四．怎么产生热等离子体？

在“人间”产生热等离子体的方法有很多，比如电击穿；射频放电；微波激发；
冲击波；激光；高能粒子流；甚至高温加热的手段。在实验室和工业界，目前常
见的有以下四种热等离子体产生装置，行话叫“炬”(火把的意思)：

1。直流等离子体炬 (d.c. torch)
2。转移电弧枪(trasfer arc)
3。感应等离子体炬(inductively coupled plasma torch)
4。微波等离子体炬(microwave plasma torch )

右边的彩色图片是常见的直流等离子体炬的实物和剖面原理图。

前面讲了闪电就是一种等离子体。天阴的日子，滚滚黑云里会积累电荷，这电荷
是高空中气体碰撞所产生的。当电压达到30000 伏以上的时候，原本不导电的空
气就会被击穿，形成电弧通道，空气被电弧加热成为等离子体，就是炫目的闪电。
还记得本杰明·弗兰克林和他的风筝么？他老先生在18世纪，甚至就明明白白地
告诉人们，雷雨云靠地面的一面往往是带负电的。

直流等离子体炬的原理实在与闪电相似，不过产生的等离子体却是连续的。在圆
锥形的阴极电极和圆筒形的阳极电极间打出电弧(电流约几十至几百安培)，由阴
极后方导入的气体(通常是惰性气体氩气，Ar), 立即被电弧的高温激发，变成等
离子体， 从圆筒形的阳极电极的远阴极的洞口喷出， 形成等离子体火焰的射流
(plasma＿jet)。所以圆筒形的阳极电极有时也被叫作喷嘴。 圆锥形的阴极通常
用难熔金属钨(搀少量钍(Th)以增强热电子发射率)制造，而阳极为铜。因为电弧
的根打在阳极上，阳极电极需要强制水冷。在直流等离子体炬操作时，弧根在电
路稳定原理和气体动力学的作用下，是沿着圆筒的内壁前后移动并高速旋转的。
这样，铜阳极不至立刻被电弧烧坏。为了进一步延长直流炬的使用寿命，较复杂
的直流等离子体炬还用加磁场控制的方法加速弧根旋转。直流等离子体炬体积小，
产生的等离子体能量密度高，是非常实用的等离子体源。在结构上，连接拖带的
只有两根电缆和气管水管，所以可以方便地装在机器手上，完成各种任务。如果
作简单的等离子体喷涂工作，有时工人就直接握在手里干了。

转移电弧枪产生等离子体的原理与直流等离子体炬相同，但当等离子体形成以后，
依靠电路控制，把阳极转移到炬外的导电基体上。这样电弧很稳定，而且对所处
理的(作为外电极使用)材料发出的热通量很大。由于可以拉长电弧，形成的等离
子体的功率可以很高。工业上有兆瓦级(1-10MW)的转移电弧装置。转移电弧枪多
用于切割，表面涂覆、金属冶炼、有害废料处理等方面。近年来，利用转移电弧，
以工业化规模制备金属纳米粉末，以及进一步合成碳化物、氮化物等纳米材料，
也取得了长足的进展。

基于电弧的热等离子体技术，要寻根得话，都有百年历史了。电弧等离子体技术
的主要缺点是要用金属电极材料，因此一般所能使用的等离子体气体只限于那些
惰性气体和还原性气体，比如Ar─He，Ar─H2, 或者N2等等。对于许多要求氧化
气氛或其它有腐蚀性的化学工艺，它们就无能为力了。某些工艺对产品纯度要求
很严，不能容忍电极材料的微量污染，直流电炬也不能用。再一个问题是电极的
使用寿命，虽有水冷，也就几百小时左右，增强维修成本。在某些应用项目上，
一旦电极烧穿漏水，还可能造成爆炸危险。另外由于等离子体火焰在高温下的黏
度很高，对于使用直流等离子体炬作喷涂来讲，如何把原料粉末从侧面送进等离
子体火焰内，也不是容易的事。

感应等离子体炬和微波等离子体炬都是无电极发生等离子体的装置。下图是常见
的感应等离子体炬实物和剖面原理图。

先复习一下中学的物理实验课。一根两头接到电池正负极上(当然带个开关)的电
线绷直了，下边摆个指南针。把开关迅速地接通再断开，发现指南针随着摆动了
一下。由此证明，电流的变化会产生磁(楞次定律)。到大学再学《电磁学》，知
道这还不算完，那产生的磁通量一变，还能产生电。所以热处理工业上，用个通
高频电流的螺旋线圈套住工件，产生的趋肤电流和工件本身电阻一起按欧姆定律
发出焦耳热，就把工件“烧”得红红的，达到热处理的目的。这技术也是百年历
史了。1961年，科学家瑞德(T。B。Reed)首次用石英管中流动的气体，代替工件
的位置，在射频电流的作用下，得到了稳定的等离子体。这就是现代感应等离子
体炬的滥觞。为了有效地离解气体分子，电流频率必须足够高。现在一般都是用
的2～4MHz的射频(Radio─Frenquency)源来激发感应等离子体。所以文献上比较
完整的称呼，往往是射频感应耦合等离子体。

感应等离子体炬有很多长处。首先它没有电极，等离子体是被气流和水冷的石英
管或陶瓷管约束在炬中并向外喷射的，因此它不仅可以使用惰性和还原性气氛，
还可以使用氧化性气氛，甚至有腐蚀性的气体作为等离子体气体，而且没有电极
材料沾污的忧虑。第二，由于这种空心圆筒构造，欲处理的粉末材料或液相原料
乃至气相原料，可以从轴向引入，这点对于充分促进高温等离子体和材料之间的
热传导是非常有利的。第三，感应热等离子体的体积比较大，温度梯度比直流电
弧等离子体小，即均匀性好。第四，感应热等离子体的速度比直流电弧等离子体
小一个数量级，材料在等离子体中滞留时间长，可以得到充分的加热。缺点是等
离子体的能量密度较低，整个装置的电力耦合效率也较低。不过最近使用全固体
电路的发生器(传统的是用大功率射频振荡电子管)可以大大改善这个参数。

最后说一下微波等离子体发生装置。微波的振荡频率比上述射频高得多，目前实
验室常用的微波源是2．45GHz。微波所携带的能量 (行进波放电，TWD)也可以电
离气体生产等离子体。但微波的传播必须在波导管中实现，所以微波等离子体炬
必须集成在微波回路里，这是一个在使用灵活性方面的先天缺陷。由于行进波与
等离子体相互制约，且行进波迅速衰减，等离子体的性质不够均匀。而且能见到
的微波等离子体发生装置的功率都比较小(小于30kW)。微波等离子体发生装置目
前在科研院校实验室作化学气相淀积的比较多，也有用来作纳米粉末的。但作为
工业大规模生产的装置，看来还有较长的路要走。