大气压直流氩等离子体光谱诊断研究

通过光谱诊断系统测量了大气压直流氩等离子体射流在弧室内和弧室出口的发射光谱,利用波尔兹曼曲线斜率法计算了射流的电子温度,根据Ar Ⅰ谱线的斯塔克展宽得到射流的电子密度,并对氩等离子体射流满足局域热力学平衡(LTE)状态的判定标准进行了分析,结果表明在文章的实验条件下大气压直流氩等离子体射流达到局域热力学平衡。     

大气压直流氩等离子体射流工作特性研究

介绍了一种新型大气压直流双阳极等离子喷枪,并对其电特性参数和发射光谱进行了测量.通过对氩等离子体射流的电信号进行时域和频域分析,研究了载气流量和弧电流的变化对射流脉动的影响,结果表明氩等离子体电弧的伏安特性呈上升趋势,射流脉动属于接管模式,电源特性中的交流分量引起的电压波动是影响氩等离子体射流脉动的主要因素. 通过光谱法测量了氩等离子体射流在弧室内和弧室出口的发射光谱,利用玻尔兹曼曲线斜率法计算了射流的激发温度,根据Ar I谱线的斯塔克展宽得到了射流的电子密度,并对等离子体射流满足局域热力学平衡(LTE) 关键词： 等离子喷枪 射流脉动 激发温度 局域热力学平衡     

直流等离子体炬放电特性研究

对于磁约束直流等离子体炬,用氩－氢等离子体的放电体系,研究了等离子体炬几何结构、真空室气压、弧电流、外磁场与比变化等对等离子体炬放电特性的影响。得到了影响等离子体炬宏观和微观参数变化的一些基本规律。     

层/湍流等离子体射流的稳定性与三维特性的实验观测研究

采用普通照相和短时间曝光成像的ICCD照相技术,观测了低于大气压条件下产生的纯氩和氩-氢直流电弧等离子体射流的高温区的瞬时形貌及其变化,结合电弧弧根在阳极表面贴附行为的观测结果,对射流的稳定性与三维特性和弧根行为之间的关联进行了分析.结果表明,层流等离子体射流的高温区长度明显长于湍流射流情形,并且具有很好的轴对称性和时间稳定性;湍流射流的高温区瞬时形貌则表现出明显的三维特征;等离子体射流的三维特性与弧根在阳极表面的贴附行为没有直接的联系.     

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用Langmuir探针对射频(13.56 MHz)感应等离子体进行了诊断,给出了Ar等离子体轴向和径向参数随气压的变化。采用发射光谱测量了等离子体中氩原子的750.3nm谱线强度随气压在轴向的变化,其变化趋势与Langmuir探针测量结果的变化趋势相一致。测量了氩离子的434.8nm谱线强度随气压在轴向的变化并获得了氩离子的434.8nm谱线强度与氩原子的430.0nm谱线强度的比值在轴向三个不同位置的变化。从测得的结果可知:在放电室中上部形成了均匀稳定的高密度等离子体,在靶附近有所降低,在中部以下等离子体密度逐渐变低;在径向6~7 cm以内的区域等离子体参数变化不大,形成了均匀稳定的等离子体,等离子体参数在器壁处变化明显。     

小型壁稳氩弧紫外-真空紫外光源的研究

已研制成配有四级差分泵单元的2.5kW小型壁稳氩弧光源.其光谱辐射稳定性和重复性优于±0.5%,一致性优于±1%.其连续光谱分布可用Hofsaess理论计算,准确度达10%.等离子体光谱学诊断表明:氩弧电流40A、气压1.75×10~5Pa时,等离子体温度为12,650K,电子密度为1.29×10~(17)cm~(-3).     

基于光谱诊断的氩-氮P-TIG焊引弧的动态电弧物理特性研究

焊接电弧等离子体的物理特性直接决定了焊接接头的成形形貌,分析双组分保护气体的脉冲钨极惰性气体保护焊（P-TIG）动态电弧物理特性,为深入开展混合气体保护焊的焊缝成形物理过程研究提供理论基础。氩-氮混合气体保护焊电弧具有高热特性可以增加熔深,但在焊接前混合均匀的保护气体,引弧后气体浓度会重新分布,使电弧等离子体物理特性的实时动态变化特点变得复杂。光谱诊断是电弧等离子体物理特性测量的最重要手段,但对双组分气体保护的P-TIG焊电弧特性的研究仍需深入进行,特别是对于易引起缺陷的起弧过程,其动态物理特性亟需深入分析。针对氩-氮混合气体P-TIG焊的引弧过程,以P-TIG焊产生的氩-氮双组分电弧等离子体为研究对象,提出利用窄带滤光片与CCD相结合的高速摄影实验系统采集双组分电弧等离子的动态光谱信息,获取特征谱Ar Ⅰ 794.8 nm和N Ⅰ 904.6 nm的P-TIG焊电弧光谱强度动态分布;提出利用双元素双组分标准温度法计算P-TIG焊引弧过程中距离钨极下方1,2,3和4 mm位置处电弧等离子体的动态温度及浓度,定量分析80%Ar+20%N₂保护的P-TIG焊从引弧至电弧稳定过程的电弧等离子体物理特性实时分布。实验结果表明,80%Ar+20%N₂保护的P-TIG焊电弧强度、电弧温度及浓度的变化均与脉冲电流的变化同步,焊接电流在3 ms内达到稳定状态,而电弧等离子体的强度、温度及浓度需要更长时间达到平衡状态。从起弧到电弧等离子稳定燃烧的过程中,基值期间和峰值期间的电弧等离子体强度均呈现先升高再降低的趋势;由于阴极的热传导及电流密度的变化,使得电弧等离子体轴向位置的峰值温度及基值温度均出现迅速升高再缓慢降低的现象;由于粒子间碰撞及摩擦力的影响,使得电弧等离子体的峰值及基值期间氩的浓度均呈迅速减小再缓慢增加的趋势,且氩的浓度均低于焊前浓度。     

谱线位移法测定等离子体射流的温度

我们测定了大气压氩等离子体射流中氩原子谱线的增宽和位移,并与Griem的理论值以及其他作者的实验值进行了比较,其结果与Griem理论值较好地符合.同时,用谱线位移法测定了等离子体射流的温度,测出的温度值与用其他光谱法测出的值很好地符合。我们的实验结果表明,谱线位移法可用于测定等离子体射流的温度,测温平均误差为10％.     

直流纯氩层流等离子体射流的长度变化

采用主要由阴极、阳极以及介于阴极和阳极之间的中间段组成的直流非转移式电弧等离子体发生器,在大气压条件下,比较系统地研究了纯氩层流等离子体射流的长度随着弧电流、气体流量以及发生器结构而变化的规律。结果表明:层流射流的长度随弧电流和工作气流量的增加而增长;层流向湍流流动转变的临界气流量值随弧电流增大而提高;在发生器的伏安特性呈大梯度变化的情况下,射流长度随弧电流的变化幅度增大。     

小功率低气流空气-氩ICP光谱分析法

晶体控制振荡器的27.12兆赫2.5千瓦高频发生器和Fassel-Scott型炬管用于产生一个低气流空气-氩感耦等离子体(ICP)。维持稳定等离子体所需冷却气流(空气)为8升/分,辅助气流(氩)2.5升/分和载气(氩)0.7升/分。维持等离子体所需最低R.F.功率约在1000瓦左右。同纯氩ICP相比较,空气-氩ICP具有较小的外形尺寸,其最佳观察分析区的位置较低。本工作测量并比较了空气-氩ICP和纯氩ICP在不同观察高度的激发温度。测定并比较了两种等离子体在各自最佳操作条件下18个元素55条谱线的信背比。     

基于标准温度法的电弧高温区自动判别研究

在电弧等离子体的光谱诊断中,标准温度法测温原理与目前先进的图像传感技术相结合,通过特征谱图像完成电弧全场温度信息采集,因其良好的时、空分辨率而被广泛应用于电弧温度测量。但是谱线的发射系数与等离子体温度不是单调变化关系,传统标准温度法选取一条ArⅠ谱线完成对电弧等离子体的测量,在电弧内部的高温电离区域产生谱线辐射强度降低的现象,需要人为判定电弧不同位置所处的温度区间才能完成温度的计算,整个过程无法通过软件自主完成。针对此问题,根据电弧等离子体的局部热力学平衡条件,探索一种基于双特征谱线的标准温度法测温原理,通过融合电弧在外层低温区域聚集的Ar原子发出的ArⅠ谱线发射系数场,和在高温区域的Ar一次电离离子所发出的ArⅡ特征谱线发射系数场,将达到ArⅠ谱线标准温度的位置处的ArⅡ谱线发射系数作为电弧不同温度区域的判定依据,完成电弧等离子体高温区域的自动判别,继而应用ArⅠ谱线发射系数与温度对应关系在电弧高、低温区域分别计算电弧温度,消除单一的ArⅠ谱线发射系数场暗区给计算带来的不利影响;设计并搭建了一种镜前分幅采集系统,其中分光镜将弧光等能量分成两束,利用两组反射镜和窄带滤光片建立起两路光学通道,使CMOS在一次曝光中完成两组电弧特征谱图像的采集,并且两幅图像的采集时刻、焦距、光圈等拍摄参数完全一致,达到良好的时间、空间一致性,从而减小谱线融合时误差的输出,满足了原位获取两组电弧特征谱图像的需求;为验证测量系统可行性以及后期的电弧图像提取,以黑白棋盘为标靶,用Harris算子对系统采集的图像进行扫描,根据角点坐标证明系统所采集的两幅图像具有良好的一致性,并且据此将两幅图像做归一化处理,以便后期的电弧特征谱图像的提取;通过假设所测电弧等离子具有轴对称属性,以CMOS所采集的特征谱图像亮度信息作为电弧发射系数场在不同角度下的投影依据,经过中值滤波降噪后,利用ML-EM迭代重建算法求解电弧的三维发射系数分布。实验中,选择受自吸收效应影响较小的ArⅠ696.5 nm谱线和ArⅡ480.6 nm谱线为测量目标,并且在696.5 nm谱线的光通路中加入OD0.4的中性减光片,使两幅特征谱图像的最高亮度值保持一致。选取150A焊接等离子弧为测量对象,经ML-EM法三维还原后,将两条谱线发射系数场等像素融合,在ArⅠ谱线发射系数达到最大值的像素点位置处,ArⅡ谱线发射系数达到ε_rp,判定ArⅡ谱线发射系数大于ε_rp的像素点位置为电弧高温区域,其余位置为低温区域,最终在不同温度区域自动完成焊接等离子弧的温度计算。实验结果表明696.5 nm谱线和480.6 nm谱线发射系数场融合后可以自动识别电弧高温区域,继而完成电弧等离子体的自动测量,为电弧温度实时监测的实现提供更多可能。     

真空电弧等离子体发射光谱诊断

真空断路器的开断容量限制其在高压大电流开断领域的应用,获取燃弧过程中的等离子体参数对于提高真空断路器的开断容量至关重要。利用发射光谱法对真空电弧内的等离子体参数进行了诊断,研究了在不同电流幅值条件下真空电弧内电子温度、电子密度、谱线强度的轴向分布规律,结合真空电弧高速图片对真空电弧内不同粒子的扩散过程与弧柱直径之间的关系进行了分析。得到的电子温度在8000～10 000 K量级,电子密度在1019～1020 m?3量级,电子温度与电子密度从阴极向阳极逐渐下降,同时铜原子谱线强度主要集中在两极而一价铜离子谱线强度由阴极向阳极逐渐升高。铜原子谱线强度的径向分布呈现类平顶波分布、一价铜离子谱线强度的径向分布呈现类高斯分布的特点,且铜原子的谱线范围略大于弧柱直径,一价铜离子的谱线范围略小于弧柱直径,两种粒子的扩散速度存在差异。     

Numerical analysis of plasma arc physical characteristics under additional constraint of keyhole

The physical characteristics of a plasma arc affect the stability of the keyhole and weld pool directly during keyhole plasma arc welding(KPAW). There will be significant change for these characteristics because of the interaction between the keyhole weld pool and plasma arc after penetration. Therefore, in order to obtain the temperature field, flow field, and arc pressure of a plasma arc under the reaction of the keyhole, the physical model of a plasma arc with a pre-set keyhole was established. In addition, the tungsten and base metal were established into the calculated domain, which can reflect the effect of plasma arc to weld pool further. Based on magneto hydrodynamics and Maxwell equations, a two-dimensional steady state mathematical model was established. Considering the heat production of anode and cathode, the distribution of temperature field, flow field, welding current density, and plasma arc pressure were solved out by the finite difference method. From the calculated results, it is found that the plasma arc was compressed a second time by the keyhole. This additional constraint results in an obvious rise of the plasma arc pressure and flow velocity at the minimum diameter place of the keyhole, while the temperature field is impacted slightly. Finally, the observational and metallographic experiments are conducted, and the shapes of plasma arc and fusion line agree with the simulated results generally.     

电弧光谱信息在焊接质量检测上的应用研究

通过采集TIG,MIG焊接过程的光谱辐射信息,基于等离子体辐射的基础理论,对其焊接电弧辐射进行了分析,TIG焊与MIG焊的光谱分布由于气氛中金属元素浓度的差别,辐射强度和分布都存在较大差别：MIG焊不仅金属线谱数量多,辐射强度比TIG焊大,且随熔滴过渡波动明显。针对其光谱分布和变化特点,选择了特征谱段,用于焊接质量的检测;对于TIG焊选取线谱聚集的紫外区辐射(230～300 nm),对于MIG焊选取以连续辐射为主的可见光区辐射(570～590 nm),建立了不同焊接方法下,焊接电弧光谱信息在焊接质量检测上的应用理论基础。还进一步通过在焊接过程中预设干扰因素,采集焊接过程在特征谱段的信号,对选择谱段的试验验证表明：基于建立的理论基础,可以有效地利用焊接电弧光谱信息,对焊接质量及焊接过程干扰因素实现判识,特征谱段的信号具有很好的信噪比。     

Spectral distribution of radiation from the cascade arc plasma

A mathematical model has been developed for radiation emission and absorption in the cascade arc plasma, and calculations have been performed to determine the complete spectral distribution of radiation emerging from the argon arc. Although self-absorption effects are negligible for the continuum radiation, they are significant for much of the line radiation. The radiation flux emerging from the arc, as well as the efficiency for conversion from electrical to radiant energy, increase with increasing arc current and pressure and decreasing arc radius. The relative contribution of line radiation to the total arc radiation decreases with increasing current and pressure and decreasing radius.     

Spectral and Electrical Characteristics of a Stabilized DC Arc Seeded With Potassium

A systematic investigation of spectral and voltage-current (U-I) characteristics of a DC arc plasma was performed. The vertical, argon and wall stabilized DC arc plasma was seeded by an easily ionizable element (EIE), potassium, in a wide range of concentrations. It was found that different arc currents and potassium contents in the plasma have considerable influence on the plasma properties. A lower potassium content (< 10 g/l of KCl in solution) introduced into the arc at lower currents (<6A) causes an increase in arc voltage and a change in the arc spectrum (intensity of lines), while at higher arc currents (>6A) it causes no change in the electrical characteristics, but a further change in the intensity of the arc spectrum. Higher potassium concentrations, >20 g/l of KCl, increase the arc voltage at higher currents (>6A). There is a critical quantity of potassium in the plasma which suppresses high energy processes (ionization, excitation…) for a fixed arc current, while spectral composition and lateral distribution of the residual emitted spectra become essentially changed. Amounts of potassium above critical do not cause further changes in the plasma spectral composition nor in the I-U characteristic, except in the spectral line intensities.     

不同水深下水下湿法焊接电弧引弧温度计算

水下湿法焊接技术近年来得到了广泛应用,但目前对水下湿法焊接引弧过程的物理本质的研究很少。首先搭建了水下湿法焊接电弧光谱诊断平台,同步采集不同水深条件下焊接过程中的电流、电压及光谱信号,对不同水深条件下水下湿法焊接引弧阶段进行界定,高速摄像机拍摄水下湿法焊接引弧过程以更直观观察引弧过程中电弧、气泡等水下动态变化。在此基础上,设置光谱仪延时,分别采集了引弧5,10,15,20及25 ms的光谱信号;改变水深条件,得到不同水深条件下引弧不同时刻的电弧光谱图。根据谱线选取原则综合分析,选取Fe元素作为计算水下湿法焊接引弧电弧温度的特征元素。引弧不同时刻均选取了五组数据,运用统计分析的方法对五组数据做平均化处理,以保证计算结果的准确性和可靠性。从Fe元素谱线中选取了五条合适的谱线作为计算水下湿法焊接引弧过程电弧温度的目标谱线,再利用玻尔兹曼图示法分别计算了不同水深条件下引弧不同时刻的水下湿法焊接电弧等离子体温度。结果表明：在相同水深条件下,引弧过程中电弧等离子体温度是随着引弧时间的不断增加而不断变化的,但其变化趋势并不是简单的线性增加,而是分别在引弧的不同时刻出现峰值;随着水深的增加,水下湿法焊接电弧等离子体的温度也随着上升,但其电弧温度的上升趋势开始变缓慢,40 m水深相对于20 m水深的电弧温度上升量要低于20 m水深条件下相对0.3 m水深条件下的电弧温度上升量。伴随着水深的增加,水下环境压力增大造成电弧进一步压缩,但压缩量有限。由于电弧被压缩,弧光的强度也增大。通过光谱分析的方法,从电弧物理的角度获悉水下湿法焊接引弧过程的物理本质,对认识电弧建立过程中微观击穿机理及实际生产中进一步提升引弧过程的稳定性提供了重要参考。     

Cathodic-arc plasma density, radial profile, and total plasmainventory as measured by microwave interferometer and Faraday cup

The total amount of plasma, peak plasma density, and plasma density radial profile are derived from a series of measurements of ion current density (with a Faraday cup) and integrated electron line density (with a microwave interferometer) for a cathodic arc derived plasma. Comparisons are made between cathode material (erbium and titanium), arc current, background gas pressure, and the presence or absence of a series magnetic solenoid around the coaxial anode and cathode     

多面体扫描电弧成象仪

交流喷口电弧瞬态温度实时测量是目前高压电器领域里的一个难题。要深入研究高压输电线路中的气吹断路器灭弧机理,必然要涉及到在极短时间内测量电弧等离子体温度变化问题。电弧等离子体是一种高温电离气体,它辐射出丰富的光谱信息。采用光谱法测量是合适的。转镜式电弧成象仪正是为实现上述测量而研制的专用设备。它与光栅光谱仪、高速数据采集系统、微机等构成一套完整的电弧光谱温度测量系统。本文论述了该设备的总体方案、设计特色、整机性能指标。     

Study of uniformity of plasmas produced in a wall‐stabilized arc

In this contribution the plasma of an arc discharge in a mixture of helium and argon is studied. The gas mixture is introduced uniformly along the arc column between each of the stabilizing plates. From the measured lateral distribution of radiation (HeI, HI, ArI, ArII, NI, FI line intensity and width measurements), after Abel inversion, the radial temperature distributions were obtained at various positions of the arc column. Beside the expected radial temperature gradients, a distinct temperature gradient along the arc column was found.