Experimental study on dispersing behavior of direct-current arc in anode chamber

直流电弧与冷电极表面的相互作用导致近电极表面区等离子体的行为极其复杂。由于电弧温度一般超过万度，并且由于直流非转移式电弧发生器结构和空间的限制，电弧在电极表面贴附行为的原位观察和检测很困难，至今相关研究报告不多，对其认知还极为有限。 发射光谱诊断技术广泛应用于热等离子体流场的诊断。针对实验室在大气压条件下产生的直流非转移分散电弧等离子体：弧电流80-120A、纯N2和纯Ar及N2-Ar混合气体、气流量5.6-30slm，本研究采用沿发生器阳极轴线方向分布的多路细孔限束光纤，组合TRIAX 550光谱仪系统，主要检测阳极腔内氮分子（337.1nm）、氮离子（594.1nm）、氮原子（746.8nm）、氮分子离子（388.4nm、391.4nm）等谱线强度的轴向变化。进而对光强以及激发温度沿发生器轴向的变化与等离子体运行参数的关系进行了分析。 研究结果表明，在N2-Ar混合气体放电时，氮分子、氮离子、氮分子离子的谱线强度在喉道出口附近最强，随着远离喉道，强度逐渐变弱。随着气流量的增加，在距喉道出口3mm~18mm范围内，氮分子、氮原子、氮分子离子的谱线强度有增加的趋势；随着发生器运行功率的增加，在喉道位置，氮分子、氮离子的谱线强度有增强的趋势，表明功率的增加增强了电弧对气体的加热作用。在纯N2放电时，谱线强度分布规律与N2-Ar混合气体放电时基本一致。激发温度的检测结果表明，N2-Ar混合气体放电时，喉道出口附近的激发温度最高，随着远离喉道，温度逐渐降低；纯Ar放电时，在阳极腔测量范围内，激发温度整体稳定在约11000K。 自制了一组探针测量系统，获得了一些阳极表面电流密度数据。结果表明：纯Ar放电时，电流密度在距喉道出口约1mm处最大；N2-Ar混合气体放电时，电流密度在距喉道出口约5mm处最大。氮气的加入以及总气流量增加，使得弧根向扩张段下游移动。随着弧电流的增加，弧根贴附区域的电流密度增大，而贴附范围改变不明显。 关键词：直流非转移分散电弧，光谱检测，激发温度，电流密