扩散电弧等离子体的实验研究及高强度光源的初步研究
发布时间：2017-03-18 01:01
本文关键词：扩散电弧等离子体的实验研究及高强度光源的初步研究，由笔耕文化传播整理发布。
【摘要】：电弧等离子体具有高温和高化学活性特点,广泛应用于热喷涂、冶金、机械加工、材料制备、高亮光源等工业领域。由于等离子体电导率随着温度升高而迅速增加,根据能量最小原理,大气压下电弧具有自收缩效应,电弧等离子体存在体积小、参数梯度大、能量高度集中等特点,在光源应用上具有亮度高和辐射效率高的优点,然而却制约了其在材料制备、大面积表面处理等方面上的发展及光源功率的提高。针对电弧的自收缩现象,论文采用外部条件控制强迫电弧“扩散”,开展了“扩散电弧”的实验研究,并就电弧的“收缩”与“扩散”性能应用于新型电弧等离子体发生器及高强度光源的研究。论文首先采用磁旋转电弧产生了“扩散电弧等离子体”,研究了这种“扩散电弧等离子体”的形成机制；其次,本文设计了多阴极电弧等离子体发生器,获得了大面积的扩散电弧等离子体和稳定的长层流射流,并探讨了这种“扩散电弧等离子体”的形成机制；最后探索了多阴极电弧在高强度光源上的应用,并开展了短弧氙灯高强度光源的研究。 本文的主要研究内容和结果如下： 1.设计了弧室直径为Φ20～80mm的磁旋转电弧等离子体发生器,获得了“扩散”状态大面积均匀电弧等离子体,研究了形成大面积电弧等离子体的条件,分析了磁旋转电弧产生“扩散电弧等离子体”的形成和稳定机制。实验研究了电弧电流、气体流量、轴向磁场、弧室尺度等参数对电弧形态的影响,结果表明：大电流下(200-400A)高速旋转的电弧与弧室内冷气的强对流作用使电弧弧柱“分散”,形成大面积扩散电弧等离子体,因此称之为“磁分散电弧等离子体”；分散电弧等离子体具有良好的均匀性和稳定性,电弧电压、电压波动及等离子体亮度、温度都比收缩电弧低得多。在较小的电流下(100-150A),电弧旋转不同步形成多圈螺旋结构,电弧在离心力作用下径向扩张,与相邻电弧等离子体重叠、联接,产生充满整个弧室的弥散的大面积等离子体,其本质是收缩的螺旋结构电弧产生的等离子体的径向流动作用的结果。其形成条件比大电流下的扩散电弧要苛刻,只在电弧电流100-150A、气体流量0.6-0.8Nm3/h范围内观察到完全弥散的电弧等离子体,由于不存在稳定的大截面放电通道,电弧电压及其波动都很大。 2.阴极弧根通常收缩于一点。在磁旋转电弧等离子体发生器中观察到了在棒状阴极端面的收缩／扩散弧根、多斑点／多弧根、环形斑点／环形弧根等多种阴极形态,利用高速摄影装置和静电探针系统诊断了近阴极区参数,分析了弧柱与弧根的相互作用关系。在直径5mm的纯钨阴极上观察到了弧根“收缩—扩散”模式的转换：随着电弧电流、轴向磁场的增加,阴极斑点面积增大,并最终突变为阴极端面温度分布均匀的扩散型阴极弧根,阴极端面最高温度显著降低。在直径10mm的镧钨电极上阴极斑点呈现多斑点的自组织现象和扩散斑点：随着轴向磁场、电弧电流或者阴极温度的增加,阴极端面边缘斑点数量逐渐增多,并最终演化为位于阴极端面边缘的环形斑点；阴极斑点为阴极弧根的热踪迹,在电弧扩散的条件下,分裂阴极斑点或环形斑点对应成为扩散电弧在阴极的附着点,即形成多弧根或环形扩散弧根。 3.设计了一套多阴极(3-18个阴极)电弧等离子体发生器,在直径40mm弧室中获得了稳定的周向均匀的“扩散状态”电弧等离子体,并获得了层流等离子体射流(Ar-He)。 (1)周向均匀的电弧等离子体发光现象类似于辉光放电中的等离子体。分析认为,稳定的周向均匀的等离子体可能与等离子体输运性质中存在热导率随温度增加速率高于电导率的上升速率,即d(σ/λ)/dT0区域有关(σ、λ分别为等离子体电导率和热导率)。在该区域等离子体中,重粒子因梯度“扩散”携带的输运焓导致热导率显著增加,因此称之为“扩散电弧等离子体”；等离子体向中心汇聚流动和扩散的阴极弧根形态是提高电弧周向均匀性和稳定性的重要因素。 (2)研究了电弧电流、气体组成、气体流量等参数对电弧形态的影响,并利用光学诊断系统对等离子体电子激发温度、电子数密度进行了诊断。结果表明,电弧等离子体的扩散均匀程度随电弧电流、He/Ar流量比例的增大而增加,但在较大电流下出现不稳定的自收缩现象；扩散电弧区域电子激发温度、电子数密度均低于一般收缩电弧,等离子体可能偏离了局域热力学平衡状态。 (3)阳极弧根形态显示,扩散电弧可能有利于电弧处于波动较小的往复模式,从而促使了层流射流的形成。等离子体射流状态受Ar-He比例及流量影响很大,在层流射流状态下,射流长度随气流量增加而逐步加长,气流量高于一定值后突然转变为短的湍流射流。本文在电弧功率17kW、气体流量2.0Nm3/h时,获得了长300mm、直径10mm的氦等离子体层流射流。 4.以多阴极电弧发生器为基础,设计了一种高亮度平面光源装置,通过光学仿真和初步实验研究,讨论了多阴极电弧系统发展为高强度光源的可行性。 5.研究了轴向磁场对短弧氙灯辐射特性的影响,结果表明：在12mT磁场作用下,氙灯弧电压(功率)增加了40%,辐射功率增加了70%,辐射效率增加至最高,达到了23%,辐射功率的增加量主要来自阴极尖端附近及弧柱区。论文讨论了磁场对氙灯辐射性能的作用机制。 6.设计了内置反射镜的氙灯光源装置,采用Ar放电模拟试验光源性能,并测试了电弧电流、气体压力、电极间距等参数对装置辐射性能的影响。测试结果显示,辐照面光强分布极不均匀,中心辐照强度超过边缘5倍以上；辐射功率和效率随着电弧电流、气体压力、电极间距的增加而增大,辐照不稳定度随着电流的增加、电极间距的减小而降低。
【关键词】：电弧等离子体 扩散电弧 分散电弧 磁旋转电弧 阴极弧根斑点 多阴极电弧发生器 等离子体射流 高强度光源
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O539
【目录】：
- 摘要5-8
- ABSTRACT8-11
- 目录11-14
- 第一章 引言14-32
- 1.1 电弧和热等离子体14-17
- 1.2 大体积电弧等离子体的产生方式文献综述17-21
- 1.3 磁旋转电弧等离子体文献综述21-26
- 1.3.1 磁场下弧柱形态21-24
- 1.3.2 磁场下阴极弧根形态24-26
- 1.4 电弧等离子体在高辐照度太阳模拟器光源上的应用26-29
- 1.5 本文的主要工作及组织结构29-32
- 第二章 磁旋转电弧发生器中电弧扩散机制的研究32-50
- 2.1 实验装置设计及测量系统32-34
- 2.2 大电流下电弧扩散机制研究34-42
- 2.2.1 轴向进气对磁旋转电弧等离子体形态影响35-39
- 2.2.2 起弧过程39-40
- 2.2.3 弧根形态的影响40-41
- 2.2.4 阴极材料的影响41-42
- 2.3 小电流下电弧扩散机制研究42-47
- 2.3.1 电弧电流对电弧形态的影响43-44
- 2.3.2 轴向进气/轴向磁场对电弧形态的影响44-46
- 2.3.3 扩散电弧连续CCD演化图像46-47
- 2.4 本章小结47-50
- 第三章 磁旋转电弧发生器中阴极弧根形态的研究50-66
- 3.1 收缩弧根和扩散弧根的实验研究51-56
- 3.1.1 弧根斑点演化的CCD图像51-52
- 3.1.2 阴极端面温度分布52-54
- 3.1.3 近阴极区域等离子体电子温度及阴极压降54-56
- 3.2 多阴极斑点的实验研究56-62
- 3.2.1 收缩电弧下弧根的演化过程56-58
- 3.2.2 分散电弧下弧根的演化过程58-59
- 3.2.3 电压波形及频谱分析59-60
- 3.2.4 扩散阴极弧根的演化过程60-62
- 3.3 其他的一些研究结果62-64
- 3.4 本章小结64-66
- 第四章 多阴极电弧等离子体发生器特性研究66-90
- 4.1 实验装置设计及测量原理66-69
- 4.2 扩散电弧特性研究69-84
- 4.2.1 电弧形态69-70
- 4.2.2 扩散电弧不稳定性70-72
- 4.2.3 物理参数诊断72-74
- 4.2.4 电弧扩散机制简单讨论74-77
- 4.2.5 介质气体对扩散电弧的影响77-80
- 4.2.6 纯氦扩散电弧物理参数诊断80-84
- 4.3 等离子体射流84-89
- 4.3.1 气体介质的影响84-85
- 4.3.2 气体流量的影响85-89
- 4.4 本章小结89-90
- 第五章 多阴极光源装置的探索90-102
- 5.1 约束电弧形态90-91
- 5.2 多阴极光源装置探索91-101
- 5.2.1 多阴极光源装置设计92-97
- 5.2.2 多阴极光源的光学仿真97-100
- 5.2.3 多阴极光源的初步测试结果100-101
- 5.3 本章小结101-102
- 第六章 氙灯光源研究102-118
- 6.1 轴向磁场对氙灯的影响102-107
- 6.1.1 实验装置与方法102-103
- 6.1.2 轴向磁场对辐射特性的影响103-105
- 6.1.3 电弧CCD图像及不稳定性105-107
- 6.2 大功率氙灯光源装置107-117
- 6.2.1 光源装置设计108-110
- 6.2.2 光学仿真结果110-113
- 6.2.3 初步实验结果113-117
- 6.3 本章小结117-118
- 第七章 结论与展望118-122
- 7.1 本文总结118-120
- 7.2 后续工作展望120-122
- 参考文献122-134
- 发表的学术论文及专利134-135
- 致谢135
【参考文献】
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1 李荣志,阎震,钟生东,张忠廉,朱鹤孙;直流电弧等离子体喷射法制备金刚石薄膜[J];北京理工大学学报;1991年02期
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本文编号：253678
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