（热能工程专业论文）大尺度磁分散电弧等离子体的探针诊断.pdf

y 2 吣1 燃科2 6 11 i u n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y o fc h in a adi s s e r t a t i o nf o rm a s t e r sd e g r e e t h ee l e c t r i c - p r o b ed i a g n o s t i c s o ft h el a r g e s c a l em a g n e t i c a l l y r o t a t in ga r cp l a s m a a u t h o r sn a m e ：l i n g y u nj i a o s p e c i a l i t y ：t h e r m a le n e r g ye n g i n e e r i n g s u p e r v i s o r ：p r o f w e i d o n g x i a f i n i s h e dt i m e ：m a y ，2 0 12 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的 成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或 撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作 了明确的说明。 作者签 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学 拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构 送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入中 国学位论文全文数据库等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 删公开口保密( 年) 作者签名： 签字日期： 兰啦 二。一l 巫翌! 羔鱼! ! f 导师签名： 签字日期：丝! 三：垒：! 摘要 摘要 电弧等离子体具有高温、能量集中等特点，在工业生产中有着广泛的应用， 但是由于电弧等离子体横向截面小、物理参数梯度大等特点，其在一些工艺过程 中的应用受到了一定的限制，如在大面积的表面处理、材料宏观制备等方面，产 生产品均匀性和一致性不足等问题，限制了电弧等离子体在工业上的应用。在同 轴电极电弧等离子体中施加轴向磁场使电弧高速旋转，可以产生大尺度均匀的磁 分散电弧等离子体，弥春t , - t 上述电弧等离子体的不足。对于这种新颖的电弧等离 子体目前尚缺乏深入研究。本文使用自制的水冷型静电探针对大尺度磁分散电弧 等离子体进行了一系列的诊断，对其有了更深一步的了解。 本文比较了适用于不同实验条件的静电探针理论模型，估算出实验中各项参 数( 德拜长度、电子平均自由程、探针特征尺寸等) ，选择了适合本实验的探针诊 断理论模型。 实验中对大尺度磁分散电弧等离子体的电子温度分布、等离子体位形以及等 离子体波动状况和密集度分布等方面进行了系统的诊断。使用探针对发生器弧室 进行逐点诊断，得到了不同实验条件下等离子体的电子温度分布、位形以及密集 度分布，发现随着电弧电流和外加轴向磁场的增加，等离子体体积变大，电子温 度升高，波动性减小。将探针诊断结果与相似条件下的l t e 模型数值模拟结果 进行对比，等离子体位形具有较好的相似性，探针诊断的电子温度高于l t e 模 型数值模拟值，这与大多数探针诊断电子温度高于数值模拟结果的趋势一致。通 过探针接近阴极端面( 探针诊断位置距离阴极端面l m m ) 得到了不同实验条件 下的阴极端面边界层电位降，随着电弧电流的增加，阴极边界层电位降有下降的 趋势，证明了阴极边界层压降随阴极电流密度升高而下降的理论结果。压降范围 为2 0 4 0 v ，高于一般收缩弧根压降1 0 2 0 v ，本实验的阴极弧根主要为扩散型， 是阴极边界层压降偏大的主要原因，且当电弧电流和外加轴向磁场较小时，阴极 弧根在约束型和扩散型之间快速变换( 变换周期小于l m s ) ，阴极电流密度快速 变化，阴极压降会出现较大的波动。 作者希望本文中对大尺度磁分散电弧等离子体的系统诊断，可以为其在日后 工业的应用提供参考。 关键词：静电探针大尺度磁分散电弧等离子体 摘要 i i a b s t r a c t a b s t r a c t a r cp l a s m a , w h i c hh a sb e e na p p l i e dt ot h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o nw i d e l y , h a u sm e c h a r a c t e r i s t i c so fh i g ht e m p e r a t u r ea n dc o n c e n t r a t i o no fe n e r g y h o w e v e r , s m a l l c r o s s s e c t i o n a la r e ao rl a r g eg r a d i e n t so fd i f f e r e n tp h y s i c a lp a r a m e t e r so ft h e a r c p l a s m ai m p o s er e s t r i c t i o n so nt h ea p p l i c a t i o n ss u c ha s s u r f a c et r e a t m e n t so fl a r g e a r e a s ，m a c r o s c o p i cp r e p a r a t i o n o fm a t e r i a la n ds o m eo t h e ra s p e c t s t h r o u g h i m p o s i t i o no fa ne x t e r n a l a x i a lm a g n e t i cf i e l dt ot h ec o a x i a l - t y p e a r cp l a s m a g e n e r a t o r , e v e nl a r g e s c a l e a r cp l a s m ac o u l db ep r o d u c e dt om a k eu p f o r a b o v e - m e n t i o n e dd e f i c i e n c i e s t h i sn e wt y p eo fa r cp l a s m a i ss t i l ln o tw e l l u n d e r s t o o dn o w a d a y s 。i nt h i st h e s i s ，w eu s e daw a t e r - c o o l i n ge l e c t r i c - p r o b e t o d i a g n o s et h el a r g e - s c a l em a g n e t i c a l l yr o t a t i n g a r c p l a s m a a n d g o t ad e e p e r u n d e r s t a n d i n go f i t i nt h i sr e s e a r c h ，w eh a v em a d ec o n t r a s t sa m o n g d i f f e r e n tt h e o r e t i c a lm o d e l sf o ra v a r i e t yo fe x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n se s t i m a t i n gt h ev a r i o u sp a r a m e t e r s ( d e b y el e n g t h ， t h ee l e c t r o n i cm e a nf r e ep a t h ，t h ep r o b ec h a r a c t e r i s t i cl e n g t he r e ) a n ds e l e c t e dt h e b e s tt h e o r e t i c a lm o d e lf o ro u re x p e r i m e n t s w eh a v em a d es y s t e m a t i cd i a g n o s t i c sa b o u tt h ee l e c t r o nt e m p e r a t u r e ，s h a p e ， f l u c t u a t i o na n dt h ec o n c e n t r a t i o no ft h ea r cp l a s m a t h r o u g hp o i n tb yp o i n td i a g n o s i s i n s i d et h ea r cp l a s m ag e n e r a t o r , w eg e tt h ee l e c t r o nt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n sa n dt h e s h a p e so ft h ea r cp l a s m au n d e rd i f f e r e n te x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s t h es h a p eo f t h ea r c p l a s m ah a sb e e nm o r ed i s p e r s i v ea n dt h ef l u c t u a t i o n sh a v eb e e ns m a l l e rw i t ht h e i n c r e a s eo fa r cc u r r e n ta n de x t e m a lm a g n e t i cf i e l ds t r e n g t h c o n t r a s t so f t h er e s u l t s b e t w e e nt h ee l e c t r i c - p r o b ed i a g n o s i sa n dt h el t em o d e ln u m e r i c a ls i m u l a t i o nh a v e b e e nm a d e i np l a s m as h a p e s ，i ts h o w sn i c ec o n s i s t e n c yw h i l e t h ee l e c t r o n t e m p e r a t u r ed i a g n o s e di sh i g h e rt h a n t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l tw h i c hi s c o n s i s t e n tw i t hm o s to ft h ep r e v i o u se x p e r i m e n t a l r e s u l t so b t a i n e db yo t h e r r e s e a r c h e r s t h ev o l t a g ed r o po ft h ec a t h o d eb o u n d a r yl a y e rh a sb e e na c q u i r e d t h r o u g ha p p r o a c h i n gt h ep r o b et ot h ec a t h o d e ( a b o u ti m mt ot h ec a t h o d es u r f a c e ) w e f i n dt h a tt h ev o l t a g ed r o pk e e p sd e c r e a s i n gw i t ht h ei n c r e a s eo ft h e 躺c u r r e n tw h i c h d e m o n s t r a t e st h et h e o r e t i c a lr e s u l t s t h er a n g eo fv o l t a g ed r o pi s2 0 4 0 vw h i c hi s h i g h e rt h a nt h a t ( 15 2 0 v ) w h e n t h ea r cr o o t so ft h ec a t h o d ea r ec o n s t r i c t e d t h em a i n r e a s o no ft h i sp h e n o m e n o ni st h a tt h ea r cr o o ti sd i f f u s e di nm o s to ft h ee x p e r i m e n t a l i i i a b s t r a c t p e r i o d t h eq u i c k l y - c h a n g e dc a t h o d ea r cr o o ts h a p e sb e t w e e nd i f f u s e da n dc o n s t r i c t e d m o d e sw i t l lt h es i m u l t a n e o u s l yq u i c k l y - c h a n g e dc u r r e n td e n s i t yg i v er i s et ot h el a r g e r f l u c t u a t i o n so ft h ec a t h o d ev o l t a g ed r o p st h a nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s t h ea u t h o rw i s h e st h ee x p e r i m e n tr e s u l t so ft h ee l e c t r i c p r o b ed i a g n o s t i c st ot h e l a r g e s c a l em a g n e t i c a l l yr o t a t i n ga r cp l a s m a sc o u l dm a k ear e f e r e n c ef o rt h ef u t u r e a p p l i c a t i o n so f i t k e y w o r d s ：e l e c t r i cp r o b e s ，l a r g e s c a l e ，m a g n e t i c a l l yr o t a t i n ga r c s ，p l a s m a 目录 目录 摘要。工 a b s t r a c t 。工i i 目录。v 第一章绪论1 1 1 等离子体简余1 1 。2 电弧等离子体。2 1 2 1 电弧等离子体2 1 2 2 大尺度磁分散电弧等离子体。4 l 。3 静电探针简介6 1 4 本文结构。8 第二章静电探针设计9 2 1 基本参数。9 2 2 静电探针诊断电路。1 l 2 。3 静电探针理论模型。1 1 2 3 1 静电探针理论模型选择1 2 2 3 。2 外加磁场对探针诊断的影响。1 4 2 4 碰撞鞘层模型下磁分散电弧等离子体参数的计算1 5 2 4 1 电子温度1 5 2 4 2 等离子体电位1 7 2 4 。3 电子密度1 8 2 4 4 等离子体密集度1 8 2 5 静电探针j 口- r n 作1 9 2 5 1 静电探针结构设计1 9 2 5 2 静电探针材料选择2 0 2 5 3 静电探针尺寸选择。2 l 2 5 4 静电探针热负荷计算以及冷却水流量的确定一2 1 2 6 数据采集系统2 2 2 7 实验中应该注意的细节。2 3 2 。7 1 静电探针表面污染：。2 4 v 目录 2 7 2 等离子电位波动2 5 2 7 3 静电探针冷却效应2 5 2 7 4 扫描信号频率选择2 6 2 8 本章小结2 6 第三章实验以及实验结果分析2 7 3 1 实验概况2 7 3 2电子温度分布及等离子体位形2 8 3 2 1 发生器轴线电子温度分布一2 9 3 2 2 发生器阴极和阳极之间电子温度分布及位形3 0 3 。3 等离子体密集度3 4 3 4 等离子体阴极电位降测量3 8 3 4 1 静电探针与阴极端面距离的确定3 8 3 4 2 实验分析3 9 3 5 本章小结4 3 第四章总结与展望。4 5 4 1 本文总结4 5 4 2 工作展望4 6 参考文献4 7 附录4 9 致谢5 7 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果5 9 v i 第一章绪论 1 。1 等离子体简介 第一章绪论 等离子体( p l a s m a ) 是由大量自由电子、离子以及中性粒子组成的非凝聚系统。 虽然等离子体内部存在大量荷电粒子，但是等离子体中的自由电子和离子在足够 小的时间和空间尺度上总体相当，因此等离子体总是呈电准中性。等离子体态又 被称为继固态、液态、气态之外物质存在的“第四态”，不过宇宙中9 9 以上的 物质( 恒星、星际空间、地球外围的电离层、闪电等等) 都是以等离子态存在， 因此等离子体态“第一大态”【l 】。 可以用诸多参量来描述等离子体，但是能够最基本地反映其本质的参量可以 分为两类：第一类是等离子体各种微观粒子的基本参数，如电子的质量以及离子 的电荷数等；第二类是描述整个等离子体宏观体系的参量，如电离度、电子密度、 电子温度等。作为一个体系而言，第二类参量( 宏观参量) 更具有实际意义，更 能描述清楚等离子体所处的状态。所以我们更关心等离子中电子的温度以及等离 子体密度等参数【引。 通常将等离子体分为高温等离子体和低温等离子体。高温等离子体为几乎完 全电离的等离子体，离子温度高达1 0 6 1 0 9 k ，如太阳、核聚变等；日常工业应 用中以低温等离子体为主，低温等离子体按重粒子温度差异还可分为冷等离子 ( c o l dp l a s m a ) 和热等离子体( t h e r m a lp l a s m a ) ： 1 冷等离子体 冷等离子体中的电子温度远高于气体和重粒子温度，电子温度往往高达几个 电子伏特甚至几十个电子伏特，而重粒子温度仅是室温。电子温度和重粒子温度 之间的偏差很大，冷等离子是非平衡性等离子体； 2 。热等离子体 热等离子体中的自由电子和重粒子碰撞频繁，相互之间能量得到了较好的传 递，所以热等离子体温度较高( 达到1 0 4 k ) ，重粒子温度高是热等离子体区别于 冷等离子体的一个很重要的特征，但是热等离子体仍然没有达到严格意义上的热 力学平衡，只能认为满足局部热力学平衡( l t e ) 。 本文研究的对象电弧等离子体属于低温等离子体的第二大类，即热等离子 体，在l a t m 下氩气电弧等离子体，电子温度和重粒子温度均超过1 0 4 k 。 第一章绪论 1 2 电弧等离子体 1 2 1电弧等离子体 1 8 0 8 年，d a v y 和r i t t e r 在两个水平碳电极之间炽然了电弧【2 】，此后电弧仅 仅作为新兴研究对象出现在科研领域，直到1 9 2 1 年，b e c k 成功引燃了大电流碳 弧，为电弧等离子体的应用创造了条件，与此同时，h e l l e r 和e l e n b a s s 提出了电 弧弧柱理论，为日后电弧技术的发展奠定了理论基础。 第二次世界大战后，制造加工业、电力工业等行业的迅速发展。由于电弧等 离子体具有高温度、能量集中等特点被广泛应用于这些领域。二十世纪五十年代， 电弧等离子体开始广泛应用于机械加工中的热加工，如电弧焊接、等离子体切割、 等离子体喷涂等；六十年代发展了大功率、长寿命的电弧等离子体发生器，使电 弧等离子体应用于直接生产制作金属陶瓷粉末、各种难熔金属的熔炼等方面，为 材料科学的发展作出了很大的贡献；七十年代，全球石油危机极大地推动了电弧 等离子体在能源领域的应用，如煤粉等离子体点火、煤的气化等【2 】。 喷涂材料供给 图1 1电弧等离子体应用于喷涂示意图 一般来说，电弧可以划为三个区域，阳极区( 阳极边界层) 、弧柱区、阴极 区( 阴极边界层) f 2 】，如图1 2 所示。通常情况下，弧柱区的电场强度接近为常 数，般大小为1 0 - 5 0 w c m ，图1 2 中弧柱区的电压曲线基本上为一条直线，。 而电极区( 阳极区和阳极区的空间尺度都非常小，在一个标准大气压下大约为 1 0 。6 m ) 的电场强度比弧柱区就要大得多，数量级可以达到1 0 6 w c m ，主要是由 于电极区存在净电荷层，也就是“鞘层 第一章绪论 ， _ i 上。- | i f i - i ti l r 牲i u 1 c ，； l 9 阴极区弧柱阳极区 图1 2 电弧弧区划分示意图 可以根据多种方式对电弧等离子体进行分类：按电弧的稳定形式分为壁稳 弧、自由弧和气稳弧等；按等离子体工作气压分为高气压电弧( p 1 0 5 p a ) 、低气 压电弧( 1 p a p 1 0 5 p a ) 以及真空电弧( p 0 ) ，即所 谓的“饱和电子流区 ，如图1 8 中c 部分；当探针电位略低于等离子体电位时， 此时静电探针吸收离子，排斥电子，但是由于电位差不是太大，探针仍可以收集 到电子，此时探针收集到的电流为电子电流和离子电流的混合电流，也就是所谓 的“过渡区 ，如图1 8 中b 部分；当探针电位与等离子体电位足够大时，探针 只收集到离子电流，即“饱和离子流区”，如图1 8 中a 部分( i 0 ) 。由于离子 质量远大于电子质量，离子迁移性、扩散性远小于电子，故静电探针收集到的饱 和离子流远小于静电探针收集到的饱和电子流i l ”。 静电探针工作区间范围如下【1 1 , 1 3 1 ： 1 0 2 c m 3 h d 轨道限制厚鞘 丸 d + h c o l l i s i o n l e s s 以f d h 经典薄鞘 h 以f d小探针碰撞厚鞘 丸 d 丸f 碰撞厚鞘 ( 1 0 c a l ) d h 丸f 碰撞薄鞘 d 也f h 无碰撞薄鞘 从表2 1 中可以看出，通过等离子体的几种参量( 电子平均自由程k 、鞘层 厚度h ) 以及静电探针特征尺寸d 的比较可以确定静电探针诊断理论模型。在选 择合适的模型之前，须对这几种参数进行估算，确定其数量级，进行比较后最终 确定静电探针理论模型。针对我们实验状况，进行如下估算： 本实验的实验对象为大尺度扩散弧发生器所产生的氩气等离子体，工作气体 为氩气，工作压强p = 1 0 1 3 1 0 5 p a ，作如下假设： 重粒子温度t i = 15 0 0 0 k ，电子温度t 。= 2 e v = 2 3 2 0 0 k 。 1 平均自由程k 电子与中性粒子碰撞频率公式【1 0 1 ： v a p ) = v o p ( e l z l y 其中对于氩气【l o 】： y = 3 ，1 ，o = 1 2 8 木1 0 8 s 一1 p a ，占】= 11 2 e v ，将 p ：1 0 1 3 木1 0 5 p a ，占= 2 e v 代入上式得： 第二章静电探针的设计 v a g ) = 1 1 5 1 0 1 2 s 。 则c a 子与中性粒子碰撞平均自由程： 2 = v v a - 案器一。5 m 1 。1 5 术1 0 1 z 电子与电子碰撞频率( 电子满足麦克斯韦分布) ： 旷( s ) = 1 5 4 * 1 0 - n n e 扣 5 1 7 罔 其中，电子密度采用陈熙【3 】书后附录l a t i n 下热力学平衡氩等离子体数据 他= 1 8 4 1 0 2 3 矿，t 。单位为e v ，代入数据，计算出电子与电子碰撞频率( 电子 满足麦克斯韦分布) ： v e e g ) = 5 1 1 0 1 1 s 。 库伦碰撞自由程： , t e 。= 1 0 5 x 1 0 - sx 蒜警观3 7 川m 所以综合得电子碰撞自由程： 1l1 丸丸。九 丸1 7 2 7 * 1 0 。m 下图为y a n g 1 6 】所绘制的关于1 a 衄下氩气电弧等离子体的基本参量一电子平 均自由程、离子平均自由程以及德拜长度的分布范围。 m ) 。 磊 磊嘏。警l # k f 蔫膏雄焉l 拶l 矿 、， 纛 _ ：釜主三；：；毒 ：= 盖 蕾 纛 狐一l 秭 a 8 露9 0 0 0 弱 潞弼6 露 1 a 瓣1 翳 萄谨3 电子温度w k 图2 5 热等离子体电子、离子平均自由程和德拜长度分布范围( 横坐标一电子温度t j k ) 第二章静电探针的设计 2 德拜长度b 根据第一章中德拜长度的定义，对于氩气而言： 如= ：6 9 匡 、他 代入t e = 2 3 2 0 0 k ，n e = 1 8 4 10 2 3 1 1 1 一： 2 4 5 x 1 0 m 对照图2 4 ，数量级一致。由于鞘层厚度数倍于德拜长度，鞘层厚度h 1 0 a , d = 2 4 5 1 0 7 m 。 3 静电探针特征尺寸d 实验中使用的静电探针为平面状，探针端面半径为0 4 r a m ，按照上述平面状 静电探针特征尺寸计算公式计算可得d 3 1 4 1 0 4 m 。 通过以上计算，得到了本次静电探针诊断对象等离子体的基本参数以及所用 静电探针的特征尺寸的数量级： 电子平均自由程九。1 0 巧m 德拜长度b 1 0 。8 1 t i 鞘层厚度h 1 0 。7 m 静电探针探针尺寸d , - 10 - 4 m 通过比较可以得到： d 力。 h 由图2 5 可知，离子平均自由程k ( 1 0 7 1 0 。6 ) m ，与鞘层厚度数量级相当， 所以不能确定离子通过鞘层是是否发生碰撞，不能确定各种参量会否会严格满足 下式： d t ，f h 但是可以基本确定的是电子通过鞘层时不会发生碰撞( 只要鞘层厚度小于某 种粒子的平均自由程的一半，就可以认为该粒子通过鞘层时无碰撞 1 】) ，即探针 收集电子时，对于电子而言，鞘层是“无碰撞薄鞘”。 2 3 2 外加磁场对探针诊断的影响 由于本文静电探针诊断对象为磁分散电弧等离子体，即实验时对等离子体施 加轴向的磁场，而磁场给探针诊断带来的影响较明显：无磁场时电子的平均自由 程为k ，当给等离子体施加外磁场时，带电粒子在磁场b 中绕磁场作拉莫尔回 1 4 第二章静电探针的设计 旋运动，此时电子的平均自由程会变化为无，这会对静电探针理论模型的选择 产生影响。 根据磁场对带电粒子平均自由程的影响，可以将磁场对静电探针特性的影响 分为三个程度：弱磁场、中等强度磁场以及强磁场【”】。 1 。弱磁场 等离子体满足么以，以时，外加的磁场不会对带电粒子的平均自由程产生 影响，不会影响静电探针理论模型的选择，只是探针收集到的饱和电子电流变小， 而仍然可以通过过渡段半对数曲线的斜率求取等离子体电子温度，此时可以认为 磁场对静电探针收集特性产生的影响忽略不计。 2 中等强度磁场 等离子体满足k 以，以，为第一种情况，即磁场影响可以忽略不计。 2 4 碰撞鞘层模型下磁分散电弧等离子体参数的计算 2 4 1 电子温度 由于实验中静电探针为平面型探针，所以本文中的静电探针均以平面探针为 例。由于平面探针特征尺寸远大于鞘层厚度，因此可以作一维化处理。静电探针 实验数据反映的是探针所在位置且未受探针插入干扰的等离子体的信息，也就是 与静电探针鞘层紧紧相邻的等离子的信息。由于等离子体中电子速度分布满足麦 克斯韦分布( m a x w e l ld i s t r i b u t i o n ) ，同样，与鞘层紧紧相邻的等离子体中的自 由电子的速度分布同样满足麦克斯韦分布： 第二章静电探针的设计 m e v x 2 f ( v x ) 叫彘儿面 由于紧挨着鞘层的自由电子必须得克服鞘层的电位降才能到达静电探针表 面，从而被静电探针吸收，如下图所示： 2 廑l 厂 图2 6 探针表面收集电子示意图 即自由电子的x 方向( 如图2 6 ，取垂直于静电探针表面的方向为x 方向) 的速度必须满足( 假定自由电子在通过鞘层时不发生碰撞，即电子的平均自由程 大于鞘层厚度) ： v x ，2 = 毒咒c 轰尸2 e 甍? 工= 唧卜面e a v ，了刀c 彘尸2 e 鼍也 ， 1 e = 百e 他 e x p 卜瓦e a v ) - l e o 毗脊) 上式中的i 即为图1 8 中c 部分的电子饱和电流。 计算电子温度： 卜爿掣h e m va 蚓o n l ) = 爿等 第二章静电探针的设计 通过上式可知探针u 1 n i 曲线( u i 曲线的半对数曲线) 的过渡段斜率与等 离子体的电子温度t c 唯一相关 1 1 , 1 3 。 由于电子温度的计算的基础是鞘层外等离子体中的电子速度满足麦克斯韦 分布，而且分析结果显示只要等离子体中的电子的速度分布满足麦克斯韦分布， 则静电探针特征u i 曲线过渡段的半对数曲线u h 是一条直线( 如图2 7 所示) ， 所以通过观察静电探针特征曲线的半对数曲线是否是直线来判定所诊断的等离 子体中的电子速度分布是否满足麦克斯韦分布【l 】。 重s 龟器 美5 孓0 一z 5 丘 点2 0 嚯5 唾o 氇s 弱毒8逻s 探针电压v 图2 7 静电探针u - l n i 曲线 计算上图中直线的斜率k ，通过下面公式便可计算得到静电探针所在位置的 电子温度t e l l , 1 3 , 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 7 , 2 5 】： r = 三 。 船r 上式中e 为单位电荷，k b 为波尔兹曼常数。 同时上图数据点拟合直线时，直线和数据点吻合度越高，说明等离子体中的 电子能量分布越接近麦克斯韦分布，反之，吻合度越低，说明电子能量分布偏离 麦克斯韦分布越大。 2 4 2 等离子体电位 计算等离子体电位主要有两种方法，“作图法 以及“悬浮电位修正法”。作 图法确定等离子体电位较方便：从静电探针特征u i 曲线过渡区和电子饱和电流 第二章静电探针的设计 区反向延长线的交点所对应的电压值即为等离子体的电位【1 3 】。但是当静电探针 应用于热等离子体诊断时，由于热等离子体中电子密度很大，自由电子热运动非 常剧烈，导致静电探针表面鞘层的破坏【1 4 】，静电探针u i 曲线很难出现电子饱和 段，此时，无法使用作图法计算等离子体电位，只能使用悬浮电位修正法计算等 离子体电位 1 5 , 1 6 , 1 7 】： + 剐警 1 2 其中m i 为离子质量，为m 。电子质量，v f 为探针悬浮电位，v d 等离子体电位。 使用悬浮电位修正法计算等离子电位时等离子体中的电子须满足麦克斯韦 能量分布【1 8 】。 2 4 3 电子密度 离子饱和电流可以经由静电探针特征u i 曲线直接读取。但是由于离子平均 自由程( ( 1 0 7 1 0 西) m ) 很小，与鞘层厚度相当，很难确定离子经过鞘层时产生的 碰撞对离子饱和电流带来何种影响，故离子饱和电流的公式适用性( 重复性) 很 差，即使相同的实验条件，都不能完全通用，所以对于电弧等离子体，使用静电 探针诊断电子密度会产生很大误差【1 5 1 ，所以本实验暂不考虑对电弧等离子体的 电子密度进行诊断，计算时需要用到电子密度数据以实际实验状况查表为准 3 1 。 2 4 4 等离子体密集度 在本实验中探针采集的电流除了有大小波动之外，很多时候出现间断一即探 针无电流现象，如图2 8 所示，图中t 2 和t 4 段为探针接触到冷气气泡，而t l 、t 3 、 t 5 段为探针接触到等离子体。分析原因可能是：在同轴电极磁旋转电弧等离子体 中，在外加同轴磁场作用下，电弧等离子体高速旋转流动，会存在对外部冷气卷 吸而产生的冷气气泡，当探针电流接收表面接触冷气气泡时，探针无电流信号， 采集的静电探针电流信号中会出现不连续，间隔大小可能与冷气泡的大小相关， 因此可以根据探针信号间隔时间和等离子体流速来估算冷气气泡的大小。 依据探针所测电流信号连续情况，我们可以判断等离子体出现在该区域的疏 密程度，用等离子体密集度”来表示： 有等离子区域所占时间 “ 静电探针采集总时间 1 数值越大，说明等离子体越稠密，等离子体中的冷气气泡越少，反之，越 第二章静电探针的设计 小，说明等离子体越稀疏，等离子体中冷气气泡越多。 等离子体体密集度q 还可以反映等离子体波动程度，q 越小，说明等离子体 中冷气气泡越多，波动性会随之变大，而当”较大时，等离子体比较稠密，波动 会相应减小。 图2 8 中的密集度t 1 ： ”= ! ! 刍垒 t 1 + t 2 + t 3 + t 4 + t 5 i i ! b ia l il ib i ii a ； 1 1 i a - 有等离子休区域 ：b 呒等离子区域 l ：t 4 ：t s ： lii 5 4 45 4 65 4 85 5 05 5 2 5 5 4 5 5 65 5 85 6 05 6 2 时间w m s 图2 8 静电探针信号区域划分示意图 2 。5 静电探针加工制作 2 。5 1 静电探针结构设计 由于静电探针诊断对象为大气压下的氩气电弧等离子体，温度较高( 可以达 到1 0 4 k 以上) ，实验中静电探针须伸入到等离子体中与高温等离子体接触，所以 实验中使用的静电探针须进行水冷处理，否则实验中探针很快便会被烧损。实验 中使用的静电探针采用双层套管式水冷设计，冷却水由内层进入，外层排出，如 下图所示，探针前端采用可拆卸式设计，即前端探针收集电流部分可以替换，这 种设计的优点是可以替换不同尺寸的探针头，节约加工成本。可拆卸部分的材料 为紫铜，其余部分为不锈钢。探针采用高压水泵( 水压可达到4 m p a ) 进行水冷 5 器 鑫 o 嚣 o 5 嚣 卷 。 菇 d 娩 趔 毒 硌 差溪誓_il_黼鞲整惫 第二章静电探针的设计 循环以防探针被烧坏。除探针前端截面( 即电流接受面积) ，其余部分喷涂0 2 m m 厚的耐高温陶瓷保护层，喷涂陶瓷的目的：一是确定电流接受面积；二是起隔热 层作用，减小探针的热负荷。 前蛊特写 图2 9 探针结构示意图 2 5 2 静电探针材料选择 图2 1 0 静电探针实物图 静电探针电流收集部分的材料一般为高熔点金属材料，最常见的就是钨( 钨 的熔点约为3 4 1 0 0 c ) ，但是由于钨表面电子逸出功( 钨表面逸出功约为4 5 5 e v ) 较小，导致实验时容易发生电子发射现象，同样的实验条件，钨探针热发射电子 现象很严重( 如图2 i i ( a ) 所示) ，而铜探针基本看不见热电子发射( 如图2 “ ( b ) 所示) ，探针发射电子会给后期的实验数据分析带来不便【2 3 1 。本实验中选 用紫铜作为探针前端电流收集部分的材料，基于三方面的考虑： 1 铜表面电子逸出功较大( 约为7 3 3 e v ) ，实验中不易出现发射电子现象； 2 紫铜( 紫铜的导热系数约为3 9 8 w ( m k ) ) 导热性能比钨( 钨的导热系数约为 1 7 9 w ( m 蚰) 强，试验中紫铜更能够发挥水冷效果： 3 紫铜相对于钨，更容易加工。 2 0 第二章静电探针的设计 ( a ) 僵) 图2 1 1 静电探针电流信号 2 5 3 静电探针尺寸选择 ( a i 钨探针( b ) 铜探针 按照静电探针“经典无碰撞薄鞘理论 ，探针特征尺寸应该越小越好，只有 当探针的特征尺寸小于等离子体中电子平均自由程和离子平均自由程时，探针插 入对等离子体的影响方可忽略不计【1 3 1 。由前面计算可知，电子平均自由程数量 级为1 0 石m ，离子平均自由程数量级为1 0 。7 m ，实际操作中制作直径小于1 0 。7 m 的 难度较大，而且实验时电弧等离子体温度达1 0 0 0 0 k ，前端探针太细，水冷效果 会很差，探针很容易烧毁，而且探针采集电流时需要一定的电流收集面积。综合 这三方面因素，实验中使用的静电探针的半径为0 4 r a m 。 2 5 4 静电探针热负荷计算以及冷却水流量的确定 实验过程中，将静电探针置于等离子体中，探针外管表面与等离子体直接接 触，等离子体绕流过探针外管，此时探针外表面与等离子体之间的传热属于圆柱 表面的对流换热。而探针的热负荷即为实验室等离子体传递给探针外表面热量。 计算中选用丘吉尔( s w c h u r c h i l l ) 和朋斯登( m b e m s t e i n ) 提出的流体掠过 单根圆柱管准则式【2 4 】： 2 1 呈1霉髯霄糠 噎置蠢罨誊避譬纛 第二章静电探针的设计 n u = 0 3 + 篇羔品 1 + ( 旦2 8 2 0 0 0 ) 5 ，8 4 ，5 l + ( o 4 p n 驯3 1 “ 、 7。 上式的定性温度为( t w + 心2 。 对于诊断对象，首先将等离子体温度设为1 0 0 0 0 k ，探针由于水冷冷却作用， 可认为壁温t w _ 3 1 3 k 左右，忽略管壁内部产生的温度梯度，故定性温度近似取 5 0 0 0 k 。通过查表【3 】得到氩气在5 0 0 0 k 时的各种基本物性参数，即可算出雷诺数 r e 和普朗特数p r ，代入上面公式中算出努赛尔数n u 。 努赛尔数也可写作： = h d k 联立上面二式求出平均对流换热系数h 。 等离子体对探针外管的对流传热速率为： q