低压下直流电弧热等离子体射流电子密度的光谱法测量.docx

低压下直流电弧热等离子体射流电子密度的光谱法测量孙成琪1，2 ，高阳1* ，杨德明1 ，傅迎庆1( 1 大连海事大学 交通运输装备与海洋工程学院，辽宁 大连 116026; 2 广东海洋大学 航海学院，广东 湛江 524088)摘要:采用原子发射光谱仪研究低压直流电弧热喷涂等离子体射流的特性。利 用 Stark 展 宽 法 采 集 H 谱线，使用其 1 /2 来计算等离子射流中的电子密度，研究了氢气流量、输入功率和探测距离对等离子体射流中电子密度的影响。使用 Saha 方程计算热等离子体的电离程度，研究了功率 / 氢气流量与等离子体电离程度的 关系。结果表明: 电子密度和电离程度随着电流强度的增大而增加; 氢气流量增加可以明显提高等离子体射 流的能量，但对电离程度影响不大。关 键 词:中图分类号:热喷涂等离子体; 发射光谱; 电离程度; 电子密度文献标识码:DOI: 10 3788 / fgxb20153601 0088TG403ASpectroscopic Method for Measurement of ElectronNumber Density on DC Arc Plasma Jet Under Low Pressure ConditionsSUN Cheng-qi1，2 ，GAO Yang1* ，YANG De-ming1 ，FU Ying-qing1( 1 College of Transportation Equipments and Ocean Engineering，Dalian Maritime University，Dalian 116026，China;2 Navigation College，Guangdong Ocean University，Zhanjiang 524088，China)* Corresponding Author，E-mail: gaoyang dlmu edu cnAbstract: The characteristics of the low pressure direct current arc thermal spray plasma jet wereanalyzed by using optical emission spectra The effects of different power levels，flow rates of H2 and detection distance on the electron number density of the thermal spray plasma jet were investigatedThe electron number density of the plasma jet was determined using 1 /2 of H ( 486 13 nm)lineAt the same time，the degree of ionization was analyzed using Saha equation，and the effects of H2flow rate and arc electric current on the degree of ionization were discussed The results show thatthe electron number density and ionization degree of the plasma increase with the increasing of the input power，and the increasing of H2 flow rate can enhance the energy of the plasma jet，but has a little effect on the degree of ionizationKey words: thermal spray plasma; emission spectroscopy;degree of ionization; electron number density子喷涂的环境压力一般为 2 10 kPa，环境的低压使从喷枪 出 口 的高温等离子体射流区域得到延 长，提高了等离子体射流的速度，但等离子射流密 度变 小，喷枪外部等离子体的加热能力会降 低2-3。尽管低压等离子喷涂的涂层已经在工业1引言近 30 年来，热等离子体喷涂技术得到了迅猛发展。低压等离子体喷涂因为能够克服金属基涂 层沉积过程中的氧化而备受关 注1。低 压 等 离收稿日期: 2014-10-18; 修订日期: 2014-11-20基金项目: 国家自然科学基金( 51172033) ; 大连海事大学船机修造工程交通行业重点实验室开放课题( CJXZ201303) ; 中央高校基本科研业务费专项资金 ( 3132014078，3132014323) 资助项目第 1 期孙成琪，等: 低压下直流电弧热等离子体射流电子密度的光谱法测量89中得到了广泛的应用，但是低压下热等离子体射流的特性还有待进一步了解。等离子体射流中温 度、速度和电子数密度直接影响着喷入粉末的加 热与加速，有关低压热喷涂等离子体射流温度和 速度特性前人已经进行了一些研究，但是对电子 数密度的研究还非常少，而电子数密度是确立热 喷涂等离子体电离平衡与能量转移的一个非常重 要的参数，热喷涂等离子体中原子的激发、电离和 化学反应都与电子密度直接相关4-5。热喷涂等离子体电子数密度的诊断方法主要 有朗缪尔探针法和发射光谱法。朗缪尔探针法需 要把探针放入等离子体射流中，这会对射流产生 影响; 而发射光谱法是一种非介入方法，通过对原 子发射谱线的线型和展宽的分析和计算来得出等 离子体的电子密度6-9。S Yugeswaran 等10通过 采用 Ar430 01 nm 的展宽，计算了大气压力下 直流电弧等离子体的电子密度，并分析了氩气流 量和输入功率对电子密度的影响。屠 昕 等11 根 据 Ar谱线的 Stark 展宽计算得到了大气压力直 流电弧等离子体的电子密度，同时对热等离子体 的局域 热 力 学平衡状态进行了分 析。 董 丽 芳 等9，12近年来采用光谱法对介质阻挡放电产生的 等离子体的特性进行了大量的实验和理论研究， 并取得了丰硕的成果。本文使用发射光谱仪测量 了不同条件下的低压热喷涂等离子体射流中的辐 射光谱的谱线 强 度，并通过经验公式结合 H 谱 线的 1 /2 对等离子体射流中的电子密度进行计 算，研究等离子体电子密度的演变情况。另外，如 果等离子体满足局域热力学平衡条件，可以使用 Saha 方程计 算 热 喷 涂 等离子体的电离程度。本 文还分析了功率和氢气流量对低压热喷涂等离子 体的电离程度的影响。其压力达到 2 10 kPa。然后，向喷枪中通入氩气并启弧，氩气可以稳定喷嘴中的电弧，但氩气比焓 低。接着向喷枪中通入氢气，氢气具有高的热导 率，比焓高，可以增强对颗粒的传热效果。实验分 为 3 组: 首先保持气体流量不变，研究不同探测距 离下输入功率对电子密度的影响; 然后保持气体 流量和输入功率不变，研究电子密度随着喷枪出 口轴向距离的变化情况; 最后研究氢气流量变化 对低压等离子体电子密度和电离程度的影响。详 细实验条件如下:真空室压力: 5 10 kPa; 电流: 400，500，600，700 A; 电 压: 33，40，43，47，50，53，58 V; 功 率:23 2，29，34 8，40 6 kW; 氩气流 量: 40 L / min; 氢 气流量: 2，4，6，8，10，12 L / min; 探 测 距 离: 150，200，250，300，350，400，450 mm。50 mm图 1 低压下等离子体射流的照片Fig 1 Photo of plasma jet under LPPS发射光谱仪采用荷兰爱万提斯生产的四通道光纤光谱仪( AvaSpec-2048-4-USB2 ) ，光谱仪的光 栅波长测量 范 围 为 200 1 020 nm，狭 缝 宽 度 为0 5 m，光栅的线数为 1 200 lines / mm，波长分辨 率为 0 2 nm。光谱仪带有前照式的 CCD 探测器 ( SonyILX-554B) ，其像素为 4 2 048。实 验 前 需 要对发射光谱仪进行校正和标定。等离子体喷枪 通过三维行走装置可以上下移动，采用光谱仪对 等离子体射流轴向的辐射强度进行测量，测量系 统如图 2 所示。Moving devicePlasma torch2实验装置和测量方法2 1实验设备与测量装置大连海事大学热喷涂研究中心新近开发了低 压 / 超低压等离子体喷涂与沉积系统，其设备的核 心是等离子体发生器。它是由铜阳极一个喇叭形 的喷嘴和涂钍钨阴极构成，阳极与喇叭形的喷嘴 之间由绝缘层相连接，铜阳极的直径是 6 mm，长 度为 20 mm2，13。图 1 为低压下等离子体射流的 照片。低压环境使等离子体的射流径向膨胀，轴 向延长。在实验中，首先对低压喷涂室抽真空，使ViewerOptical fiberDetectorComputerSubstrateSpetrometerSupport Vacuum chamberLPPS system图 2 光谱测量系统Fig 2 Setup of the emission spectroscopy diagnosticsPlasma jet90发光学报第 36 卷最后，采 用 Plasus SpecLine 软件对各种原子 和离子的峰值进行标定识 别 和 评 价。图 3 为 H 谱线( 486 13 nm) 处 的 谱 线 轮 廓，试 验 条 件 为 氩 气流量 40 L / min，氢气流量 15 L / min，功率为 40 6 kW，探测点为距喷枪出口轴向 250 mm 处。所决定的谱线线型函数，通过卷积线型和实验线型的拟合，再经过反卷积将洛伦兹线型和高斯线 型分离开来8-9，然后由式( 1) 得到 Stark 展宽，进而可以计算等离子体的电子密度。对于类氢类原子，Stark 展宽与电子密度的关 系6如下所示:92 /3，( 3)1 /2= 2 5 101 /2 ne1000式中，ne 为 电 子 密 度，1 /2 为离子加宽参数。H谱线( 486 13nm) 处的 1 /2 可以用来计算等离子 体的电子密度，离子加宽参数是由 Griem 等 给 出 的。电子密度的计算误差主要是由离子加宽参数引起的，一般说来，不同 1 /2 值导致电子密度计算误差在 ( 15% 20% ) 之 间。Joshi 等6 通 过 经5000485.5486.0486.5487.0姿 / nmH 的发射光谱谱线轮廓验修正公式( 4) ，采用 H 谱线 ( 486 13 nm) 处的计算了等 离 子 体 射流中电子密度沿喷嘴出 图 31 /2Fig 3 Profile of H spectrum口轴向的变 化 情 况，并 与 由 式 ( 3 ) 计 算 的 结 果 进行对比，发现两者基本一致。2 2 测量原理发射光谱是非接触式测量技术，在测 量 过 程 中不会对等离子体射流本身产生干扰。发射光谱测量的等离子体谱线中包含了大量的等离子体特 性的信息，如等离子体电子温度、电子密度和重粒 子温度等14。本文采用原子发射谱线的 Stark 展 宽来计算等离子体射流中的电子密度，它只与等离子体的电子密度有关，而与热等离子体是否处 于热力学平衡状态无关。谱线的轮廓蕴含着大量的信息。在等离子体 射流中存在大量的电子和离子，快速电子和慢速离子 形 成 电 场，这会使谱线的线型加宽，称 之 为Stark 加宽，谱线的加宽还受到 Doppler 效 应 和 仪 器分辨率的影响。在本文所研究的等离子体射流中，Stark 加宽是主要的加宽机制。实验测 量 的 谱 线 中 总 Lorentzian 展 宽8-9 表 示如下:= 16 017 + 1 452log1 /2 ，( 4)logne另外，热等离子体是否满足局域热力学平衡状态的必要条件，可以通过下式进行判断11:14 1 /233ne 1 4 10Te( Emn )cm =1 89 1014 cm 3 ，( 5)式中，ne 为 电 子 密 度，Te 为 电 子 温 度 ( 单 位 为eV) ，Emn 为辐射跃迁的高低能级的能量差( 单位 为 eV) 。热等离子体中存在着多种 形 式 的 粒 子，包括电子、处于未激发态的原子和一次电离及多 次电离的粒子等，原子和离子的电离与复合反应时刻进 行 着。在氩氢混合热喷涂等离子体射流 中，存在如下电离复合反应:Ar Ar + + e，Ar + Ar + + e，+ eH + + e。H2等离子体的电子密度 满 足 公 式 ( 5 ) ，说 明 热等离子体处于局域热力学平衡状态。处于局域热 力学平衡状态的热等离子体的电离程度可以使用totallStarknatural，( 1)= 1 /2 + 1 /21 /2式中，totallStark1 /2 为总的 Lorentzian 展宽，1 /2 为 Stark15Saha 方程 来计算:展宽，natural为自然展宽。热喷涂等离 子 体 属 于1 /2213 /2Di = ( 3 10 / ne ) Texp( Vi / T) ， ( 6)式中，Di 为等离子体的电离程度，ne 为电子密度，T 为重离子的温度，Vi 为氩原子的一次电离能( 电 离反应以氩原子的一次电离为主) 。对于处于局域热力学平衡态的热等离子体而言，电子温度与重离子温度相等。电子温度可以采用双谱线强度高密度等离子体，其自然展宽一般可以忽略。谱线的线型用高斯展宽和洛伦兹展宽的卷积来 表示:+ 0= I( )I1 ( ) I2 ( ) d( ) ，( 2) 0式中，I1 ( ) 和 I2 ( ) 为两种不同的展宽机理 16对比法和多谱线斜率法进行计算 。本 实 验 室Intensity / a. u.Ar 40 L/min H2 15 L/min 700 A 250 mm第 1 期孙成琪，等: 低压下直流电弧热等离子体射流电子密度的光谱法测量91对热喷涂等离子体的电子温度进行了系统研 究17，本文中所用到的电子温度数据来源于以前 的研究结果。400 A3结果与讨论图 4 为等离子体射流在喷嘴出口、轴 向 不 同700 A探测距离时的电子密度随电流强度的变化趋势，在探测距离为 450 mm 时，随着电流强度从 400 A 增加到 700 A，电子 密 度 从 1 81 1015 cm 3 减 小 到 8 77 1014 cm 3 。在探测距离为 350 mm 时， 电流强度变化对电子密度的影响趋势与 450 mm 时基本一样。当探测距离进一步减 小 到 250 mm 时，电子密度先随电流强度的增加而略有降低，在 电流强度超过 600 A 后，电子密度 会 增 加。当 探 测距离为 150 mm 时，随着电流强度的增加，热等 离子体的电子密度迅速升高，从 400 A 时的 7 21 1014 cm 3 增加到 700 A 时的 6 42 1015 cm 3 。图 5 不同电流强度下的等离子体射流照片Photos of plasma jet under different current intensityFig 576543210-1250 300 350 400 450 500Axial position / mm100150 20076543210-1350 mm图 6探测距离变化对电子密度的影响Fig 6Effect of detection distance on the electron density探测距离处的电子密度。从图中可以看出，当探测距离小于 250 mm 时，随着距离的增加，等离子 体的电子密度迅速降低; 当探测距离大于 250 mm 后，电子密度随着距离的增加略有降低; 当距离大 于 300 mm 后，距离的增加对等离子体电子密度 的影响不大。图 7 为功率对电子密度的影响，实 验 条 件 为 氩气流量 40 L / min、氢 气 流 量 15 L / min、探 测 距 离 150 mm。由图可知，随着功 率 的 增 加，电 子 密 度迅速增加。这是因为功率增加意味着等离子体 射流的能量增加，电子和离子的碰撞加剧，所以电400500600I / A700图 4 电子密度随探测距离和电流强度的变化趋势Fig 4Evolution of electron density with detection distance and current intensity从以上分析 可 以 看 出，距 离 喷 嘴 越 近，电 流对电子密度的影 响 就 越 明 显。电流增加即功率 增加时，等离子体 射 流 获得的能量增多，在 喷 枪 的喷嘴内 和 喷 枪 出 口 处，电子和离子的碰撞加 剧，电子的 温 度 和电子的能量密度都会迅速增 加，表现为电子的密度迅速增加。在 距 离 喷 嘴 较远的地方，由于 真 空 室 的 低 压，功 率 的 增 加 很 容易使等离子体射流延长，从 400 A 和 700 A 时 拍摄的 射流长度对比可以很好地说明这一点 ( 图 5 ) 。虽然等离子体中的电子能量会增加，碰 撞加剧，但是由于 等 离 子体变得更加稀薄，反 而 导致了电子密度降低。图 6 为氩气流量为 40 L / min、氢气流量为 15L / min、电流为 700 A 时，距离喷枪出口轴向不同76543210-1303540452025Power / kW图 7 功率与电子密度的关系Fig 7 elationship of power and electron densityElectron density / (1015 cm-3)15-3Electron density / (10 cm )Electron density / (1015 cm-3)Ar 40 L/min H2 15 L/min 150 A 150 mm 250 mm450 mmAr 40 L/min H2 15 L/min 700 A92发光学报第 36 卷子密度增加。图 8 为 氩 气 流 量 为 40度来决定。从图中可以看出，等离子体电离程度随等离子体射流输入电流的增加而增加。这是由 于电流增加即等离子体的输入功率增加，等离子 体的温度升高，等离子体的电离也会增加。图 10 为探测距离为 250 mm 时，不同氢气流 量下的等离子体的电离程度的变化。氢气流量变 化对电离程度的影响比较复杂: 氢气流量增加时， 电弧电压会增加，等离子体的能量增加，电离会加 强; 但是，增加氢气流量可以拉长等离子体射流， 这在低压环境中更加明显，电子和离子的复合会 加强，电离程度又会削弱。L / min、电 流 强 度 为500 A、探 测 距 离 为 250 mm 时，不 同 氢 气 流 量 对电子密度的影响。随着氢气流量的增加，等离子 体的电子密度略有增加。氢气能提高等离子体的 热导率，增加电弧对喷嘴的传热，从而降低电弧的 温度及电导率，提高电弧区的电场强度。从图中 可以看出，保持电流不变，氢气流量增加时，喷枪 的输入功率会增加。氢气流量的微小增加可以显 著提高电弧电压，也就是说氢气的增加可以提高 等离子体射流的能量，电子的能量密度增加，碰撞 加剧，电子密度会提高。另外，氢气流量的增加可 以拉长等离子体的电弧，这在低压环境中将更加 明显。等离子体的射流延长后，等离子体将变得 更加稀薄，电子密度将会减少。在以上两个因素 的影响下，等离子体的电子密度随着氢气流量的 增加呈现波浪式上升的现象。-5Ar 40 L/min 500 A 250 mm23.5 kW-10-155.0-20024681012144.8H2 flow rate / (Lmin-1)4.6图 10氢气流量对等离子体电离程度的影响Fig 10 Effect of H flow rate on the degree of ionization24.44.24结论4.002468101214使用发射光谱仪对低压等离子体射流特性进行了研究，测量了距离喷枪出口不同轴向距离处 的等离子炬的辐射谱线，通过 Stark 展宽法，使用 H 谱线( 486 13 nm) 处 的 1 /2 ，计 算 了 喷 枪 不 同输入功率下等离子体的电子密度。同时，使用 Saha 方程计算了不同电流强度和氢 气 流 量 下 的 热等离子体的电离程度。得到结果如下: 当探测 点离喷嘴较近时( 150 mm) ，电流强度增加使等离 子体的电子密度明显增大; 而当探测点离喷嘴较 远( 350 mm、450 mm) 时，电流强度的增加对等离 子体的电子密度影响不大。氢气流量增加时，等 离子体的能量会增大，同时等离子体的射流会明 显延长，共同的作用使等离子体射流的电子密度 略有增加。热喷涂等离子体的电离程度与弧电流 有关，随着电流强度的增加，等离子体的电离程度 会明显增强。氢气流量变化对电离程度的影响比 较复杂，但总体上看，等离子体的电离程度受氢气 流量的影响不大。H2 flow rate / （Lmin-1）图 8 氢气流量对电子密度的影响Fig 8 Effect of H2 flow rate on the electron density图 9 为 探 测 距 离 为 150 mm 时，功 率 对 热 等离子体电离程度的影响。等离子体的电离过程主 要是由等离子体射流的温度、电子密度和气体密-52-10-15-202030354025Input power / kW图 9 功率变化对等离子体电离程度的影响Fig 9 Effect of power on the degree of ionizationlog ( Degree of ionizationl )Electron density / ( 1014 cm-3)log ( Degree of ionizationl ) Ar 40 L/min H 15 L/min 150 mmAr 40 L/min 500 A 250 mm29 kW20 kW 21.5 kW 25 kW16.5 kW23.5 kW 25 kW16.5 kW29 kW20 kW21.5 kW第 1 期孙成琪，等: 低压下直流电弧热等离子体射流电子密度的光谱法测量93参 考 文 献:1 Pawlowski L The Science and Engineering of Thermal Spray Coatigs M Hoboken: John Wiley Sons，2008: 543-5852 Gao Y，Yang D M，Sun C Q，et al Deposition of YSZ coatings in a chamber at pressures below 100 Pa using low-power plasma spraying with an internal injection powder feeding J J Thermal Spray Technol ，2013，22( 7) : 2013-12533 Pfender E Thermal plasma technology: Where do we stand and where are we going? 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