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直流电弧等离子体装置内的电弧放电可以形成万度以上的高温，高速喷出的等离子体射流温度也通常在千度以上，因此，直流电弧等离子体发生器通常被当作高温热源应用到各种场景。例如，高温电弧可以熔化金属和陶瓷粉末用于制备各种功能涂层，也可以用于环境保护领域内废弃物处理。利用电弧产生的热能和动能相互转化的原理，可以与喷管结合产生推力，形成的电弧加热发动机可用于航天飞行器姿轨控的动力装置。电弧还可以用于焊接、切割、乃至熔炼钢铁等等，在各个领域有着非常广泛的应用。

在电弧的实际应用中直流电弧通常以集聚型模式贴附于阳极，因而在电弧贴附区域产生极高的电流密度和热流密度。而伴随着较强的热流密度引起的阳极烧蚀通常是导致电弧等离子体装置失效的主要原因。如果能够使电弧以扩散模式贴附于阳极，扩大电弧阳极贴附区域的面积，就能够大幅降低电流密度，从而减轻阳极烧蚀。为此，微等离子体应用实验室搭建了图1所示的实验观测平台，研究了阳极结构对直流电弧阳极弧根贴附的影响。

图1实验系统示意图

图2给出了实验研究中采用的两种阳极结构，一种为常规的平面阳极，另一种在阳极表面上设有环状的凸起结构。实验中采用了不同尺寸的环状凸起结构以研究环状凸起对阳极弧根贴附的影响。

图2实验系统示意图

研究表明，相比于平面阳极，在环台阳极上电弧更易形成扩散型贴附模式。在氩气作为工质气体的条件下，将电极间距从15mm增至30mm，在环台阳极上阳极弧根始终保持扩散型贴附状态，但是对于平面阳极，阳极弧根由扩散型贴附转变为集聚型贴附状态。

图3不同电极间距下电弧贴附状态

电场强度的计算结果表明（图4所示），与平面阳极相比，环台结构的引入增强了局部电场强度，环台边缘局部电场强度远高于平面阳极。在局部较强电场的作用下阳极弧根分散贴附在环台阳极表面，形成扩散贴附，从而降低了弧根贴附区域的电流密度和热流密度。

图4两种阳极结构下的电场强度分布

通过氩原子的发射光谱获得电极间距30mm，弧电流60A，氩气流量10slm工况下两种阳极结构的电弧温度场（图5所示）：与平面阳极不同，环台阳极下电弧近阳极区温度相对较低，无大于K的高温区。

图5两种阳极结构下的电弧温度场和试验1小时前后阳极表状况

研究表明，经过1小时的电弧试验，平面阳极表面出现明显的烧蚀而环台阳极表面没有明显烧蚀的迹象，这表明采用适当的阳极结构可以起到抑制阳极烧蚀的作用，为稳定、长寿命电弧等离子体发生器研制提供了一种新的思路。

论文题目：Anovelanodestructurefordiffusearcanodeattachment

发表期刊：JournalofPhysicsD:AppliedPhysics,Volume54,Number36

论文作者：Ya-HaoHu,XianMeng,He-JiHuang,AnthonyBMurphy,KeShao,Su-RongSun?,Hai-XingWang?

研究资助：本文研究得到国家自然科学基金（资助号：、）的支持。

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