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1、高电压新技术 气体放电与应用,华中科技大学电气学院 夏胜国 2010.12,引言,Coulomb（1785）：研究孤立绝缘导体上电荷的消失现象。非自持放电现象。 Petrov（1803）：发现电极接触-分离法形成电弧。 Faraday（1831-1835）：发现低气压辉光放电，1Torr，1000V。 Crook and Thomson（19世纪末期到20世纪初）：阴极射线实验，电子e/m的测量，证实电子的存在。引发原子结构的研究，导致现代物理学的建立。 Townsend（20世纪初）：建立气体放电汤生理论，标志着气体放电学科的建立。 大量的研究者进行大量的汤生放电实验工作，积累大量的电子-原
2、子碰撞截面值，电子和离子的漂移速度值，电子-离子复合系数值等。正式这些实验成果形成了气体放电物理学研究的基础。 Langmuir and Tonks（1928）：提出“等离子体”这一名词：Plasma。从此与气体放电紧密相关的新的学科-等离子体科学登上了历史舞台。 Loeb and Meek：1940年建立流注放电理论。进一步完善了气体放电理论。 迄止目前，越来越多的放电应用,第一部分 气体放电基础,典型的气体放电 气体放电理论模型 气体放电物理基础元过程,典型的气体放电实验装置,气体放电的全伏安特性,直流放电的类型,辉光放电：低气压(110Torr)，外电路阻抗大，电流10-610-1A 弧
3、光放电：高气压(1atm)，外电路阻抗小，电流1A 火花放电：高气压(1atm)，放电间隙较长(10cm) 电晕放电：强不均匀场中发生的特殊的放电,汤生放电理论 J.S.Townsend,18681957, 英国,作用电子产生的电离倍增（电子雪崩） 作用离子轰击阴极时二次电子的出射效应,二次电子发射,电离倍增作用 （作用）,（ 作用）,汤生自持放电条件,帕邢定律 Paschen,18651947,德国,帕邢定律的内容： 气体击穿电压由气体压强 p 和电极间距d的乘积( pd )所决定，并有极小值。,汤生理论对帕邢定律的解释,9,流注气体放电理论,说明工程上感兴趣的压力较高和气隙间距较长气体的击
4、穿，如大气压力下空气的击穿 特点：认为电子碰控电离及空间光电离是维持自持放电的主要因素，并强调了空间电荷畸变电场的作用 流注理论的放电原理,10,流注理论的发展阶段,电子崩阶段 空间电荷畸变外电场 流注阶段 光电离形成二次电子崩，等离子体,11,1. 电子崩阶段,电子崩外形：好似球头的锥体，空间电荷分布极不均匀 例如，正常大气条件下，若E30kVcm，则 11cm-1，计算得随着电子崩向阳极推进，崩头中的电子数,12,空间电荷畸变外电场 大大加强了崩头及崩尾的电场，削弱了崩头内正、负电荷区域之间的电场,电子崩头部：电场明显增强，有利于发生分子和离子的激励现象，当它们回复到正常状态时，放射出光子
5、,崩头内部正、负电荷区域：电场大大削弱，有助于发生复合过程，发射出光子,13,2. 流注阶段,当电子崩走完整个间隙后，大密度的头部空间电荷大大加强了后部的电场，并向周围放射出大量光子 光子引起空间光电离，在受到畸变而加强了的电场中，造成了新的电子崩，称为二次电子崩,光电离、二次电子崩,1主电子崩 2二次电子崩 3流注,14,正流注的形成,二次电子崩中的电子进入主电子崩头部的正空间电荷区（电场强度较小），大多形成负离子。大量的正、负带电质点构成了等离子体，这就是正流注 流注通道导电性良好，其头部又是二次电子崩形成的正电荷，因此流注头部前方出现了很强的电场,1主电子崩 2二次电子崩 3流注,15,
6、正流注向阴极推进,流注头部的电离放射出大量光子，继续引起空间光电离。流注前方出现新的二次电子崩，它们被吸引向流注头部，延长了流注通道 流注不断向阴极报进，且随着流注接近阴极，其头部电场越来越强，因而其发展也越来越快 流注发展到阴极，间隙被导电良好的等离子通道所贯通，间隙的击穿完成，这个电压就是击穿电压,16,自持放电条件,一旦形成流注，放电就进入了新的阶段，放电可以由本身产生的空间光电离而自行维持，即转入自持放电了。如果电场均匀，间隙就将被击穿。所以流注形成的条件就是自持放电条件，在均匀电场中也就是导致击穿的条件,自持放电的条件：,17,流注理论对pd很大时放电现象的解释,1放电外形 Pd很大
7、时，放电具有通道形式 当某个流注由于偶然原因发展更快时，将抑制其它流注的形成和发展，并且随着流注向前推进而越来越强烈 二次电子崩在空间的形成和发展带有统计性，所以火花通道常是曲折的，并带有分枝 2放电时间 光子以光速传播，所以流注发展速度极快，这就可以说明pd很大时放电时间特别短的现象 3阴极材料的影响 根据流注理论，维持放电自持的是空间光电离，而不是阴极表面的电离过程，这可说明为何很大Pd下击穿电压和阴极材料基本无关了,18,在电离室中得到的阳极流注发展过段的照片 正流注的发展速度约为11082108cm/s,气体放电元过程,参与气体放电的粒子：电子、离子（，）、中性粒子（原子、分子）、光子
8、 粒子之间的碰撞：气体放电所表现出来的全部现象都不过是这些粒子之间的碰撞的结果。 在电场中电子优先获得能量。 电子碰撞的种类：高能电子通过碰撞引起物理化学反应。正是这些物理化学反应决定了气体放电的性质。碰撞一般分为弹性碰撞、非弹性碰撞。后者包括电离、激发、复合等。,辉光放电 电弧放电 电晕放电 火花放电 介质阻挡放电 射频放电 微波放电 ,第二部分 各种常用的气体放电,辉光放电（压强约1Torr）,辉光放电各部分发光颜色分布,朗缪尔(Irving Langmuir,1932年Nobel化学奖),1928年朗缪尔在研究辉光放电时将正柱区中的电离气体取名为“等离子体”(Plasma)。他的合作者T
9、onks在他的一篇论文(Am. J. Phys. ,35(1967), p. 857)中，这样生动地讲述了这个名称的由来： Langmuir came into my room in the General Electric Research Laboratory one day and said ” Say, Tonks, Im looking for a word. In these gas discharges we call the region in the immediate neighborhood of the wall or an electrode a sheath, an
10、d that seems to be quite appropriate; but what should we call the main part of the discharge? there is complete space-charge neutralization. I dont want to invent a word, but it must be descriptive of this kind of region as distinct from a sheath. What do you suggest?” My reply was classic “ Ill thi
11、nk about it, Dr. Langmuir.” The next day Langmuir breezed in and announced, “I know what we call it ! Well call it the plasma.” The image of blood plasma immediately came to mind: I think Langmuir even mentioned blood.,冷阴极电子发射，主要依靠正离子轰击阴极产生二次发射电子 阴极附近有正空间电荷层和一个较大的阴极势降 从负辉区流人阴极区域的正离子，受鞘层电场加速后与阴极碰撞，引起
12、二次电子逸出(作用)。这些二次电子又在鞘层电场的加速作用下向阳极方向运动，成为高能量的电子束，从而引发电离(作用)。也就是说，辉光放电是在鞘层电场的基础上由作用和作用所共同维持的。,直流辉光放电的基本特征,辉光放电的特性参数,大气压辉光放电,大气压下辉光放电的困难,辉光放电的实验表明：若保持电流不变，电流密度： 即：电流通道的横截面积将随着气压的增大而急剧减小,因此当大气压下气体间隙击穿时通常看到的是丝状放电（也称流注）及其进一步的发展电弧放电。为了在高气压下不产生丝状放电，必须需控制电子雪崩地放大以免它增长过快。,高气压辉光放电均匀措施,1) 预电离。一般要求预电离电子密度为104108cm
13、3,2) 陡脉冲,电弧放电,减小外回路中的阻抗，则电流增大，电流增大到一定值后，放电通道收细，且越来越明亮，管端电压则更加降低，说明通道的电导越来越大 电弧通道和电极的温度都很高，电流密度极大，电路具有短路的特征,电晕放电,电极曲率半径很小或电极间距离很远，即电场极不均匀，则当电压升高到一定值后，首先紧贴电极在电场最强处出现发光层，回路中出现用一般仪表即可察觉的电流。随着电压升高，发光层扩大，放电电流也逐渐增大 发生电晕放电时，气体间隙的大部分尚未丧失绝缘性能，放电电流很小，间隙仍能耐受电压的作用,刷状放电,电场极不均匀情况下，如电压继续升高，从电晕电极伸展出许多较明亮的细放电通道，称为刷状放
14、电 电压再升高，根据电源功率而转入火花放电或电弧放电，最后整个间隙被击穿 如电场稍不均匀，则可能不出现刷状放电，而由电晕放电直接转入击穿,电晕放电,火花放电,在较高气压（例如大气压）下，击穿后总是形成收细的发光放电通道，而不再扩散于间隙中的整个空间。当外回路中阻抗很大，限制了放电电流时，电极间出现贯通两极的断续的明亮细火花 火花放电的特征是具有收细的通道形式，并且放电过程不稳定 火花间断的原因： 放电通道电阻很小，而外电路电阻很大，放电通道分得电压太小，以致放电不能持续,雷电,介质阻挡放电,平板电极体放电,梳状电极表面放电,同轴结构,介质阻挡材料玻璃、石英、陶瓷以及聚合物等，有时还采用一些具有
15、保护涂层或者其他功能涂层如驻极体材料等。 频率过高则介质层将失去阻挡作用，因而介质阻挡放电驱动电压频率范围为50Hz10MHz。 放电电压范围为几百伏特到几千伏特。 根据不同的应用背景，放电间隙为0.1mm几cm。 放电气体可以流动，也可以循环使用，也可静止。 放电气体可以是惰性气体如He、Ne、Ar，可以是分子气体如氮气、氧气、空气，也可以是其他反应性气体如CCl2F2, CClF3 and CHClF2,DBD的一些基本特征,高频放电和微波放电,用甲烷等气体来进行直流放电的时候，电极表面上绝缘性薄膜的堆积会阻碍电流的流通，甚至会导致放电的中止。不使用直流而采用工业上标准的13.56MHz的
16、高频电磁波或2.45GHz的微波来进行放电，就能够维持这类气体放电约稳定的等离子体状态。所以，使用高频放电或微波放电的等离子体应用比直流放电的多。 在实际应用等离子体时，首先根据用途需要选择最合适的等离子体。实际的工业应用中如LSI制作工艺中为了实现超微细、大面积、高速加工，经常要求等离子体具有低气压（1Pa）、大口径（0.4m）、高密度（1017m3）等特性。 在气压降低时，等离子体扩散加快，而电离频率降低，因而低气压条件下生成大口径、高密度低温等离子体并不容易。 提高放电功率，可以增大等离子体密度，但是若功率不能有效地用于产生电离（如直流辉光放电），那么等离子体密度也不能增大。 采用后面要讲述的给线圈通高频电流的方法(感应耦合等离子体）或激励等离子体波动的方法(表面波等离子体、ECR等离子体、螺旋波等离子体)，由于可以在保持较低的等离子体与电极间的电位差的状态下提供高功率，那么在低气压时也可以高效率地生成等离子体，并且其高密度化也将成为可能。,用于放电的
