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1.5 電弧放電

電弧放電是氣體放電的一種重要形式。對于電弧放電現象的研究已有200多年的歷史,最早記錄的是英國化學家戴維(1810年左右)利用伏特電池組在兩個水平碳電極之間產生的放電,因碳電極之間的發光部分向上彎曲并呈拱形而將其命名為電弧(arc)。早期主要研究電弧的伏安特性,20世紀30年代后,隨著實驗技術的改進,開始建立起電弧放電的理論模型。

電弧放電的用途很廣。根據電弧放電的高溫特性,可用于對難熔金屬進行切割、焊接和噴涂;利用其發光特性,可用來制造高亮度、高光效的放電燈,如高壓汞燈、高壓鈉燈、金屬鹵化物燈等;利用其電流密度大、陰極位降低的特性,可制造熱陰極充氣管(如閘流管、整流管)和汞弧整流器;在固體和氣體激光器中,可應用電弧放電作為泵浦源;還可用電弧放電法原位清洗光學元件。在某些場合,電弧是有害的,需采取措施滅弧,比如高氣壓脈沖激光器中要求大體積的均勻輝光放電,不允許產生電弧放電。

1.5.1 電弧放電的基本性質和特征

從氣體放電伏安特性曲線可知,利用減小外電路電阻增加輝光放電中的電流強度,起初只是陰極發射電子的面積增大,而電極間電壓保持不變(正常輝光放電情況)。到反常輝光放電后,如果電流繼續增加,極間電壓經過一個最大值后急劇下降,并過渡到低電壓、大電流放電,這就是電弧放電。

對于電弧放電,給出嚴格的定義比較困難。但是從放電的電特性來看,電弧放電是一種陰極位降低、電流密度大、溫度和發光度高的氣體放電現象。

電弧放電有以下幾個特征。

①電流密度大 電弧放電正柱區的電流密度可達106A/m2或更高,陰極位降區的電流密度為106~1010A/m2,而輝光放電的電流密度為10~100A/m2

②陰極位降低 一般來說,電弧放電的陰極位降量級為10V,而輝光放電的陰極位降量級為100V。一般情況下,電弧放電的陰極位降遠遠低于輝光放電的陰極位降。不過也有例外,如高氣壓的長弧放電管,其總壓降可高達千伏以上。

③溫度和發光度高 電弧放電時呈現弧狀白光并產生高溫。尤其是高氣壓電弧的正柱區,發光度非常高,這個特性已被用來作為照明光源。

1.5.2 電弧的分類

①按氣壓分類,有高氣壓電弧(p>105Pa)、低氣壓電弧(1Pa<p<105Pa)、真空電弧(p<1 Pa)。

②按陰極電子發射機理的差異劃分,有自持熱陰極電弧、自持冷陰極電弧、非自持熱陰極電弧。自持熱陰極電弧放電來自等離子體的熱負載導致陰極高溫,在陰極上產生強烈的熱電子發射;自持冷陰極電弧放電又稱場致發射,基于陰極表面強電場的隧道效應引起冷電子發射;非自持(人工)熱陰極電弧放電,從外部人為地把陰極加熱至高溫,引起熱電子發射。

③按不同弧長劃分,有長弧和短弧。長弧中弧柱起重要作用;短弧長度在幾毫米以下,陰極區和陽極區起主要作用。

④按電弧的穩定形式劃分,有管壁穩定電弧、自由電弧(對流穩定與電極穩定)、氣流穩定電弧。

⑤按氣體的種類劃分,有氬弧、氫弧等。

⑥按電極材料劃分,有炭弧、銅弧等。

⑦按電源劃分,有直流電弧和交流電弧。

1.5.3 電弧的啟動

電弧放電與輝光放電不同。電弧放電具有低電壓、高電流密度的特征,而輝光放電的特征卻是高電壓、低電流密度。要完成這兩種不同放電間的過渡,與如何啟動電弧有直接關系。啟動電弧通常有4種辦法。

(1)電極相互接觸后迅速分離的方法啟動電弧。

把兩個電極接觸,隨即分開,只要回路電壓足以維持放電,就可以啟動電弧。

如果有一個或兩個電極可移動,當兩個電極之間加上一定的電壓后,讓兩個電極接觸。假如電極是高熔點材料,則電路短路時的大電流流過電極之間的接觸點,使接觸點溫度升高。在電極分離的瞬間,兩個電極之間既存在電場作用,又能使陰極產生熱電子發射,因而形成了電弧。假如陰極是低熔點材料,則短路時的大電流流過電極之間的接觸點使陰極材料發熱而強烈蒸發,陰極表面附近蒸汽密度可以增加得很高,在電極分離的瞬間,就形成了由于場致發射而產生的電弧。

如果兩個電極都不能移動,則可以外加一個金屬或石墨小棒作為輔助電極,使之與陰極接觸后迅速分離,在輔助電極與陰極之間先產生電弧,然后再使電弧過渡到兩個主要電極之間。

(2)改變輝光放電的放電條件,使之向電弧過渡。

促使輝光放電向電弧放電過渡有兩種辦法。一是在一定的電流下,增加氣壓。由于jp2,所以氣壓的增加會使陰極區域里的電流密度和電位梯度增加,使陰極上出現局部加熱,在一定的電流下,可以使輝光向電弧過渡。實驗也證實,如果把陰極冷卻或利用非常純而清潔的陰極,可以抑制放電的過渡。二是在一定的氣壓下,增加放電電流。這從放電的伏安特性就可以清楚地看到,也就是通過反常輝光放電過渡到電弧放電的過程。通常采用減小外電阻的方法來增加放電電流。

(3)在電壓不很高的情況下,應用預電離使氣體擊穿形成電弧。

預電離是指在氣體擊穿前,用輔助電離源來產生一定數目的帶電粒子,以使氣體擊穿電壓明顯下降。產生預電離的電離源可用紫外光照射;可以將放射性物質靠近希望發生弧光放電的氣體,使射線引起氣體電離;可以用高頻火花在電極間產生必須的帶電粒子數。

(4)在兩個電極間外加一個足以使放電間隙擊穿的電壓,這樣就可以形成一個火花而轉成穩定的電弧放電。

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