级联式热等离子体炬放电原理研究与实验

This project presents a thermal plasma generator with cascaded discharge model.The novel discharge is at least made up of two discharge units, by which the arc jet of former unit provides electrons to the next to induce discharge of the next unit. By this way, the plasma power is sustained by two or more discharge units,the discharge current is shared by several electrodes, and it avoids the electrodes from ablation by high current density. With plasma sheath principle, to investigate the particular discharge character and transient response of hole-cathode that cascaded discharge has uniquely, calculate the important physical quantities of the space charge density, current density, cathode potential, sheath thickness and charge track in cathode sheath, reveal the physical picture and law in transient response and steady discharge of cascaded model,it is propitious to provide scientific and technical basis for developing and operating High-Power and Long-Life plasma torch.

提出一种新型的级联式等离子体炬放电模式，由两个以上的放电单元构成，前一放电单元电弧射流提供下一单元放电需要的初始电子，以此类推，级联放大。使放电电流由多个工作电极分担，放电电压在多个电极上分配。以此降低电极承受的热负荷和溅射强度，可望从根本上避免传统的等离子体炬因电流密度过大导致的电极溅射或烧蚀，实现长时间稳定运行。用等离子体鞘层理论，电、磁方程，带电粒子运动方程和相关物理原理研究这种模式特殊的空心阴极独有的放电特征和启动暂态响应，计算空心阴极表面电荷密度、电流密度、阴极电位、阴极区厚度、带电粒子运动轨迹等重要物理参量，揭示级联式放电模式启动和稳态运行的物理图像和规律，为开发大功率下稳定运行的热等离子体炬提供可靠的科学依据和设计思想。

热等离子体作为一种特殊的热能产生手段在许多领域得到应用，但我国尚缺乏大功率、长期稳定工作、高能量转化效率的此类设备。本项目用多级电源驱动多电极放电的方法产生热弧等离子体解决此问题。主要完成的研究内容为：1）级联式等离子体放电原理理论研究，2）放电气体馈给方式的流体力学计算，3）防止电极烧损的等离子体发生器通道结构设计及实验验证。重要结果为：1）放电原理研究给出了热等离子体放电近阴极结构，电弧通道结构，发生在电极上的固定能量损失和发生在通道壁上的可变能量损失的解析表达式，2）根据流体力学计算表明适当的放电通道结构加旋风式整体气体馈给方式，可提高等放电稳定性和减少壁面能量损失。3）实验验证了多级放电可行性，热弧主通道壁采用绝缘材料可行性，以及绝缘材料主通道几何形状与放电稳定性的经验关系。新型等离子体发生器研究基本完成，今后的工作重点是选择耐溅射的材料作电极，以便提高器件长期稳定工作寿命。