【文章內容簡介】 極放出，穿過電弧空間，進入陽極。在兩電極之間，電場強度分布不均勻，在緊靠著兩個電極的很小區(qū)域內電場強度很高，其余大部分長度上電場強度是相同的，且數值不大。：（1）陰極及陰極區(qū)：陰極是發(fā)射電子的地方，電子從陰極表面不大的區(qū)域發(fā)出，這個區(qū)域稱為陰極斑點。陰極斑點的電流密度約為103~106A/cm2?？拷帢O附近的尺寸很小，但電場強度很大的區(qū)域稱為陰極區(qū)，整個陰極區(qū)的電壓降約為10V。根據陰極的工作狀況陰極材料可以分為熱陰極材料和冷陰極材料兩類。例如，碳和鎢屬于熱陰極材料，用它們作陰極時，很高的陰極溫度（3000K）使陰極內部的自由電子獲得足夠的能量，從而克服了陰極內部正離子的引力，脫出陰極表面，叫做電子的熱發(fā)射。為了維持陰極斑點的高溫，它在陰極表面比較固定，不能快速移動；銅是冷陰極材料，這時陰極溫度低，但是陰極斑點的電流密度高，它能以很高的速度在銅電極表面上移動而仍然保持電弧穩(wěn)定燃燒。在這種較低的陰極斑點溫度下不足以造成電子的熱發(fā)射。電子從這種陰極的脫出可能是由于陰極區(qū)的強電場造成的。電子從不同的陰極材料中逸出的難易程度不同，通常用材料的逸出電位表示。一般情況下，在陰極產生的熱量要比在陽極產生的低。（2）陽極及陽極區(qū)：陽極只是接受電子，電子流入陽極也集中在陽極表面不大的面積上，稱為陽極斑點。陽極斑點上的電流密度通常比陰極斑點上的小，因而陽極斑點的尺寸要比陰極斑點大。陽極電壓降的變化范圍很大，約在0~30V之間。當陽極附近的溫度升高時，陽極電壓降就降低。等離子弧的弧柱具有更高的溫度，它的陽極電壓降要更低。電子到達陽極并把所獲得的全部能量都交給了陽極，這些能量轉變成熟能，并使陽極溫度升高。陽極只是接受能量，其中一部分用于供給電子發(fā)射，因此陽極的溫度和熱量都要高于陰極。（3）弧柱：電弧中除去陰極區(qū)和陽極區(qū)，剩下的導電空間就是弧柱，弧柱是由在電弧長度上均勻分布的導電氣體組成的，它的尺寸幾乎占據了電弧的整個長度。在弧柱中，正離子和電子由于受到電場的作用而定向運動，正離子的質量遠大電子，它運動速度比電子慢的多。由于弧柱中電場強度是均Y的，其數值等于弧柱中的電壓降除以弧柱長度，即電場強度，單位為V/cm，式中U為電弧電壓。為陽極電壓降，為陰極電壓降，l為電弧長度。 電弧放電（1）陽極弧放電[25]首先提出了陽極弧設想，這樣可以比較好的解決液滴流問題，進而達到提高膜的質量問題。通過接觸法引燃電弧后，使接觸的陰陽兩極快速拉開，在陰極表面產生一個或幾個光亮區(qū)域即陰極斑，幾秒鐘后陽極上的金屬絲變成熔融狀態(tài)的液滴，開始發(fā)亮變成一個亮點，形成陽極斑。同時，從觀察窗看到色光出現(xiàn)，對于Al弧呈藍紫色，Cu弧呈綠色，這決定于蒸發(fā)金屬可見光光譜的最強譜線。此時，陰極表面明亮而緩慢移動的陰極斑分裂成大量的、小的快速移動的陰極斑，均勻分布在陰極表面。當陽極材料蒸發(fā)完時，小陰極斑又變成幾個大陰極斑，接著陽極斑、色光、陰極斑消失。每次放電后，蒸發(fā)室內壁和陰極表面可以看到一薄薄的陽極材料覆蓋層，陽極表面也有一兩個微坑。起弧過程包括電子發(fā)射、陰極斑、陽極斑的形成。給兩電極加電壓后，電路處于短路狀態(tài)，較大的瞬時電流通過電路，由于接觸處電阻較大，能量輸入主要用于加熱升溫?？焖倮_兩電極瞬時，能量進一步集中，接觸點溫度升高到部分電子的熱運動足以克服原子的束縛而掙脫原子，從陰極表面發(fā)射出來。發(fā)射處呈幾個明亮的小斑點，則陰極斑點形成。發(fā)射出來的電子經電場加速，轟擊陽極，使本來升溫的陽極材料局部過熱、氣化、出現(xiàn)明亮的小斑點，形成陽極斑。蒸發(fā)出來的金屬原子被電子碰撞電離，正離子轟擊陰極，造成更多的大面積的電子發(fā)射。負粒子、電子轟擊陽極，陽極斑越來越大，直到陽極金屬全部消耗用盡。陰極斑點是陰極表面放電集中的高電流密度的光亮區(qū)，斑點越大移動越慢，對陽極表面的侵蝕就越嚴重，并伴有液滴濺出，個別灼痕就是在起弧瞬時產生的。當電弧穩(wěn)定后，大量小陰極斑點快速移動，對陰極表面就沒有侵蝕作用了[26]。（2）陰極弧斑放電1903年Stark發(fā)現(xiàn)了水銀陰極弧在放電過程中，弧斑在水平磁場作用下的運動方向與帶電粒子所受的安培力方向相反，并定義了陰極弧斑。這種弧斑放電現(xiàn)象已經廣泛應用于多弧離子鍍膜、真空弧斷路開關、金屬粒子源和電子源等。其共同的特征以陰極弧斑放電為代表：放電集中在陰極表面出現(xiàn)的一個或多個運動的發(fā)光區(qū)（即陰極弧斑）上，弧斑局部處于極高的沸點溫度[27][28]。陰極弧斑放電的機理：弧斑放電是由于極高電流密度的歐姆熱效應加熱了陰極表面微凸體而產生的一個個脈沖的爆裂過程；極高電流密度符合熱場致發(fā)射理論；極高電流強度是由于蒸汽原子來源于陰極、離子層距陰極表面極近等原因造成的；磁場是通過弧坑內電子漂移層的作用而影響陰極弧斑運動的；電子漂移層影響電子密度分布、電場強度分布、電流密度分布、新弧斑的產生。放電氣壓是通過離子碰撞加熱作用而影響弧斑運動的。陽極弧斑形成時，陽極表面電子的熱發(fā)射使陽極電位降由負值轉變?yōu)檎?。?）陰極弧斑放電的特征①放電電壓低（十幾至幾十伏），電流大（幾安培至上千安培），電流隨電壓的增大而迅速增大，是一種弧光放電；②電流集中在很小的運動的區(qū)域（即弧斑）上，陰極表面局部電流密度超過1010A/m2（對于鎢，電子發(fā)射的電流密度最大可達1013A/m2），在所有的放電形式中是最高的，其電子發(fā)射機理為熱場致發(fā)射；③陰極材料在弧斑處被氣化燒蝕，陰極弧斑放電的介質為陰極蒸汽（金屬原子的電離能較低）及其它低壓氣體，真空弧放電介質為陰極蒸汽；④弧斑形成于弧坑邊緣的微凸體處，微凸體爆裂形成新的弧坑和微凸體，并產生高速蒸汽流，發(fā)出強光，這就是弧斑。相鄰弧斑的次第燃起和熄滅構成了弧斑的運動?；“咴诖艌鲋械倪\動更為不可思議：弧斑在沒有磁場條件下在陰極表面作隨機運動；在垂直于陰極表面的磁場下，弧斑隨機運動速度加快；弧斑在平行于陰極表面的磁場下，沿洛侖茲力的反方向運動，而且磁場越強速度越大，氣壓越高速度越小，最后隨著氣壓的增大弧斑運動速度減慢為零，如果繼續(xù)增大氣壓，弧斑將沿安培力方向運動；如果磁場與陰極表面夾有銳角時，除了“退著走”外，弧斑還沿著磁場投影方向運動。 輝光放電輝光放電一般產生在低氣壓狀態(tài)下，電壓高，電流小。輝光放電發(fā)生在低壓交流供電系統(tǒng)的接觸點上，當電路連接松散、接觸點的導體失去光澤或氧化作用較深時，輝光放電更容易發(fā)生。它是一種自持放電，不依靠外界游離因素而僅靠電場作用持續(xù)的放電，即使電離作用消失也能存在。輝光放電能保持是由于電子勢能足夠大，這樣氣氛中的正離子流向陰極時也積聚了足夠的能量，以至撞擊陰極后能游離出新的電子維持放電。如果入射正離子增加的能量使陰極的溫度增加，就產生熱離子并擴散，進而產生新的電子擴散，使輝光放電轉化為弧光放電。 氣氛對電弧放電的影響電弧放電介質對于試樣的蒸發(fā)和激發(fā)過程影響極大。因為通過改變放電氣體的組成可以在一定程度上改變電弧放電的特性。電弧放電在空氣中進行存在較低的激發(fā)能，強烈的連續(xù)背景、氰帶及其它分子光譜等一系列嚴重缺陷。若電弧放電在惰性氣氛中進行，以上所述的問題將可以避免，控制氣氛電弧放電的優(yōu)點如下：①減弱了連續(xù)光譜背景，有利于提高信背比。②不形成CN、CO、NH、CH、OH、BO、SiO、A1O等分子光譜，這樣被以上分子光譜覆蓋的光譜區(qū)即可利用。③基體的干擾影響有所降低，不僅可以有效地抑制因試樣化學組成及結構變化引起的基體效應，還可以降低因待測元素化學形態(tài)不同而造成的影響。④可以防止放電過程中氧化反應的發(fā)生，為了完全排除氧化反應的發(fā)生，摻入少量還原性氣體效果更好。⑤可以激發(fā)難激發(fā)的非金屬元素和氣體元素。氬的熱焓很低，使用氬氣做工作氣體的弧電壓最低，電弧的輸出功率也低。不同氣體放電中低于電極表面lmm處的電極溫度的測量結果顯示，在Ar中的電極溫度比空氣中的650℃，要維持穩(wěn)定的電弧放電和一定的試樣蒸發(fā)率，Ar電弧放電應選擇在較高的電流強度下進行。氬氣是惰性氣體，與各種金屬均不發(fā)生化學反應，也不溶解于各種金屬，因而高純度的氬既是優(yōu)異的工作氣體又是良好的保護介質。有人認為，氬氣氣氛中譜線的增強是因為排除了自由金屬原子與N2和O2發(fā)生化學反應的結果。關于Ar氣氛電弧放電機理，相關文獻指出，Ar的亞穩(wěn)態(tài)原子在Ar氣氛放電中對激發(fā)的作用不可低估，即Ar正的亞穩(wěn)態(tài)原子為第二類碰撞激發(fā)占有一定的比重。氮氣的焓值和密度都比較大，在N2中的電弧放電與空氣中相似，電極溫度、電弧溫度和電子密度均相接近，但可避免環(huán)境的污染。氫是熱焓及導熱率高的氣體，也是雙原子氣體。它具有最大的傳遞熱能的能力。工作氣體中混入了氫，會明顯地提高電弧的熱功率。對絕大多數金屬材料來說，氫是還原性氣體，可有效防止氧化過程的發(fā)生。但因光譜亮度很弱和放電的危險性而限制了它的應用范圍。對氨氣氛電弧放電的深入研究表明，NH3分子在放電溫度下分解，具有還原性，完全排除了氧化過程，且放電亮度比Ar電弧放電有顯著提高。在氯氣中放電可導致氯化反應的發(fā)生，提高難揮發(fā)元素的測定靈敏度。但這種腐蝕性強的有毒氣體是難以使用的。在惰性氣體或空氣中加入鹵碳化合物（如CCl4）的“蒸汽載體”具有通常固體載體的相同作用，使用更方便，還避免了污染問題。實際應用中采用混合氣體比單一氣體放電的效果更好，因為混合氣體兼有兩者的優(yōu)點。例如在Ar中加入一定比例的H2，氬氣的起弧性能和電弧的穩(wěn)定性好，但功率低，氫氣的焓值和導熱性能很高，但要求很高的電弧電壓，而Ar和H2的混合氣體既保持了電弧的穩(wěn)定性又提高了試樣的蒸發(fā)率。 等離子體基本概述 等離子體的概念Plasma這個術語最初應用在生物學領域，意思是“血漿”。而現(xiàn)在，物理學上Plasma表示“等離子體”。等離子體就是指電離的氣態(tài)物質，被電離的氣體只是部分電離，電離的導電氣體包括電子、正離子、負離子、激發(fā)態(tài)的原子或分子、基態(tài)的原子或分子、以及光子，在每一個宏觀區(qū)域正負粒子所帶電荷數量相等而符號相反，因此都呈電中性，通常稱為物質第四態(tài)。事實上，等離子體就是由上述大量正負帶電粒子和中性粒子組成的一種高溫高活性離子化的導電氣體，具有高的化學活性和反應性。 氣體的熱電離和等離子體電離是在一定的條件下氣體中的中性粒子分離為正離子和電子的現(xiàn)象，不同的元素在電離時需要供給的能量也不同，通常用電離電位表示這個能量。元素的電離電位越高，它在電離時所需供給的能量越高。反過來，當這種離子重新與電子結合成原子時也放出較高的能量?；≈袣怏w的電離主要是高溫引起的。氣體粒子處于不停的、無規(guī)則的熱運動狀態(tài)之中，粒子之間不斷的發(fā)生碰撞。溫度升高時粒子的熱運動加劇，粒子的平均運動速度提高。溫度高到一定程度時就會有一些粒子受到高速粒子的碰撞而獲得足夠的能量，發(fā)生電離。這種由于提高溫度造成的電離稱為熱電離。絕大多數氣體在溫度超過8000K時就開始發(fā)生熱電離。電離通過弧柱時會發(fā)熱，這個熱能可把氣體加熱到很高溫度，使它熱電離。通常用電離度表示電離程度，即離子或電子的密度與電離前中性粒子的密度之比。在近代物理中，％為弱電離氣體，％為等離子體[29]。決定氣體電離度的最主要因素是溫度，其次是壓力。當氣體極其稀薄時，在不高的溫度下就可以有很高的電離度。本論文只討論由電弧放電造成的高溫所形成的等離子體。 等離子弧的特性 等離子弧等離子?。菏褂脵C械或電的壓縮以造成收縮的等離子柱并能把高度集中的熱量傳遞到小的表面積的電弧。該電弧可產生于電極與工件間或電極與槍體上的噴嘴間。通常用熱收縮效應、磁收縮效應以及機械壓縮來解釋這種變化的原因。當電弧通過水冷噴嘴時，它受到外部冷氣流及水冷噴嘴孔道壁的冷卻作用，弧柱外圍氣體的溫度降低，導電截面縮小，這是熱收縮效應；電離氣體呈現(xiàn)電磁性能，電弧電流自身產生的磁場對弧柱的壓縮作用稱為磁收縮效應。磁收縮效應在自由電弧中也存在，但等離子弧有較高的電離密度，磁收縮效應要更強；機械壓縮是一種措施，從噴嘴送入的工作氣體，是機械措施，它使電弧受到壓縮作用，這種壓縮作用的機理是上面的兩個效應。 等離子弧的熱特性（1）等離子弧的溫度：等離子弧的顯著特點就是溫度非常高?；≈臏囟扰c電弧功率、氣體和電極材料及其它工作條件有關，因此弧柱溫度有很大的范圍。電弧空間成分對弧柱溫度影響很大。氣體電離電位高，弧柱溫度高。而該氣體中含有電極材料的蒸汽，當它的電離電位較低時，會對弧柱的溫度發(fā)生很大的影響。熔化的金屬電極電弧溫度一般平均只有5~6103K。就是由于其電弧空間存在電極金屬的蒸汽，這些電極材料金屬蒸汽的電離電位都不高。鎢電極在電弧燃燒時很少蒸發(fā)，因此用鎢極的電弧溫度比較高。就電弧的溫度分布而言，等離子弧在整個弧柱中都有很高的溫度，而自由弧則只在距陰極很近的地方維持高溫[30]。（2）等離子弧的熱功率：電弧的熱功率就是單位時間內電能轉變成熱能的量。把電弧看做電阻，則電弧的熱功率為Q=IU，I為電弧電流，U為電弧電壓。等離子弧的熱功率可以通過改變電流、噴嘴直徑、長度、氣體流量、氣體介質成分及噴嘴幾何形狀、電極與噴嘴及工件間相對位置控制調整。（3）等離子弧的熱效率：等離子弧的熱效率比開放電弧的熱效率低。但等離子弧的熱量很集中，它可以迅速地把工件的加熱部件加熱到高溫。也就是說，加到工件上的那部分熱量利用率很高，而開放的電弧加到工件上的熱量則有相當一部分散發(fā)到工件溫度較低的部分上，熱能的利用率低于等離子弧。 等離子弧的電特性等離子弧處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)時，其電壓與電流之間的關系稱為等離子弧的靜特性。從等離子弧與一般電弧的伏安特性圖（）中可見，普通的焊接電弧通常具有下降的伏一安特性。即弧長一定時，隨電弧的增大，其電壓降低。這個變化趨勢與電阻上的電壓電流間關系相反。這是由于在電弧中隨著電流的增加，弧柱直徑也增加，同時溫度也有所提高，結果弧柱的電阻減小了，使得電壓下降。在等離子弧中，由于噴嘴限制了弧柱尺寸的增大，造成了其伏安特性與自由電弧的差別，其差別主要表現(xiàn)在兩個方面：一是等離子弧通常具有較高的電壓，二是等離子弧比較容易形成平的及上升的特性。等離子弧是一種高溫電磁流體，由于磁收縮效應使弧柱直徑的增加受到限制，會出現(xiàn)平的或上升的伏安特性。40電弧電壓/V等離子弧20一般電弧0 100 200 300 電弧電流