參數，由于低氣壓金屬電弧等離子體實驗的目的是實現金屬在低氣壓乃至真空環境下的放電，并探索金屬等離子的形貌特點和參數特性，所以重復實驗的第一步是復現或找到最低的起弧氣壓，之后在最低氣壓下通過調節電流電壓，找到能維持金屬電弧相對穩定的實驗參數作為結構優化后初始實驗參數。

經過實驗，確定最低起弧氣壓為280Pa，相對適合的電壓、電流參數為70V、40A。

2 金屬等離子體發生器的電極結構優化與實驗研究

本文經過大量的文獻調研，得到在同軸結構中，噴嘴狀陽極相比于筒狀陽極在放電時能形成更高的電場強度，利于陰極材料表面的電子場致發射，從而可以使得擊穿所需要的電壓降低。在本實驗中電極結構為同軸型，陽極結構也看作反向噴嘴狀，因此設計的新陽極結構如圖5所示。

圖1 金屬等離子體發生器結構

圖2 陰陽極放電尺寸

在改良陽極的同時，對陰極結構也進行了改良，將陰極頂端由平面改為60°錐角，如圖6所示，更有利于電子的發射。

通過對電極結構進行改良，新的電極布置如圖7所示，經過多次實驗探索，成功將起弧的最低氣壓由原來的280Pa降為了50Pa，即氣壓在50Pa之下無法擊穿起弧。實驗現象如圖8所示。

圖3 放電過程1（p＝280Pa，U＝70V，I＝30A）

圖4 放電過程2（p＝280Pa，U＝70V，I＝40A）

圖5 新陽極結構尺寸

圖6 新陰極耗材結構尺寸

圖7 優化后電極位置示意圖

3 金屬放電等離子體新的引弧方式

高壓擊穿為陰極的電子提供了一條能夠到達陽極的路徑，使電源和設備之間形成電流回路，從而使實驗電路形成了穩定的通路。由于目前的低氣壓環境，陰陽極間稀薄的氣體具有很低的介電系數，致使電源的點火電壓無法擊穿，形不成電流通路。因此，如果能找到一種介電系數高的材料作為引弧絲置于電極之間代替稀薄氣體介質，在實驗時能輕易被擊穿或熔化，為金屬等離子體的形成提供最開始的通路，即有可能解決上述問題，并且實驗氣壓將不再是影響金屬等離子體產生的關鍵因素，而是影響等離子體形貌的相關因素。

圖8 電極優化后的放電過程（p＝50Pa，U＝70V，I＝40A）

按照上述實驗思路，考慮到氣壓可能并不影響引弧的效果，所以設置氣壓為實驗所能達到的最低氣壓。電壓、電流、冷卻水溫度依然按照基礎參數設置。關于引弧絲的選取，考慮到熔點低與實驗室易得等特點，實驗選取鉛絲作為實驗引弧絲。考慮到電極間的布置能穩定地放置引弧絲，因此引弧實驗采用新型噴嘴狀陽極和頂端為平面的柱狀陰極，如圖9所示。

圖9 引弧絲與電極位置示意圖

實驗氣壓p＝10－3Pa，采用引弧絲鉛絲進行實驗，得到了很好的效果如圖10所示，即開始放電時，焊錫熔化噴出如圖10（a）的白色（鉛、錫等離子體的顏色）等離子體射流，與此同時其為電極之間提供了通路，陰極銅開始熔融氣化噴出，觀察如圖10（b）的綠色等離子體射流噴出，出現與之前低氣壓實驗無異的波動現象，在40s的波動區后，銅等離子體穩定噴出如圖10（c）、圖10（d）所示。與之前現象不同的是，真空條件下穩定的金屬電弧未成簇狀而是彌散狀，其顏色較之前稍暗。

4 結語

本文設計了用于產生低氣壓、小電流金屬電弧放電的等離子體發生器，采用了噴嘴狀陽極和60°錐角圓柱狀陰極的結構設計，之后采用位于兩電極間的金屬絲實現引弧（此時陰極為圓柱狀無錐角）。實驗結果表明：采用該等離子體發生器而未用金屬絲引弧時，能夠在環境壓強p＝50Pa、弧電流I＝40A條件下產生穩定的金屬電弧放電；采用金屬絲引弧，能夠在環境壓強p＝10－3Pa、弧電流I＝40A條件下產生穩定的金屬電弧放電，并從發生器噴口噴出形成穩定的等離子體射流。

圖10 放電過程圖4（p＝10－3 Pa，I＝40A）