本文關(guān)鍵詞：擴(kuò)散電弧等離子體的實(shí)驗(yàn)研究及高強(qiáng)度光源的初步研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：電弧等離子體具有高溫和高化學(xué)活性特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于熱噴涂、冶金、機(jī)械加工、材料制備、高亮光源等工業(yè)領(lǐng)域。由于等離子體電導(dǎo)率隨著溫度升高而迅速增加,根據(jù)能量最小原理,大氣壓下電弧具有自收縮效應(yīng),電弧等離子體存在體積小、參數(shù)梯度大、能量高度集中等特點(diǎn),在光源應(yīng)用上具有亮度高和輻射效率高的優(yōu)點(diǎn),然而卻制約了其在材料制備、大面積表面處理等方面上的發(fā)展及光源功率的提高。針對電弧的自收縮現(xiàn)象,論文采用外部條件控制強(qiáng)迫電弧“擴(kuò)散”,開展了“擴(kuò)散電弧”的實(shí)驗(yàn)研究,并就電弧的“收縮”與“擴(kuò)散”性能應(yīng)用于新型電弧等離子體發(fā)生器及高強(qiáng)度光源的研究。論文首先采用磁旋轉(zhuǎn)電弧產(chǎn)生了“擴(kuò)散電弧等離子體”,研究了這種“擴(kuò)散電弧等離子體”的形成機(jī)制；其次,本文設(shè)計(jì)了多陰極電弧等離子體發(fā)生器,獲得了大面積的擴(kuò)散電弧等離子體和穩(wěn)定的長層流射流,并探討了這種“擴(kuò)散電弧等離子體”的形成機(jī)制；最后探索了多陰極電弧在高強(qiáng)度光源上的應(yīng)用,并開展了短弧氙燈高強(qiáng)度光源的研究。 本文的主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下： 1.設(shè)計(jì)了弧室直徑為Φ20～80mm的磁旋轉(zhuǎn)電弧等離子體發(fā)生器,獲得了“擴(kuò)散”狀態(tài)大面積均勻電弧等離子體,研究了形成大面積電弧等離子體的條件,分析了磁旋轉(zhuǎn)電弧產(chǎn)生“擴(kuò)散電弧等離子體”的形成和穩(wěn)定機(jī)制。實(shí)驗(yàn)研究了電弧電流、氣體流量、軸向磁場、弧室尺度等參數(shù)對電弧形態(tài)的影響,結(jié)果表明：大電流下(200-400A)高速旋轉(zhuǎn)的電弧與弧室內(nèi)冷氣的強(qiáng)對流作用使電弧弧柱“分散”,形成大面積擴(kuò)散電弧等離子體,因此稱之為“磁分散電弧等離子體”；分散電弧等離子體具有良好的均勻性和穩(wěn)定性,電弧電壓、電壓波動(dòng)及等離子體亮度、溫度都比收縮電弧低得多。在較小的電流下(100-150A),電弧旋轉(zhuǎn)不同步形成多圈螺旋結(jié)構(gòu),電弧在離心力作用下徑向擴(kuò)張,與相鄰電弧等離子體重疊、聯(lián)接,產(chǎn)生充滿整個(gè)弧室的彌散的大面積等離子體,其本質(zhì)是收縮的螺旋結(jié)構(gòu)電弧產(chǎn)生的等離子體的徑向流動(dòng)作用的結(jié)果。其形成條件比大電流下的擴(kuò)散電弧要苛刻,只在電弧電流100-150A、氣體流量0.6-0.8Nm3/h范圍內(nèi)觀察到完全彌散的電弧等離子體,由于不存在穩(wěn)定的大截面放電通道,電弧電壓及其波動(dòng)都很大。 2.陰極弧根通常收縮于一點(diǎn)。在磁旋轉(zhuǎn)電弧等離子體發(fā)生器中觀察到了在棒狀陰極端面的收縮／擴(kuò)散弧根、多斑點(diǎn)／多弧根、環(huán)形斑點(diǎn)／環(huán)形弧根等多種陰極形態(tài),利用高速攝影裝置和靜電探針系統(tǒng)診斷了近陰極區(qū)參數(shù),分析了弧柱與弧根的相互作用關(guān)系。在直徑5mm的純鎢陰極上觀察到了弧根“收縮—擴(kuò)散”模式的轉(zhuǎn)換：隨著電弧電流、軸向磁場的增加,陰極斑點(diǎn)面積增大,并最終突變?yōu)殛帢O端面溫度分布均勻的擴(kuò)散型陰極弧根,陰極端面最高溫度顯著降低。在直徑10mm的鑭鎢電極上陰極斑點(diǎn)呈現(xiàn)多斑點(diǎn)的自組織現(xiàn)象和擴(kuò)散斑點(diǎn)：隨著軸向磁場、電弧電流或者陰極溫度的增加,陰極端面邊緣斑點(diǎn)數(shù)量逐漸增多,并最終演化為位于陰極端面邊緣的環(huán)形斑點(diǎn)；陰極斑點(diǎn)為陰極弧根的熱蹤跡,在電弧擴(kuò)散的條件下,分裂陰極斑點(diǎn)或環(huán)形斑點(diǎn)對應(yīng)成為擴(kuò)散電弧在陰極的附著點(diǎn),即形成多弧根或環(huán)形擴(kuò)散弧根。 3.設(shè)計(jì)了一套多陰極(3-18個(gè)陰極)電弧等離子體發(fā)生器,在直徑40mm弧室中獲得了穩(wěn)定的周向均勻的“擴(kuò)散狀態(tài)”電弧等離子體,并獲得了層流等離子體射流(Ar-He)。 (1)周向均勻的電弧等離子體發(fā)光現(xiàn)象類似于輝光放電中的等離子體。分析認(rèn)為,穩(wěn)定的周向均勻的等離子體可能與等離子體輸運(yùn)性質(zhì)中存在熱導(dǎo)率隨溫度增加速率高于電導(dǎo)率的上升速率,即d(σ/λ)/dT0區(qū)域有關(guān)(σ、λ分別為等離子體電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率)。在該區(qū)域等離子體中,重粒子因梯度“擴(kuò)散”攜帶的輸運(yùn)焓導(dǎo)致熱導(dǎo)率顯著增加,因此稱之為“擴(kuò)散電弧等離子體”；等離子體向中心匯聚流動(dòng)和擴(kuò)散的陰極弧根形態(tài)是提高電弧周向均勻性和穩(wěn)定性的重要因素。 (2)研究了電弧電流、氣體組成、氣體流量等參數(shù)對電弧形態(tài)的影響,并利用光學(xué)診斷系統(tǒng)對等離子體電子激發(fā)溫度、電子數(shù)密度進(jìn)行了診斷。結(jié)果表明,電弧等離子體的擴(kuò)散均勻程度隨電弧電流、He/Ar流量比例的增大而增加,但在較大電流下出現(xiàn)不穩(wěn)定的自收縮現(xiàn)象；擴(kuò)散電弧區(qū)域電子激發(fā)溫度、電子數(shù)密度均低于一般收縮電弧,等離子體可能偏離了局域熱力學(xué)平衡狀態(tài)。 (3)陽極弧根形態(tài)顯示,擴(kuò)散電弧可能有利于電弧處于波動(dòng)較小的往復(fù)模式,從而促使了層流射流的形成。等離子體射流狀態(tài)受Ar-He比例及流量影響很大,在層流射流狀態(tài)下,射流長度隨氣流量增加而逐步加長,氣流量高于一定值后突然轉(zhuǎn)變?yōu)槎痰耐牧魃淞鳌１疚脑陔娀」β?7kW、氣體流量2.0Nm3/h時(shí),獲得了長300mm、直徑10mm的氦等離子體層流射流。 4.以多陰極電弧發(fā)生器為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)了一種高亮度平面光源裝置,通過光學(xué)仿真和初步實(shí)驗(yàn)研究,討論了多陰極電弧系統(tǒng)發(fā)展為高強(qiáng)度光源的可行性。 5.研究了軸向磁場對短弧氙燈輻射特性的影響,結(jié)果表明：在12mT磁場作用下,氙燈弧電壓(功率)增加了40%,輻射功率增加了70%,輻射效率增加至最高,達(dá)到了23%,輻射功率的增加量主要來自陰極尖端附近及弧柱區(qū)。論文討論了磁場對氙燈輻射性能的作用機(jī)制。 6.設(shè)計(jì)了內(nèi)置反射鏡的氙燈光源裝置,采用Ar放電模擬試驗(yàn)光源性能,并測試了電弧電流、氣體壓力、電極間距等參數(shù)對裝置輻射性能的影響。測試結(jié)果顯示,輻照面光強(qiáng)分布極不均勻,中心輻照強(qiáng)度超過邊緣5倍以上；輻射功率和效率隨著電弧電流、氣體壓力、電極間距的增加而增大,輻照不穩(wěn)定度隨著電流的增加、電極間距的減小而降低。
【關(guān)鍵詞】：電弧等離子體 擴(kuò)散電弧 分散電弧 磁旋轉(zhuǎn)電弧 陰極弧根斑點(diǎn) 多陰極電弧發(fā)生器 等離子體射流 高強(qiáng)度光源
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：O539
【目錄】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-11
• 目錄11-14
• 第一章 引言14-32
• 1.1 電弧和熱等離子體14-17
• 1.2 大體積電弧等離子體的產(chǎn)生方式文獻(xiàn)綜述17-21
• 1.3 磁旋轉(zhuǎn)電弧等離子體文獻(xiàn)綜述21-26
• 1.3.1 磁場下弧柱形態(tài)21-24
• 1.3.2 磁場下陰極弧根形態(tài)24-26
• 1.4 電弧等離子體在高輻照度太陽模擬器光源上的應(yīng)用26-29
• 1.5 本文的主要工作及組織結(jié)構(gòu)29-32
• 第二章 磁旋轉(zhuǎn)電弧發(fā)生器中電弧擴(kuò)散機(jī)制的研究32-50
• 2.1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)及測量系統(tǒng)32-34
• 2.2 大電流下電弧擴(kuò)散機(jī)制研究34-42
• 2.2.1 軸向進(jìn)氣對磁旋轉(zhuǎn)電弧等離子體形態(tài)影響35-39
• 2.2.2 起弧過程39-40
• 2.2.3 弧根形態(tài)的影響40-41
• 2.2.4 陰極材料的影響41-42
• 2.3 小電流下電弧擴(kuò)散機(jī)制研究42-47
• 2.3.1 電弧電流對電弧形態(tài)的影響43-44
• 2.3.2 軸向進(jìn)氣/軸向磁場對電弧形態(tài)的影響44-46
• 2.3.3 擴(kuò)散電弧連續(xù)CCD演化圖像46-47
• 2.4 本章小結(jié)47-50
• 第三章 磁旋轉(zhuǎn)電弧發(fā)生器中陰極弧根形態(tài)的研究50-66
• 3.1 收縮弧根和擴(kuò)散弧根的實(shí)驗(yàn)研究51-56
• 3.1.1 弧根斑點(diǎn)演化的CCD圖像51-52
• 3.1.2 陰極端面溫度分布52-54
• 3.1.3 近陰極區(qū)域等離子體電子溫度及陰極壓降54-56
• 3.2 多陰極斑點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)研究56-62
• 3.2.1 收縮電弧下弧根的演化過程56-58
• 3.2.2 分散電弧下弧根的演化過程58-59
• 3.2.3 電壓波形及頻譜分析59-60
• 3.2.4 擴(kuò)散陰極弧根的演化過程60-62
• 3.3 其他的一些研究結(jié)果62-64
• 3.4 本章小結(jié)64-66
• 第四章 多陰極電弧等離子體發(fā)生器特性研究66-90
• 4.1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)及測量原理66-69
• 4.2 擴(kuò)散電弧特性研究69-84
• 4.2.1 電弧形態(tài)69-70
• 4.2.2 擴(kuò)散電弧不穩(wěn)定性70-72
• 4.2.3 物理參數(shù)診斷72-74
• 4.2.4 電弧擴(kuò)散機(jī)制簡單討論74-77
• 4.2.5 介質(zhì)氣體對擴(kuò)散電弧的影響77-80
• 4.2.6 純氦擴(kuò)散電弧物理參數(shù)診斷80-84
• 4.3 等離子體射流84-89
• 4.3.1 氣體介質(zhì)的影響84-85
• 4.3.2 氣體流量的影響85-89
• 4.4 本章小結(jié)89-90
• 第五章 多陰極光源裝置的探索90-102
• 5.1 約束電弧形態(tài)90-91
• 5.2 多陰極光源裝置探索91-101
• 5.2.1 多陰極光源裝置設(shè)計(jì)92-97
• 5.2.2 多陰極光源的光學(xué)仿真97-100
• 5.2.3 多陰極光源的初步測試結(jié)果100-101
• 5.3 本章小結(jié)101-102
• 第六章 氙燈光源研究102-118
• 6.1 軸向磁場對氙燈的影響102-107
• 6.1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法102-103
• 6.1.2 軸向磁場對輻射特性的影響103-105
• 6.1.3 電弧CCD圖像及不穩(wěn)定性105-107
• 6.2 大功率氙燈光源裝置107-117
• 6.2.1 光源裝置設(shè)計(jì)108-110
• 6.2.2 光學(xué)仿真結(jié)果110-113
• 6.2.3 初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果113-117
• 6.3 本章小結(jié)117-118
• 第七章 結(jié)論與展望118-122
• 7.1 本文總結(jié)118-120
• 7.2 后續(xù)工作展望120-122
• 參考文獻(xiàn)122-134
• 發(fā)表的學(xué)術(shù)論文及專利134-135
• 致謝135

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：253678