大气感应耦合等离子体炬管的设计与仿真实验

为提高大气感应耦合等离子体射流加工装置的工作稳定性,设计一种依靠单一零件定位各层介质管的分体式炬管,并研究炬管内等离子体的传热与流动特性. 利用COMSOL Multiphysics仿真分析发现,等离子体的环形加热和流体淤塞回流现象是导致炬管在使用后出现热损伤和刻蚀损伤的主要原因,选用陶瓷材料作为内管和中层管并调整感应线圈的位置,可有效延长炬管的使用寿命. 使用CCD相机实时监控等离子体射流的形态,发现射频功率(P_w)、工作气流量(Q₂)、冷却气流量(Q₃)与射流的整体长度(L)和半高宽度(W)均呈线性递变关系,P_w、Q₂与Q₃的值过高或过低都会导致等离子体射流的形态波动增大. 实验结果表明:当P_w、Q₂ 与Q₃分别设置为900~1 000 W、650 mL·min^-1、16 L·min^-1时,该分体式炬管可产生稳定性较高的等离子体射流,其L值与W值的波动可分别控制在0.50 mm与0.25 mm内,适用于熔石英等光学表面的加工.