等离子体技术

等离子体技术 

    等离子体技术(plasma technology)应用等离子体发生器产生的部分电离等离子体完成一定工业生产目标的手段。

等离子特点：

等离子体的温度高，能提供高焓值的工作介质，生产常规方法不能得到的材料，加之有气氛可控、设备相对简单、能显著缩短工艺流程等优点，所以等离子体技术有很大发展。1879年W.克鲁克斯指出放电管中的电离气体是不同于气体、液体、固体的物质第四态，1928年I.朗缪尔给它起名为等离子体。最常见的等离子体有电弧、霓虹灯和日光灯的发光气体以及闪电、极光等。随着科学技术的发展，人们已能用多种方法人工产生等离子体，从而形成一种应用广泛的等离子体技术。一般来说，温度在108K左右的等离子体称高温等离子体，目前只用于受控热核聚变实验中;具有工业应用价值的等离子体是温度在 2×103~5×104K之间、能持续几分钟乃至几十小时的低温等离子体，主要用气体放电法和燃烧法获得。气体放电又分为电弧放电、高频感应放电和低气压放电。前两者产生的等离子体称热等离子体，主要用作高温热源;后者产生的等离子体称冷等离子体，具有工业上可利用的特殊的物理性质。但在有机废气治理方面由于高压放电，需要防止容易打火而产生爆炸事故。它们主要用在以下几方面:

用途

等离子体机械加工

利用等离子体喷枪产生的高温高速射流，可进行焊接、堆焊、喷涂、切割、加热切削等机械加工。等离子弧焊接比钨极氩弧焊接快得多。1965年问世的微等离子弧焊接，火炬尺寸只有2~3毫米，可用于加工十分细小的工件。等离子弧堆焊可在部件上堆焊耐磨、耐腐蚀、耐高温的合金，用来加工各种特殊阀门、钻头、刀具、模具和机轴等。利用电弧等离子体的高温和强喷射力，还能把金属或非金属喷涂在工件表面，以提高工件的耐磨、耐腐蚀 ;、耐高温氧化、抗震等性能。等离子体切割是用电弧等离子体将被切割的金属迅速局部加热到熔化状态，同时用高速气流将已熔金属吹掉而形成狭窄的切口。等离子体加热切削是在刀具前适当设置一等离子体弧，让金属在切削前受热，改变加工材料的机械性能，使之易于切削。这种方法比常规切削方法提高工效5~20倍。

等离子体化工

利用等离子体的高温或其中的活性粒子和辐射来促成某些化学反应，以获取新的物质。如用电弧等离子体制备氮化硼超细粉，用高频等离子体制备二氧化钛(钛白)粉等。

等离子体冶金

从20世纪60年代开始，人们利用热等离子体熔化和精炼金属，现在等离子体电弧熔炼炉已广泛用于熔化耐高温合金和炼制高级合金钢;还可用来促进化学反应以及从矿物中提取所需产物。

等离子体表面处理

用冷等离子体处理金属或非金属固体表面，效果显著。如在光学透镜表面沉积10微米的有机硅单体薄膜，可改善透镜的抗划痕性能和反射指数;用冷等离子体处理聚酯织物，可改变其表面浸润性。这一技术还常用于金属固体表面的清洗和刻蚀。

气动热模拟

用电弧加热器产生的高温气流，能模拟超高速飞行器进入大气层时所处的严重气动加热环境，从而可用于研制适于超高速飞行器的热防护系统和材料。

此外，燃烧产生的等离子体还用于磁流体发电。70年代以来，人们利用电离气体中电流和磁场的相互作用力使气体高速喷射而产生的推力，制造出磁等离子体动力推进器和脉冲等离子体推进器。它们的比冲(火箭排气速度与重力加速度之比)比化学燃料推进器高得多，已成为航天技术中较为理想的推进方法。

影响因素

影响产生均匀等离子体状态的因素:

低介质相对对辐射的吸收能力弱，形成的等离子体温度低，向真空的膨胀速度慢，可以抑制中、高Z 等离子体向真空的快速膨胀，起到对中、高Z 等离子体的箍束作用。图3 给出了CH 膜的厚度对在t= 5. 5n s 时形成的等离子体状态的影响(铁样品厚为0. 02Lm)。(a) IR= 1. 25×1012W ö cm 2 从均匀到非均匀; (b) IR= 5×1012W ö cm 2 到达均匀等离子体状态温度空间分布; (c) 密度演化; (d) 温度和密度随CH 膜厚度的变化。由图3 (a) 中可以看出，随CH 膜厚度的增加，铁等离子体的膨胀尺度变小，密度明显提高，温度降低，因而低Z 介质的确对铁等离子体有箍束作用。CH 等离子体的密度明显提高，但温度没有明显变化。与图3 (a) 不同是，到达均匀等离子体状态时图3 (b) 温度呈现先升高后降低的现象，鉴于辐射不透明度对温度的变化敏感而对密度的变化不是很敏感，在同一辐射源条件下，调整CH 膜的厚度可以微调所产生的等离子体状态。

由于低Z 介质CH 膜对铁等离子体有明显的箍束作用，在不同方向上采用不同的CH 膜厚度，在背光方向上的CH 膜厚度既得能箍束等离子体还不会太厚对吸收谱有明显的影响，在背光方向上的CH 膜厚度可以足够得厚使它尽可能地达到一维膨胀，这样通过X 光背光照相测出其膨胀位置，推出的等离子体密度可以更加准确。

在同一时刻和处于同一辐射源下，获得的铁等离子体密度与CH 膜的初始厚度L 0,CH 呈现良好的线性关系。对数值模拟结果进行拟合，即有QCH∝L 0,CH,QFe∝L 0,CH,CH 的温度基本上不随L 0,CH变化。铁等离子体温度的变化规律我们以后再研究。