Способы получения низкотемпературной плазмы

Наиболее распространенным способом возбуждения низкотемпературной плазмы является электрический разряд в газе.

Газ, защищенный от внешних воздействий, совершенно не проводит электрического тока и, следовательно, неионизован. При внешних воздействиях, вызывающих ионизацию газа, возможны два вида газового разряда.

В первом случае действуют два условия: фактор, обеспечивающий появление свободных носителей заряда, т. е. фактор ионизации газа, и электрическое поле любой напряженности, сообщающее заряженным частицам направленное движение. Устранение любого из этих двух факторов приводит к исчезновению тока проводимости в газе. В этом случае разряд называют несамостоятельным.

Во втором случае, имеющем наибольшее практическое значение, действует только одно условие: имеется постоянное или быстро меняющееся во времени и по направлению электрическое поле, эффективное значение напряженности которого превышает некоторое значение, определяемое условиями в газе (температура, давление) и условиями на окружающих газ телах. В этом случае возникающий ток проводимости называют самостоятельным разрядом.

Самостоятельные разряды разделяются на разряды, в которых ток проводимости в газоразрядной плазме непосредственно связан с током во внешней питающей цепи с помощью электродов (катода и анода), и разряды, в которых ток проводимости в газе не имеет гальванической связи с током во внешней питающей цепи.

В разрядах первого вида важную роль в механизме прохождения тока играют процессы на электродах, в частности процессы на катоде, связанные с эмиссией электронов в газоразрядную плазму. При низких значениях тока и плотности тока и большом общем и катодном падении потенциала происходит тлеющий газовый разряд. Увеличение тока свыше некоторого значения вызывает резкое снижение общего и катодного падения потенциала, повышение температуры газоразрядной плазмы и увеличение плотности тока — возникает электрическая дуга. К этому же типу разрядов могут быть отнесены искровой и коронный разряды.

Ко второму виду относится высокочастотный разряд. Внешнее электрическое поле при высокочастотном разряде в отличие от электродного разряда первого вида настолько быстро меняет свое направление, что носители зарядов в газоразрядной плазме не успевают выйти на электроды или стенки разрядной камеры, и ток проводимости в газоразрядной плазме не имеет непосредственной связи с током во внешней цепи. Это не только не ухудшает условий существования высокочастотного разряда, но даже улучшает их.

Среди рассмотренных видов газоразрядной плазмы высокочастотная, и в первую очередь электродуговая, имеет наибольшее практическое значение. Это объясняется тем, что сегодня высокочастотный и электродуговой разряды являются практически единственным средством для длительного нагрева газа до температуры 3000—50 000° К без каких-либо существенных ограничений по электрической мощности, роду газа и давлению.

Низкотемпературную плазму получают в высокочастотных (ВЧ) и электродуговых генераторах плазмы — плазмотронах. Она является мощным интенсифицирующим фактором, в значительной степени ускоряющим протекание многих теплофизических и физико-химических процессов при резке, наплавке, сварке и плазменно-механической обработке металлов, в металлургии, плазмохимии, нанесении покрытий и других процессах высокотемпературной технологии.