低气压下表面氧化的铁基阴极弧斑等离子体放电物理研究

Due to the dry technology, environmental protection and other advantages, the applications of plasma processing on the improvement of traditional industries become more important in recent years. This project plans to carry out the investigations on the discharge physics of low pressure arc spot plasmas with iron-based cathodes of surface oxidization, aiming to the plasma cleaning for iron surfaces in the metallurgical industry. The research work focuses on two aspects: the dynamic characteristics of the cathode arc spots,discharge property of arc spot plasma， including the formation and evolution of the arc spot patterns on the iron-based cathodes with the surface oxidation, current-voltage characteristics, and noise power spectrum， plasma emission spectra. We establish the discharge physical model of arc spot plasma with iron-based cathodes covered oxidation layers in low pressure, to support the industrial application of the plasma cleaning and make contributions to plasma equipment construction with independent intellectual property right of China

等离子体技术由于其干法、环保等优势，近年来在传统工业改造中应用的重要性日益显现。本申请以冶金工业中等离子体除鳞清洗为背景，开展低气压下表面氧化的铁基阴极弧斑等离子体的放电物理研究。在阴极弧斑的动力学特征、弧斑等离子体放电特性二个方面开展研究工作，包括表面氧化的铁基阴极上弧斑形态及演化；电流-电压特性、弧压噪声功率谱、极间等离子体光发射谱等；建立低气压下表面氧化的铁基阴极弧斑等离子体放电的物理模型，支撑等离子体除鳞清洗的工业化应用，为我国具有自主知识产权的等离子体装备建设做出贡献。

等离子体除鳞是利用低气压阴极弧斑在钢铁表面运动来清除氧化层，是冶金工业中前沿环保的干法新技术。在低气压和表面氧化情况下，阴极弧斑等离子体实验诊断技术和机理均很复杂，有大量未知或未能充分理解的现象和过程。. 本工作开展了低气压下基于表面被氧化的铁基阴极弧斑等离子体的放电物理研究。在阴极弧斑的动力学特征、极间等离子体参数特征、弧斑等离子体与阴极表面相互作用三个方面开展工作。. 研究表明，弧斑等离子体对钢铁表面氧化物能进行有效地清洗，获得了除鳞速率与工艺参数的关系，并利用ecton理论对除鳞速率进行了模拟，很好地与实验结果相符合。发现了弧斑等离子体在氧化的钢铁表面呈现出两次扫描现象。第一次扫描阶段时间尺度长、且扫描后表面还会出现弱FeO峰；随后的第二次扫描持续时间很短；阴极材料属性不同导致了弧斑在运动中自调整，引起了两次扫描现象。在放电过程中，电子激发温度和发射谱线强度均在一定范围内随时间波动，且在洁净铁阴极放电时，电子激发温度和光强的相对波动幅度均较大，这与弧斑的特征运动有关，是阴极微爆过程的直接反映。阴极斑点随机地出现在洁净的钢表面上，电压波形中低频分量占主导地位；与洁净的钢表面相比，在氧化了的钢表面，阴极斑点是以减少随机性为特征的运动，低频分量相应减少；对采集到的电压数据作快速傅立叶变换得到噪声的功率谱符合幂定律P ~ 1 /f a。弧斑在不同阴极表面运动，幂指数是不同的，反映了从洁净钢表面的近似棕色噪声到厚氧化层上的粉红色噪声的变化；第一共振峰从洁净钢表面的35MHz减小到厚氧化层表面的1MHz，表明斑点寿命迅速增加。在氧化了的阴极表面，氧化层的边缘效应被认为对弧斑运动起了重要作用。. 通过本项目的系列的研究工作，建立了低气压下基于表面氧化的铁基阴极弧斑等离子体的物理模型，在放电机理研究上获得了有意义的成果。