一種低氣壓下產(chǎn)生感應(yīng)耦合熱等離子體的裝置與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種熱等離子體的產(chǎn)生裝置和產(chǎn)生方法，更具體地，本發(fā)明涉及在低氣壓下，采用氬氣為等離子體生成氣，氬氣/氮?dú)?氧氣作為保護(hù)氣，采用射頻電源作為驅(qū)動(dòng)源，產(chǎn)生并維持感應(yīng)耦合熱等離子體的裝置與方法。
【背景技術(shù)】
[0002]感應(yīng)耦合熱等離子體是制備納米顆粒和微米球形粉末理想的熱源和化學(xué)反應(yīng)源。一方面它具有且能保持極高的溫度(3000 K-10000 K);另一方面它包含了高能電子、離子、激發(fā)態(tài)原子、自由基等活性粒子；此外，區(qū)別于電弧熱等離子體，它不受電極污染，是非常潔凈的熱等離子體。
[0003]感應(yīng)耦合熱等離子體通常是在大氣壓下產(chǎn)生的。產(chǎn)生裝置為采用單層或者雙層的石英管作為約束等離子體的約束管，管外放置一通以射頻級(jí)電流的同軸感應(yīng)線圈，感應(yīng)線圈與射頻電源相連。等離子體的產(chǎn)生可描述如下，將氬氣通入約束管，并啟動(dòng)電源給感應(yīng)線圈施加電流，這時(shí)，將一特斯拉火花發(fā)生器置于管內(nèi)或者貼于管壁面，同時(shí)在線圈上加入高壓?；鸹ǚ烹姰a(chǎn)生的種子電子受到電場(chǎng)的加速，與氣體分子發(fā)生碰撞，這些獲得能量的分子同時(shí)吸收感應(yīng)線圈產(chǎn)生的電磁場(chǎng)能量，繼續(xù)加速并與周圍的分子發(fā)生碰撞，這一過(guò)程在短時(shí)間內(nèi)急速發(fā)生，最后將全部氣體電離，從而產(chǎn)生等離子體。這種等離子體裝置的設(shè)計(jì)和產(chǎn)生方式只能在大氣壓下進(jìn)行。
[0004]大氣壓下產(chǎn)生的感應(yīng)耦合熱等離子體在合成新材料或者球化金屬粉末過(guò)程中，顆粒不可避免的會(huì)與腔室內(nèi)殘存的氧氣、氮?dú)獍l(fā)生反應(yīng)，即顆粒會(huì)發(fā)生氧化或者氮化現(xiàn)象，這對(duì)合成尚品質(zhì)的新材料是不利的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，避免氧化和氮化現(xiàn)象的發(fā)生，提高所合成材料的品質(zhì)和性能，本發(fā)明提供了一種在低氣壓下產(chǎn)生感應(yīng)耦合熱等離子體的裝置與方法，可在低氣壓下，低氮氧含量環(huán)境下產(chǎn)生穩(wěn)定的感應(yīng)耦合熱等離子體。
[0006]本發(fā)明所述的一種低氣壓下產(chǎn)生感應(yīng)耦合熱等離子體的裝置是采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:一種低氣壓下產(chǎn)生感應(yīng)耦合熱等離子體的裝置，包括等離子體發(fā)生裝置以及上端開(kāi)口且側(cè)壁上設(shè)有觀察窗的不銹鋼腔室；所述等離子體發(fā)生裝置包括一個(gè)豎直設(shè)置在不銹鋼腔室上端口的雙層陶瓷管以及環(huán)繞在雙層陶瓷管外壁的感應(yīng)線圈，感應(yīng)線圈的兩端連接有射頻電源；雙層陶瓷管的上端口密封設(shè)有端蓋，端蓋上設(shè)有與雙層陶瓷管的內(nèi)外夾層相連通的循環(huán)冷卻水入口 ；端蓋下方固定有一個(gè)位于內(nèi)層陶瓷管之中的石英管；端蓋上設(shè)有與石英管相連通的等離子體生成氣入口 ；端蓋上還設(shè)有與內(nèi)層陶瓷管和石英管之間的夾層相通的保護(hù)氣入口 ；雙層陶瓷管內(nèi)外夾層在下端口處密封，內(nèi)層陶瓷管下端口則密封連接在不銹鋼腔室的上端口上，不銹鋼腔室側(cè)端連接有真空抽氣設(shè)備。
[0007]本發(fā)明采用雙層陶瓷管作為產(chǎn)生和約束等離子體的主體裝置，其好處是可有效增加耐熱性和耐沖擊性。根據(jù)帕邢定律，氣體的擊穿電壓Vs是氣壓P和電極間距d的函數(shù)。d—定，Vs只與氣壓有關(guān)，即最小擊穿電壓依賴于合適的氣壓。據(jù)此，將不銹鋼腔室處于一定氣壓下，由等離子體生成氣入口通入惰性氣體氬氣作為等離子體生成氣，利用施加到感應(yīng)線圈的高壓將氬氣擊穿，導(dǎo)電的氬氣吸收電磁場(chǎng)能量使放電區(qū)擴(kuò)大，形成等離子體。在氣流的作用下，等離子體沿著內(nèi)層陶瓷管的下端口(即約束管口)噴射至不銹鋼腔室。
[0008]點(diǎn)燃等離子體后即刻由保護(hù)氣入口加入保護(hù)氣，在等離子體和內(nèi)層陶瓷管間形成一層氣膜用以保護(hù)內(nèi)層陶瓷管免受熱沖擊。此時(shí)，等離子體并未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。加入適量的等離子體生成氣氬氣的同時(shí)增加電源的輸出功率確保等離子體運(yùn)行在穩(wěn)定的狀態(tài)。最后調(diào)節(jié)真空抽氣設(shè)備達(dá)到應(yīng)用所需的不銹鋼腔室壓力。
[0009]本發(fā)明所述的一種低氣壓下產(chǎn)生感應(yīng)耦合熱等離子體的方法是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:一種低氣壓下產(chǎn)生感應(yīng)耦合熱等離子體的方法，包括以下步驟:首先利用真空抽氣設(shè)備將不銹鋼腔室內(nèi)的氣壓維持在32-40 kPa ;其次由離子體生成氣入口通入氬氣作為等離子體生成氣，氣流量為2.0 m3/h ;逐漸升高射頻電源的陽(yáng)極電壓，當(dāng)陽(yáng)極電壓達(dá)到6-7 kV，陽(yáng)極電流突變，且大于5A時(shí)表示已點(diǎn)燃等離子體；增加電源的輸出功率的同時(shí)由保護(hù)氣入口加入保護(hù)氣，所述保護(hù)氣為氬氣、氮?dú)?、氧氣中的其中一種；調(diào)節(jié)等離子體生成氣流量和不銹鋼腔室氣壓，以維持穩(wěn)定的等離子體。這里的調(diào)節(jié)是通過(guò)觀察窗不銹鋼腔室內(nèi)的等離子體的穩(wěn)定性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
[0010]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是克服了只能在大氣壓點(diǎn)燃感應(yīng)耦合熱等離子體的弊端，實(shí)現(xiàn)了在低氣壓密閉空間內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)耦合熱等離子體，有效避免顆粒在熱等離子體處理過(guò)程中的氧化和氮化現(xiàn)象，為熱等離子體在密閉腔室內(nèi)的材料處理提供技術(shù)基礎(chǔ)。本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)生等離子體流程簡(jiǎn)易，產(chǎn)生的等離子體極為穩(wěn)定，且是可控的。
【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1是本發(fā)明所述的低氣壓下產(chǎn)生感應(yīng)耦合熱等離子體的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]101是射頻電源，采用電子管式射頻電源。
[0013]102是感應(yīng)線圈，在其中通入射頻電流，用以激發(fā)快速變化的電磁場(chǎng)。
[0014]103是保護(hù)氣入口，用以通入保護(hù)氣(氬氣/氮?dú)?氧氣)。
[0015]104是等離子體生成氣入口。
[0016]105是循環(huán)冷卻水入口，用以冷卻陶瓷約束管。
[0017]106是石英管，用以通入等離子體生成氣，和隔離保護(hù)氣。
[0018]107是雙層陶瓷管，它是約束等離子體的主體裝置。
[0019]108是不銹鋼腔室。
[0020]109是真空抽氣設(shè)備。
[0021]110是感應(yīng)耦合熱等離子體。
[0022]圖2是感應(yīng)耦合熱等離子體產(chǎn)生及維持流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]—種低氣壓下產(chǎn)生感應(yīng)耦合熱等離子體的裝置，包括等離子體發(fā)生裝置以及上端開(kāi)口且側(cè)壁上設(shè)有觀察窗的不銹鋼腔室108 ;所述等離子體發(fā)生裝置包括一個(gè)豎直設(shè)置在不銹鋼腔室108上端口的雙層陶瓷管107以及環(huán)繞在雙層陶瓷管107外壁的感應(yīng)線圈102，感應(yīng)線圈102的兩端連接有射頻電源101 ;雙層陶瓷管107的上端口密封設(shè)有端蓋，端蓋上設(shè)有與雙層陶瓷管107的內(nèi)外夾層相連通的循環(huán)冷卻水入口 105 ;端蓋下方固定有一個(gè)位于內(nèi)層陶瓷管之中的石英管106 ;端蓋上設(shè)有與石英管106相連通的等離子體生成氣入口104 ;端蓋上還設(shè)有與內(nèi)層陶瓷管和石英管106之間的夾層相通的保護(hù)氣入口 103 ;雙層陶瓷管107內(nèi)外夾層在下端口處密封，內(nèi)層陶瓷管下端口則密封連接在不銹鋼腔室108的上端口上，不銹鋼腔室108側(cè)端連接有真空抽氣設(shè)備109。雙層陶瓷管107同時(shí)設(shè)有與內(nèi)外夾層相連通的循環(huán)冷卻水入口和出口，與外部冷卻水供給裝置相連接形成回路，