武 森，李占贤

（1.华北理工大学 机械工程学院，河北 唐山 063210；2.河北省工业机器人产业技术研究院，河北 唐山 063210）

0 引言

真空电弧放电所产生的金属等离子体由于含有足够高浓度的金属离子，而且具有定向运动的特性，在离子束表面分析、脉冲等离子体推力器、离子沉积／注入等领域具有广泛的应用［1－2］。另外，真空电弧也是电力系统研究真空电弧断路器特性的模型体系［3］。本文旨在文献［4］中有关低气压金属电弧的相关工作基础上，进一步确定基于实验室已有金属放电结构进行低气压金属电弧等离子体实验的实验参数，并通过合理的设计对已有结构进行改良，以降低击穿放电的允许实验气压，延长放电时间。

1 金属等离子体原发生器重复实验

以文献［4］的工作数据作为实验参数设置参考，起初设定的第一次实验参数为：气压p＝8.1×10－1Pa、电压U＝70V、电流I＝30A。金属等离子体发生器结构如图1所示，为了减小实验影响因素，仅采用紫铜作为实验中的电极耗材，电极放电尺寸如图2所示，实验现象如图3所示。其他参数不变，图4为电流参数设置为40A时的实验现象。采用高压击穿的方式引弧（高压点火电压9kV），因为冷却水温度越低，实验中带走的热量越多，越不利于电弧维持稳定，所以重复实验时冷却水设置为20℃。以此为基础实验参数，由于低气压金属电弧等离子体实验的目的是实现金属在低气压乃至真空环境下的放电，并探索金属等离子的形貌特点和参数特性，所以重复实验的第一步是复现或找到最低的起弧气压，之后在最低气压下通过调节电流电压，找到能维持金属电弧相对稳定的实验参数作为结构优化后初始实验参数。

经过实验，确定最低起弧气压为280Pa，相对适合的电压、电流参数为70V、40A。

2 金属等离子体发生器的电极结构优化与实验研究

本文经过大量的文献调研，得到在同轴结构中，喷嘴状阳极相比于筒状阳极在放电时能形成更高的电场强度，利于阴极材料表面的电子场致发射，从而可以使得击穿所需要的电压降低。在本实验中电极结构为同轴型，阳极结构也看作反向喷嘴状，因此设计的新阳极结构如图5所示。

图1 金属等离子体发生器结构

图2 阴阳极放电尺寸

在改良阳极的同时，对阴极结构也进行了改良，将阴极顶端由平面改为60°锥角，如图6所示，更有利于电子的发射。

通过对电极结构进行改良，新的电极布置如图7所示，经过多次实验探索，成功将起弧的最低气压由原来的280Pa降为了50Pa，即气压在50Pa之下无法击穿起弧。实验现象如图8所示。

图3 放电过程1（p＝280Pa，U＝70V，I＝30A）

图4 放电过程2（p＝280Pa，U＝70V，I＝40A）

图5 新阳极结构尺寸

图6 新阴极耗材结构尺寸

图7 优化后电极位置示意图

3 金属放电等离子体新的引弧方式

高压击穿为阴极的电子提供了一条能够到达阳极的路径，使电源和设备之间形成电流回路，从而使实验电路形成了稳定的通路。由于目前的低气压环境，阴阳极间稀薄的气体具有很低的介电系数，致使电源的点火电压无法击穿，形不成电流通路。因此，如果能找到一种介电系数高的材料作为引弧丝置于电极之间代替稀薄气体介质，在实验时能轻易被击穿或熔化，为金属等离子体的形成提供最开始的通路，即有可能解决上述问题，并且实验气压将不再是影响金属等离子体产生的关键因素，而是影响等离子体形貌的相关因素。

图8 电极优化后的放电过程（p＝50Pa，U＝70V，I＝40A）

按照上述实验思路，考虑到气压可能并不影响引弧的效果，所以设置气压为实验所能达到的最低气压。电压、电流、冷却水温度依然按照基础参数设置。关于引弧丝的选取，考虑到熔点低与实验室易得等特点，实验选取铅丝作为实验引弧丝。考虑到电极间的布置能稳定地放置引弧丝，因此引弧实验采用新型喷嘴状阳极和顶端为平面的柱状阴极，如图9所示。

图9 引弧丝与电极位置示意图

实验气压p＝10－3Pa，采用引弧丝铅丝进行实验，得到了很好的效果如图10所示，即开始放电时，焊锡熔化喷出如图10（a）的白色（铅、锡等离子体的颜色）等离子体射流，与此同时其为电极之间提供了通路，阴极铜开始熔融气化喷出，观察如图10（b）的绿色等离子体射流喷出，出现与之前低气压实验无异的波动现象，在40s的波动区后，铜等离子体稳定喷出如图10（c）、图10（d）所示。与之前现象不同的是，真空条件下稳定的金属电弧未成簇状而是弥散状，其颜色较之前稍暗。

4 结语

本文设计了用于产生低气压、小电流金属电弧放电的等离子体发生器，采用了喷嘴状阳极和60°锥角圆柱状阴极的结构设计，之后采用位于两电极间的金属丝实现引弧（此时阴极为圆柱状无锥角）。实验结果表明：采用该等离子体发生器而未用金属丝引弧时，能够在环境压强p＝50Pa、弧电流I＝40A条件下产生稳定的金属电弧放电；采用金属丝引弧，能够在环境压强p＝10－3Pa、弧电流I＝40A条件下产生稳定的金属电弧放电，并从发生器喷口喷出形成稳定的等离子体射流。

图10 放电过程图4（p＝10－3 Pa，I＝40A）