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，高 阳，杨德明，傅迎庆

(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)

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)

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Hβ谱线，使用其Δλ1/2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。

热喷涂等离子体；发射光谱；电离程度；电子密度

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ArⅠ430.01 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ArⅠ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Hβ谱线的Δλ1/2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。

2 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 mm［2，13］。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。

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0.5μm，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。

图2 光谱测量系统Fig.2 Setup of the emission spectroscopy diagnostics

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Hβ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。

图3 Hβ的发射光谱谱线轮廓Fig.3 Profile of Hβspectrum

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：

式中，I1(Δλ)和I2(Δλ)为两种不同的展宽机理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：

式中，ne为电子密度，α1/2为离子加宽参数。Hβ谱线(486.13nm)处的Δλ1/2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α1/2值导致电子密度计算误差在±(15%～20%)之间。Joshi等［6］通过经验修正公式(4)，采用Hβ谱线(486.13 nm)处的Δλ1/2计算了等离子体射流中电子密度沿喷嘴出口轴向的变化情况，并与由式(3)计算的结果进行对比，发现两者基本一致。

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］：

式中，ne为电子密度，Te为电子温度(单位为eV)，ΔEmn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：

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Saha方程［15］来计算：

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对比法和多谱线斜率法进行计算［16］。本实验室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。

3 结果与讨论

图4为等离子体射流在喷嘴出口、轴向不同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1.81×1015cm-3减小到8.77×1014cm-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× 1014cm-3增加到700 A时的6.42×1015cm-3。

图4 电子密度随探测距离和电流强度的变化趋势Fig.4 Evolution 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15 L/min、电流为700 A时，距离喷枪出口轴向不同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5 不同电流强度下的等离子体射流照片Fig.5 Photos of plasma jet under different current intensity

图6 探测距离变化对电子密度的影响Fig.6 Effect of detection distance on the electron density

图7 功率与电子密度的关系Fig.7 Relationship of power and electron density

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，所以电子密度增加。

图8为氩气流量为40 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。

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 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 ionization

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。

图10 氢气流量对等离子体电离程度的影响Fig.10 Effect of H2 flow rate on the degree of ionization

4 结 论

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Hβ谱线(486.13 nm)处的Δλ1/2，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。

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Spectroscopic M ethod for M easurement of Electron Number Density on DC Arc Plasma Jet Under Low Pressure Conditions

SUN Cheng-qi1，2，GAO Yang1*，YANG De-ming1，FU Ying-qing1
(1.College of Transportation Equipmentsand Ocean Engineering，Dalian Maritime University，Dalian 116026，China；2.Navigation College，Guangdong Ocean University，Zhanjiang 524088，China) *Corresponding Author，E-mail：gaoyang@dlmu.edu.cn

The characteristics of the low pressure direct current arc thermal spray plasma jet were analyzed by using optical emission spectra.The effects of different power levels，flow rates of H2and detection distance on the electron number density of the thermal spray plasma jetwere investigated. The electron number density of the plasma jetwas determined usingΔλ1/2of Hβ(486.13 nm)line. At 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 that the electron number density and ionization degree of the plasma increase with the increasing of the input power，and the increasing of H2flow rate can enhance the energy of the plasma jet，but has a little effect on the degree of ionization.

thermal spray plasma；emission spectroscopy；degree of ionization；electron number density

1000-7032(2015)01-0088-06

TG403

A

10.3788/fgxb20153601.0088

2014-10-18；

2014-11-20

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

book=93,ebook=96

孙成琪(1979-)，男，辽宁庄河人，博士研究生，2005年于大连海事大学获得硕士学位，主要从事大气、低压和超低压条件下热喷涂等离子体射流特性光谱诊断方面的研究。E-mail：46792393@qq.com

高阳(1958-)，男，辽宁沈阳人，教授，博士生导师，1990年于日本北海道大学获得博士学位，主要从事热喷涂技术、等离子喷枪开发、等离子射流特性的测量与分析等方面的研究。E-mail：gaoyang@dlmu.edu.cn