大面积分散电弧等离子体的ICCD 图像分析.PDFVIP

第 28 卷 第 3 期 核 聚 变 与 等 离 子 体 物 理 Vol.28, No.3 2 0 0 8 年 9 月 Nuclear Fusion and Plasma Physics Sep. 2008 文章编号：0254−6086(2008)03−0265−05 大面积分散电弧等离子体的 ICCD 图像分析 周鹤凌，夏维东，黎林村，周志鹏，白 冰，程 亮 (中国科学技术大学热科学与能源工程系，合肥 230027) 摘 要 ：用增强型电荷耦合检测器(ICCD)和窄带干涉滤光片相结合的方法拍摄了未饱和氩等离子体的分散电 弧的非饱和图像。对不同励磁电流下电弧形态的分析比较，证实了在强电磁力的作用下弧柱趋于扩散。在电弧完 全分散条件下，对 ICCD 拍摄非饱和图像的光强分析，表明分散电弧具有较为均匀的分布。所采集的电弧电压的 脉动幅度显著降低，分散电弧稳定运行。实验中观测到了稳定的多阴极弧根和弥散阴极弧根的现象，这表明电弧 已扩散。 关键词：大面积电弧等离子体；ICCD ；非饱和图像；分散电弧；阴极弧根；光强分析 中图分类号：O539 文献标识码：A 1 引言 弧等离子体发生装置产生的等离子体的均匀性和 热等离子体在材料高温处理、加工和一些高温 稳定性进行了研究，同时实验过程中观测到稳定的 工艺中有特殊的用途[1~3] 。用射频感应耦合或微波 多阴极弧根和阴极弧根弥散的新现象。 方法可以产生大面积均匀等离子体，但由于其能量 效率低、电源设备价格昂贵，应用受到限制。用电 弧放电产生的等离子体，能量效率高，电源设备价 格低廉，没有射频感应或微波方法产生等离子的缺 点。实际应用中电弧等离子体通常以高速射流的形 式出现，由于“箍缩”效应，使其具有能量高度集 中、横向截面积小、物理参数梯度大等特点[4] 。这 些特点给很多实际应用带来了困难。产生大面积均 匀的热等离子体，控制物料与等离子体的相互作用 过程，提高产品的均匀性和一致性，提高生产效率， 图 1 电弧发生器和光学观测实验装置结构图 是需要解决的基本问题。 2 实验装置与方法 在大尺度同轴电极弧室中(弧室直径 80mm)采 用磁力驱动电弧高速旋转方式扩散电弧，从而产生 图 1 为实验用等离子体发生器[6]的结构示意 大面积均等离子体(LADAPS)[6, 7] ，是一种新的有益 图。等离子体发生器弧室由管形石墨阳极和棒状阴 的尝试。该等离子发生器使用轴向的外磁场驱动电 极组成，阳极内径为 80mm ，石墨阳极外有一含水 弧高速旋转，使电弧等离子体的结构和动态过程发 冷夹层的不锈钢套管；弧室一段开放以便光学诊 生显著的变化[6] 。当施加的轴向磁场强度达到一定 断、观测；阴极棒的一段固定在阴极法兰的中心位 强度，弧柱完全分散，整个截面上的等离子体的分 置，阴极直径为 10 ～25mm 。工质气体进入弧室的 布趋于均匀。本文采用 ICCD 拍摄分散电弧的未饱 方式设计成径向槽与切向槽两种不同结构。在水冷 和图像和结合电弧电压分析，对这种新型大面积电 不锈钢套管同轴绕制的水冷螺线管线圈，线圈的轴 收稿日期：2007−08−27 ；修订日期：2008−04−20 基金项目：国家自然科学基金资助项目 作者简介：周鹤凌(1982−) ，男，汉，安徽芜湖市人