【技术解码】石墨加热炉中的等离子体

在高温石墨炉加热过程中，炉膛内一般只有两种物质：一种是石墨材料，比如加热元件和保温材料；另一种即保护气氛——氩气。为了说明等离子体与石墨炉之间的关系与作用，我们引入两个参数：氩气第一电离能和石墨材料功函数。

对于气体，我们需要关心其第一电离能量（First ionization energy），单位是eV。第一电离能量是指将一个电子从一个原子或分子的最外层移除所需要的最小能量。当这个能量以电子伏特（eV）为单位表达时，它可以理解为电子通过一个电压差移动所获得或失去的能量。例如，如果一个原子的第一电离能是13.6eV，这意味着从这个原子中移除一个电子至少需要13.6eV的能量，等同于电子通过13.6V电位差所获得的能量。

众所周知，在电加热石墨炉中，石墨加热元件的若干个电极通了电压，每个独立的加热体表面，相对于其他加热体表面，甚至石墨保温材料表面都存在电势差。电势差越大，当氩气分子经过时，获得的能量越大。

对于氩气而言，其第一电离能大约为15.8eV。同时炉膛内超高的温度，一定程度上会加速氩气电离的可能性。这个值与虽然与温度无关，因为它是基于原子内部的电子结构和原子核的电荷而确定的，不会因为温度的改变而改变。温度的变化可以影响气体分子的动能，从而影响实际电离过程的动力学。在高温下，氩气分子的平均动能增加，这意味着分子之间以及分子与电子的碰撞更加频繁和强烈。这种增加的动能和碰撞频率可能会使电离过程更容易发生，因为有更多的分子达到或超过了电离所需的能量阈值。但这并不意味着第一电离能本身发生了改变，而是电离发生的条件或效率受到温度影响。氩气电离后，其主要影响表现在：

1. 导电性增强：在正常条件下，氩气是一种绝缘体，几乎不导电。但当氩气电离后，会产生大量的自由电子e-和带正电的离子Ar+，这些带电粒子可以自由移动，从而使氩气具有了导电性。从而影响其他的氩气分子，更容易被电离。

2. 化学性质变化：虽然氩是一种惰性气体，在常态下化学性质非常稳定，不容易与其他物质发生化学反应。但在电离状态下，由于产生了自由电子e-和离子Ar+，其化学性质会发生变化，会与其他物质发生反应，如：破坏石墨原有的性能，影响加热速度。电阻值变化，加热能耗增加。

3. 温度上升：氩气电离过程中，由于电子与原子核的重新结合，会释放出能量，导致气体温度上升。破坏炉膛内本身的热场和温度均匀性。

对于石墨材料，我们比较关心功函数（work function），单位是eV。石墨材料的功函数为4.0-5.0 eV之间，具体值取决于石墨的晶体结构、表面处理、测量条件等因素。功函数是否“越高越好”或“越低越好”取决于具体应用场景和目的。较低的功函数有利于在较低的应用电场下实现电子的有效发射，而较高的功函数意味着电子更难从材料表面逃逸，这可能有助于减少材料的氧化和腐蚀。在实际应用中，根据具体的使用条件来确定功函数的精确值。选择合适的石墨材料。作为对比，这里再列出其他两种冷壁真空炉常用材料的功函数值，钼：4.2eV；钨：4.54eV。

以上都是材料或物质本身的物理特性，我们只能利用技术手段，避免或减少氩气被电离所造成的影响；以及选择合适的石墨材料，避免表面电子出现逃逸。诸如：避免炉膛内电势差达到或超过氩气的第一电离能量，即15.8eV；选择合适的石墨材料，确保石墨材料表面性能稳定，即具有较低的二次电子发射系数的特殊石墨和较高的功函数石墨材料。

LHTG高温石墨炉