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1、3 等离子体发生技术,3.1 气体放电特性与原理,气体放电一般是指在电场作用下或其他激活方法使气体电离，形成能导电的电离气体，如果电离气体是通过电场产生的，这种现象称为气体放电。气体放电应用较广的形式有电晕放电、辉光放电、无声放电（又称介质阻挡放电）、微波放电和射频放电等，气体放电性质和采用的电场种类及施加的电场参数有关。下面以一个典型的气体放电实验为例来说明放电特性。,高电压电源,-,+,V,I,Va,等离子体,阳离子（离子）,阴离子（电子）,+,-,-,+,真空泵,阴极,阳极,电极,放电管,可调镇流电阻,图3-1 直流放电管电路示意图,图3-2气体放电伏安特性曲线,热弧,3.1.1 汤森放
2、电（1）电子碰撞电离电离过程汤森第一电离系数为式中，p为气体压力；Vi为气体分子的电离电位；E为电场强度；A为与气体性质有关的常数，可由实验获得。（2）正离子碰撞电离电离过程 正离子碰撞电离系数以表示，指一个离子在电场方向1cm行程中与气体分子碰撞所产生的平均电离次数。研究可知，在相同电场条件下电子碰撞电离远大于正离子碰撞电离次数，也就是碰撞电离系数（3）阴极二次电子发射电离过程 正离子轰击阴极时，阴极发射二次电子的概率以表示。在电场作用的等离子体条件下，由阴极发射的电子在到达阳极的过程中产生正离子，这些正离子撞击阴极而使阴极,发射二次电子。系数也叫汤森第二电离系数，他比汤森第一电离系数要小。
3、气体放电击穿是一复杂过程，通常都是由电子雪崩开始，从初级电子电离相继在串级电离过程中增值。一旦汤森电离系数随电场增强而变得足够大时，此时的电流就从非自持达到了自持过程，也就发生了电击穿。对于汤森放电击穿的临界电场中电压VB的计算，可用下面的半经验方程式来判断。此方程称为帕邢定律。3.1.2 帕邢定律式中，为汤森第二电离系数；A、B均为常数，它是与气体种类和实验条件有关的参数，可实验求取或查文献得到。,3.1.3 气体原子的激发转移和消电离 气体粒子从激发态回到较低状态或者被进一步激发到更高的状态是粒子从该激发态消失的可能途径，这种过程称为气体粒子的激发转移，其中包括回到中性低能态的消电离。电离
4、气体中的潘宁效应、敏化荧光等都属于这种过程。实验发现，在适当的两种气体组成的混合物中，其击穿电压会低于单纯气体的击穿电压。这种效应称为潘宁效应。这种效应的过程可以用简式表示为A*+BA+B+e+EA*是一种激发态原子与中性原子B碰撞，转移激发能并使B原子电离的过程。从能量守恒的要求，A*原子的激发能应该大于或至少等于B原子的电离能。,3.2放电等离子体发生形式与放电类型,3.2.1 电晕放电电晕放电过程：电晕放电是一种自持放电。在具有强电场的电极表面附近有强烈的激发和电离，并伴随明显的亮光，此处称为电晕层。在电晕层外，由于电场强度较低，不足以引起电离，故呈现暗区，称为电晕外区。产生电晕的电压称
5、为起晕电压。产生电晕放电条件：气体压强高（一般在一个大气压以上），电场分布很不均匀，并有几千伏以上的电压加到电极上。一个电极或两个电极的曲率半径很小，就会形成不均匀的电场。因此，细的尖端与平面、点与点、金属丝与同轴圆筒、两条平行导线之间以及轴电缆内部都会形成不均匀的电场，在这些电极之间都有可能形成电晕。,电晕放电分类：按所加电压类型可将电晕放电分为：直流电晕、交流电晕、和高频电晕。其中，直流电晕等离子体的能量效率较低。电晕放电的特点：（1）电晕放电电压降比辉光放电大（千伏数量级），但放电电流小（微安数量级），往往发生在电极间电场分布不均匀的条件下（若电场分布均匀，放电电流又大，则发生辉光放电）
6、（2）电场的不均匀性把主要的电离过程局限于局部电场很高的电极附近，特别是发生在曲率半径很小的电极附近，气体的发光也只发生在这个区域里，称为电离区，或叫电晕层或起晕层.（3）形成电晕所需电场不均匀的程度与气体的种类有很大关系。（4）电晕放电的电流强度取决于加在电极之间的电压大小、电极形状、极间距离、气体性质和密度等.,（5）电晕放电的电压降不取决于外电路的电阻，而是取决于放电迁移区（电离区之外的区域）的电导。（6）电晕放电的极性取决于具有小曲率半径的电极的极性，如果小曲率半径电极带正电位，发生的电晕称正电晕，反之称负电晕。（7）如果电场不够均匀，并且对于一定的阳极，间隙有足够的长度，将出现放电流
7、柱。这种流柱是电晕电放电的，且有明显的、比较亮而长的电晕光形成，并发出大量噪声。,几种不同形式的电晕放电,+,（a）爆发式脉冲电晕,+,+,+,（b）流光电晕,（c）辉光电晕,（d）火花放电,正电晕,V,图3-3 电晕放电的不同形式,-,-,-,（e）特里切尔脉冲电晕,（f）无脉冲电晕,（g）火花放电,负电晕,图3-3 电晕放电的不同形式,3.2.2 火花放电火花放电过程 火花放电过程是随机闪现的，在发生火花放电之前，电极之间只有极小的电流，所以在外电路电阻上的电压降很小，极间电压降差不多就等于电源电压。当极间电压升高到着火电压时，发生火花放电。此时，在电极间产生很强烈的电离，其良好的导电性允
8、许通过大电流。这电流由两部分组成，一部分是极间电容释放电荷而形成的放电电流，另一部分是通过电源回路的电流。火花放电的条件：当气压在一个大气压以上，电场较均匀，而电源功率不够大的条件下，会产生火花放电。火花放电的特点：（1）火花放电时，碰撞电离并不发生在电极间的整个区域内，只是沿着狭窄曲折的发光通道进行，并伴随爆裂声。,（2）火花放电外观上出现若干很亮的细条纹，每个条纹又出现曲折分叉的细丝，通过放电空间达到电极后就熄灭。这是由于气体击穿后突然由绝缘体变为良导体，电流猛增，而电源功率不够，因此电压下降，放电暂时熄灭，待电压恢复再次放电。所以火花放电具有间隙性。雷电就是自然界中大规模的火花放电。火花
9、放电的作用：火花放电可用于金属加工，钻细孔。火花间隙可用来保护电器设备，使之在受雷击时不会被破坏。,尖端放电 带电导体尖端附近空气中的放电现象。静电平衡时，带电导体外附近的场强与导体的面电荷密度成正比。大致说来，导体表现凸出而尖锐的地方，即曲率较大的尖端，电荷密集，面电荷密度增大，附近的场强特别强，致使空气电离，产生放电现象。尖端放电时，在它周围往往隐隐地笼罩着一层光晕，叫做电晕。高压输电线附近发生的尖端放电会造成能量损耗，需使输电线表面光滑，以避免尖端放电。避雷针则利用尖端放电，将集中的高空电荷通过接地装置泄入大地，以免建筑物等遭雷击。火花放电与尖端放电是两个可以相交的集合。火花放电可以是尖
10、端放电，还可以是平板放电等其他非尖端放电；尖端放电一般是火花放电，如果强度较小则是电晕放电，反之则形成电弧弧光放电。,3.2.3 介质阻挡放电（DBD）过程,介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge，DBD)是有绝缘介质插入放电空间的一种非平衡态气体放电又称介质阻挡电晕放电或无声放电。介质阻挡放电过程 介质阻挡放电通常是由正弦波型的交流高压电源驱动，随着供给电压的升高，系统中反应气体的状态会经历三个阶段的变化，即会由绝缘状态逐渐至放电最后发生击穿。（1）当供给的电压比较低时，虽然有些气体会有一些电离和游离扩散，但因含量太少电流太小，不足以使反应区内的气体出现等离子
11、体反应，此时的电流为零。,（2）随着供给电压的逐渐提高，反应区域中的电子也随之增加，但未达到反应气体的击穿电压时，两电极间的电场比较低无法提供电子足够的能量使气体分子进行非弹性碰撞，缺乏非弹性碰撞的结果导致电子数不能大量增加，因此，反应气体仍然为绝缘状态，无法产生放电，此时的电流随着电极施加的电压提高而略有增加，但几乎为零。（3）若继续提高供给电压，当两电极间的电场大到足够使气体分子进行非弹性碰撞时，气体将因为离子化的非弹性碰撞而大量增加，当空间中的电子密度高于一临界值时即帕邢击穿电压时，便产生许多微放电丝导通在两极之间，同时系统中可明显观察到发光的现象，此时，电流会随着施加的电压提高而迅速增
12、加。,介质阻挡放电工作环境 介质阻挡放电能够在高气压和很宽的频率范围内工作，通常的工作气压为104106Pa。电源频率可从50Hz至1MHz。介质阻挡放电的应用 由于DBD在产生的放电过程中会产生大量的自由基和准分子，如OH、O、NO等，它们的化学性质非常活跃，很容易和其它原子、分子或其它自由基发生反应而形成稳定的原子或分子，在环保方面也有很重要的价值。利用DBD可制成准分子辐射光源，它们能发射窄带辐射，其波长覆盖红外、紫外和可见光等光谱区，且不产生辐射的自吸收，它是一种高效率、高强度的单色光源。在DBD电极结构中，采用管线式的电极结构还可制成臭氧O3发生器。现在人们已越来越重视对DBD的研究
13、与应用。,介质阻挡放电的电极结构,（d）,AC高压电源,图3-4 介质阻挡放电的电极结构,在实际应用中，管线式的电极结构被广泛的应用于各种化学反应器中，而平板式电极结构则被广泛的应用于工业中的高分子和金属薄膜及板材的改性、接枝、表面张力的提高、清洗和亲水改性中。,介质阻挡放电,3.2.4 辉光放电,辉光放电的击穿机制 辉光放电是气体放电的一种重要形式。低气压辉光放电的机制是，从阴极发射电子，在放电空间引起电子雪崩，由此产生的正离子再轰击阴极使其发射出更多的电子。它是由电子雪崩的不断发展而引起的放电。辉光放电的过程 在玻璃管两端各接一平板电极，充入惰性气体，加数百伏直流电压，管内便产生辉光放电，
14、其电流为10-410-2A。辉光放电时，在放电管两极电场的作用下，电子和正离子分别向阳极、阴极运动，并堆积在两极附近形成空间电荷区。因正离子的漂移速度远小于电子，故正离子空间电荷区的电荷密度比电子空间电荷区大得多，使得整个极间电压几乎全部集中在阴极附近的狭窄区域内。,在阴极附近，二次电子发射产生的电子在较短距离内尚未得到足够的能使气体分子电离或激发的动能，所以紧接阴极的区域不发光。而在阴极辉区，电子已获得足够的能量碰撞气体分子，使之电离或激发发光。其余暗区和辉区的形成也主要取决于电子到达该区的动能以及气体的压强（电子与气体分子的非弹性碰撞会失去动能）。辉光放电可分为三个阶段前期辉光、正常辉光和
15、异常辉光辉光放电的特征 电流强度较小（约几毫安），温度不高，故电管内有特殊的亮区和暗区，呈现瑰丽的发光现象。整个极间电压几乎全部集中在阴极附近的狭窄区域内。而且在正常辉光放电时，两极间电压不随电流变化。,辉光放电等离子体类型直流辉光放电 辉光放电放电的整个通道由不同亮度的区间组成，即由阴极表面开始到阳极，依次为：阿斯顿暗区；阴极辉光区；阴极暗区(克鲁克斯暗区)；负辉光区；法拉第暗区；正柱区;阳极辉光暗区;阳极暗区。其中，前三个区域总称为阴极位将区或简称阴极区；以负辉光区、法拉第暗区和正柱区为主体。这些光区是空间电离过程及电荷分布所造成的结果，与气体类别、气体压力、电极材料等因素有关，这些都可以
16、从放电理论上作出解释。辉光放电时，在两个电极附近聚集了较多的异号空间电荷，因而形成明显的电位降落，分别称为阴极压降和阳极压降。阴极压降又是电极间电位降落的主要成分，在正常辉光放电时，两极间的电压不随电流变化，即具有稳压的特性。,辉光随气压条件的变化 玻璃管的两端封入两只电极，一只做成圆片形，使用时接至电源的阴极，另一端为柱状电极，接电源的阳极。用抽气机不断抽出管内空气，使气压分别下降到如图中所示（自上而下）；当管内气压为40和6毫米汞柱时，管内放电为蓝色和紫色带状光柱；当管内气压为3毫米汞柱时，气体放电的辉光变为淡桃红色，并出现特有的暗区和亮区；气压再低到0.14毫米汞柱时，阳极辉柱辉光减弱，
17、并出现明暗相间的辉纹；最后，气压为0.03毫米汞柱时，辉光已很弱而玻璃壁上出现荧光。可见辉光随气压条件的变化有所不同。,异常辉光放电 在低温等离子体化学领域，通常采用短间隙异常辉光放电。其放电电位分布特点是：等离子体具有放电空间最高点位，阴极鞘层电压降很大，极间电场主要集中在此处。阴极鞘层主要发生电子碰撞电离和离子碰撞电离。电子碰撞电离作用主要来源于阴极二次电子发射致电子雪崩，离子碰撞电离也是阴极鞘中的电离机制之一。此外，还有可能存在光电离。高频辉光放电 高频放电一般是指放电电源频率在兆赫以上的气体放电形式。目前在实际应用的非平衡等离子体化学工艺中，高频放电等离子体占绝对优势。能在高气压下维持
18、稳定均匀的辉光放电是高频交流放电的一大优点。,高频电场增强电离的机制 在电子与原子发生弹性碰撞并改变其运动方向的瞬间，恰好电场换向。这将使电子的速度和能量得以连续增长。若按这种机制，即使在相当弱的电场中电子也能获得相当于电离能的能量值，这种机制被普遍认为是频率达到微波段时能有效的产生大量电离的主要缘由。另一种电力增强机制是冲浪效应。高频交变电场能使电极处的鞘层时而增大，时而减小，即会使鞘电压和鞘层不断出现涨落。高气压辉光放电 由正常辉光放电的理论可知放电电流密度随气压的平方成比例变化，所以高气压放电时电流密度显著升高，放电管的维持电压也升高。产生这种现象的原因在于放电中出现了新的基本过程。气压
19、高于105Pa时，阴极由于受到高速正离子轰击而加热到,很高的温度（1000以上到2000多开尔文），因而产生显著的热电子发射。这种发射比正离子轰击阴极的二次电子发射有效的多。辉光放电的应用 辉光放电的主要应用是利用其发光效应（如霓虹灯、日光灯）以及正常辉光放电的稳压效应（如氖稳压管）。在发射光谱分析中用作气体分析和难激发元素分析的激发光源。,3.2.5 弧光放电过程,弧光放电 呈现弧状白光并产生高温的气体放电现象。无论在稀薄气体、金属蒸气或大气中，当电源功率较大，能提供足够大的电流（几安到几十安），使气体击穿，发出强烈光辉，产生高温（几千到上万度），这种气体自持放电的形式就是弧光放电。弧光放电
20、特点 弧光放电是一种稳定的放电形式，其主要特点是：阴极发射电子的机理可能是热发射或场致发射，管压降很低，而放电电流很大，可以从0.1A到KA数量级，同时电极间整个弧区发出很强的光和热，属于热等离子体。,弧光放电产生方法 通常产生弧光放电的方法是使两电极接触后随即分开，因短路发热，使阴极表面温度陡增，产生热电子发射。热电子发射使碰撞电离及阴极的二次电子发射急剧增加，从而使两极间的气体具有良好的导电性。弧光放电的特征是电压不高，电流增大的两极间电压反而下降，有强烈光辉。还有一种弧光放电叫做冷阴极弧光放电，阴极由低熔点材料（如汞）做成。阴极表面蒸发出的蒸气被电离，在阴极表面附近堆积成空间正电荷层，此
21、电荷层与阴极间极为狭窄区域内形成的强电场引起场致发射，使电流剧增，产生电弧。,高温热发射持续弧光放电,弧光放电应用 可用作强光光源；在光谱分析中用作激发元素光谱的光源；在工业上用于冶炼、焊接和高熔点金属的切割；在医学上用作紫外线源（汞弧灯），等等。但是大电流电路开关断开时产生的弧火极其有害，应采取灭弧措施。,3.2.6 微波放电,微波放电 微波放电是采用微波放电发生器来使气体电离产生微波等离子体，一般采用的频率较高，大约2.45103MHz，微波放电可在较宽的频率和压力范围内操作，产生均匀的非平衡等离子体。,微波放电过程 微波放电的电磁波的波长和耦合器及放电管的尺寸可以比拟，在这样的放电中，由
22、于频率很高的电子如果不与周围粒子碰撞就很难得到足够的能量来激发原子（分子）发光，因此在微波放电中电子与周围粒子的弹性碰撞具有决定性作用。电子通过弹性碰撞来不断改变运动方向，逐渐从微波场中得到足够能量来激发和电离原子（分子）微波放电特点：微波放电的特点包含了E 型和 H 型放电的特点，但由于微波频率较高，因此有较高的耦合效率，光效也较高。微波放电的一个主要特点是趋肤效应，当驱动频率或功率升高时，趋肤深度就会减少，因此输入功率集中在管壁附近，放电时的温度最高值不在电弧中心，而是在近管壁的地方。,这样的温度轮廓对辐射有好处，可以有利于共振辐射的产生（气体冷却的自吸收减少）和分子连续辐射的产生（整个电
23、弧的温度不是很热）。由于产生微波的磁控管是比较成熟的产品，因此成本稍低，但由于微波频率高的缘故，需要波导和耦合腔等装置，设计时结构比较复杂些。微波放电的应用 高气压、高温微波放电被用于等离子体切割、冶金、喷涂等热处理方面；低气压、低温微波放电被用于等离子体镀膜、刻蚀、表面清洗等方面。,3.3 放电参量,（1）电流密度de 表示单位放电横截面S上的放电电流I的大小de=I/S式中，S实验已知的数据 I可用电流探头在线测定（2）放电功率W 电流I和电压V乘积W=IVW=Qff式中，f输入电压的频率Qf一个周期内的放电能量,（3）电离效率 单位电场强度的电离系数=/E式中，电子碰撞电离系数，也叫汤森第一电离系数 E电场强度（4）能耗效率 放电功率W与输入电源的功率N之比=W/N 能耗效率代表了等离子体源的能量消耗指标，自然它所消耗的功率越小越好，要求在供电和控制上稳定、简单、无功功率低，是考核等离子体源的经济水平标准。,
