3等离子体发生技术.ppt

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1、3 等离子体发生技等离子体发生技术术3.1 气体放电特性与原理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，这种现象称为生的，这种现象称为气体放电气体放电。 气体放电应用较广的形式有气体放电应用较广的形式有电晕放电、辉光放电、无声电晕放电、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放电（又称介质阻挡放电）、微波放电和射频放电等，气体等，气体放电性质和放电性质和采用的电场种类及施加的电场参数采用的电场种

2、类及施加的电场参数有关。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。下面以一个典型的气体放电实验为例来说明放电特性。高电压电源高电压电源-+VIVa等离子体等离子体阳离子阳离子（离子）（离子）阴离子阴离子（电子）（电子）+-+真空泵真空泵阴极阴极阳极阳极电极电极放电管放电管可调镇流电阻可调镇流电阻图图3-1 直流直流放电管电路放电管电路示意图示意图10-1010-810-610-410-211001000电流电流I/AVBA辉光放电辉光放电暗放电暗放电弧光放电弧光放电汤森区汤森区BDFFGHJCEIK本底电离本底电离饱和区饱和区电晕电晕击穿电压击穿电压正常正常辉光辉光异常异常辉光辉

3、光冷弧冷弧辉光到弧光的跃变辉光到弧光的跃变V（3）阴极二次电子发射）阴极二次电子发射电离过程电离过程 正离子轰击阴极时，阴极发射二次电子的概率以正离子轰击阴极时，阴极发射二次电子的概率以表示。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。发射二次电子。 系数也叫汤森第二电离系数，他比汤森系数也叫汤森第二电离系数，他比汤森第一电离系数要小。第一电离系数要小。 气体放电击穿是一复杂过程，通常都是由电子雪崩开始，气体放电击穿是一

4、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。一旦汤森电离系数系数随电场增强而变得足够大时，此时的电流就从非自持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临界电场中电压V VB B的计算，可用下面的半经验方程式来判断。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。此方程称为帕邢定律。3.1.2 帕邢定律帕邢定律式中，式中， 为汤森第二电离系数；为汤森第二电离系数；A A、B B均为常

5、数，它是与气均为常数，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。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。电离气体中的潘宁效括回到中性低能态的消电离。电离气体中的潘宁效应、敏化荧光等都属于这种过程。实验发现，在适应、敏化荧光等都

6、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是一种激发态原子与中性原子B碰撞，转移激发碰撞，转移激发能并使能并使B原子电离的过程。从能量守恒的要求，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原子的激发能应该大于或至少等于B原子的电离能。原子的电离能。3.2放电等离子体发生形式与放电类型放电等离子体发生形式

7、与放电类型v3.2.1 电晕放电电晕放电电晕放电过程：电晕放电过程： 电晕放电是一种电晕放电是一种自持放电。自持放电。在具有强电场的电极表面附在具有强电场的电极表面附近有强烈的激发和电离，近有强烈的激发和电离，并伴随明显的亮光并伴随明显的亮光，此处称为电晕，此处称为电晕层。层。 在电晕层外，由于电场强度较低，不足以引起电离，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。产生电晕的电压称为起晕电压。故呈现暗区，称为电晕外区。产生电晕的电压称为起晕电压。 产生电晕放电条件产生电晕放电条件： 气体压强高（一般在一个大气压以上），电场分布很不气体压强高（一般在一个大气压以上）

8、，电场分布很不均匀，并有几千伏以上的电压加到电极上。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。场，在这些电极之间都有可能形成电晕。 电晕放电分类：电晕放电分类： 按所加电压类型按所加电压类型可将电晕放电分为可将电晕放电分为：直流电晕、交流：直流电晕、交流电晕、和

9、高频电晕。电晕、和高频电晕。其中，其中，直流电晕等离子体直流电晕等离子体的能量效率的能量效率较低。较低。电晕放电的特点：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）光放电）（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）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

10、极附近，气的电极附近，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）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。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）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）

11、的电导。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）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。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）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，将出现放电流柱。这种流柱是电隙有足够的长度，将出现放电流柱。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。成，并发出大量噪声。几种不同形式的

12、电晕放电几种不同形式的电晕放电+（a）爆发式）爆发式脉冲电晕脉冲电晕+（b）流光）流光电晕电晕（c）辉光）辉光电晕电晕（d）火花放电）火花放电正电晕正电晕V图图3-3 电晕放电的不同形式电晕放电的不同形式-（e）特里切尔）特里切尔脉冲电晕脉冲电晕（f）无脉冲电晕）无脉冲电晕 （g）火花放电）火花放电负电晕负电晕图图3-3 电晕放电的不同形式电晕放电的不同形式 v3.2.2 火花放电火花放电火花放电过程火花放电过程 火花放电过程是随机闪现的，在发生火花放电之前，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电极之间只有极小的电流，所以在外电路电阻上

13、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，其良好的导电性允许通过大电流。产生很强烈的电离，其良好的导电性允许通过大电流。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。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：火花放电的条件： 当气压在一个大气压以上，电场较均匀，而电源功率当气压在一个大气压以上，电场较均匀，而电源

14、功率不够大的条件下，会产生火花放电。不够大的条件下，会产生火花放电。火花放电的特点：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）火花放电时，碰撞电离并不发生在电极间的整个区域内，只是区域内，只是沿着狭窄曲折的发光通道进行，并伴随爆沿着狭窄曲折的发光通道进行，并伴随爆裂声。裂声。（2）火花放电外观上出现若干很亮的细条纹，每个条）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

15、率不够，因此电压下降，放体，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。电暂时熄灭，待电压恢复再次放电。所以火花放电具所以火花放电具有间隙性有间隙性。雷电就是自然界中大规模的火花放电。雷电就是自然界中大规模的火花放电。 火花放电的作用：火花放电的作用： 火花放电可用于金属加工，钻细孔。火花间隙可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。用来保护电器设备，使之在受雷击时不会被破坏。 v尖端放电尖端放电 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

16、面电荷密度成正比。大致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，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，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

17、高以避免尖端放电。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。空电荷通过接地装置泄入大地，以免建筑物等遭雷击。 v火花放电与尖端放电是两个可以相交的集合。火花放电与尖端放电是两个可以相交的集合。 火花放电火花放电可以是尖端放电，还可以是平板放电等其他非尖端放电；可以是尖端放电，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，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。反之则形成电弧弧光放电。 3.2.3 介质阻挡放电（介质阻挡放电（DBD）过程）过程v介质阻挡放电介质阻挡放电(Dielect

18、ric Barrier Discharge，DBD)是是有绝缘介质插入放电空间的一种有绝缘介质插入放电空间的一种非平衡态气体放电非平衡态气体放电又称又称介质阻挡电晕放电或无声放电。介质阻挡电晕放电或无声放电。v介质阻挡放电过程介质阻挡放电过程 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。生击穿。 （1）当供给的电压比较低时，当供给的电压比较低时，虽然有些

19、气体会有一些电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体反应，此时的电流为零。区内的气体出现等离子体反应，此时的电流为零。 （2）随着供给电压的逐渐提高，随着供给电压的逐渐提高，反应区域中的电子也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

20、，因此，反应气体仍然为绝缘状态，无不能大量增加，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。略有增加，但几乎为零。 （3）若继续提高供给电压，若继续提高供给电压，当两电极间的电场大到足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，便产生许多一临界值时即帕邢击穿电压时，便产生许多微放电丝微放电丝导通在两极之间，

21、同时系统中可明显观察到导通在两极之间，同时系统中可明显观察到发光发光的现的现象，此时，电流会随着施加的电压提高而迅速增加。象，此时，电流会随着施加的电压提高而迅速增加。 v介质阻挡放电工作环境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，介质阻挡放电能够在高气压和很宽的频率范围内工作，通常的通常的工作气压为工作气压为104106Pa。电源频率可从。电源频率可从50Hz至至1MHz。v介质阻挡放电的应用介质阻挡放电的应用 由于由于DBD在产生的放电过程中会产生大量的自由基和准在产生的放电过程中会产生大量的自由基和准分子，如分子，如OH、O、NO等，它们的化学性质非常活跃，

22、很容等，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。子或分子，在环保方面也有很重要的价值。 利用利用DBD可制成准分子辐射光源，它们能发射窄带辐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，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。射的自吸收，它是一种高效率、高强度的单色光源。 在在DBD电极结构中，采用管线式的电极结构还可制成臭电极结构中，采用管线式的电极结构还可制成臭

23、氧氧O3发生器。现在人们已越来越重视对发生器。现在人们已越来越重视对DBD的研究与应用。的研究与应用。 介质阻挡放电的电极结构介质阻挡放电的电极结构（d）高压电极高压电极电介质电介质接地电极接地电极（a）（b）（c）AC高高压电源压电源图图3-4 介质阻挡放电的电极结构介质阻挡放电的电极结构 在实际应用中，管线式的在实际应用中，管线式的电极结构被广泛的应用于各电极结构被广泛的应用于各种化学反应器中，而平板式种化学反应器中，而平板式电极结构则被广泛的应用于电极结构则被广泛的应用于工业中的高分子和金属薄膜工业中的高分子和金属薄膜及板材的改性、接枝、表面及板材的改性、接枝、表面张力的提高、清洗和亲水

24、改张力的提高、清洗和亲水改性中。性中。 介质阻挡放电介质阻挡放电3.2.4 辉光放电辉光放电v辉光放电的击穿机制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。电子。它是由电子雪崩的不断发展而引起的放电。v辉光放电的过程辉光放电的过程 在玻璃管两端各接一平板电极，充入惰性气体，加数在玻璃管两端各接一平板

25、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，其电流为百伏直流电压，管内便产生辉光放电，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。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。间电压几乎全部集中在阴极附近的狭窄

26、区域内。 在阴极附近，二次电子发射产生的电子在较短距离在阴极附近，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及气体的压强（电子与气体分子的非弹性碰撞会失去动能）。能）。v辉光放电

27、可分为三个阶段辉光放电可分为三个阶段前期辉光、正常辉光和异常辉光前期辉光、正常辉光和异常辉光v辉光放电的特征辉光放电的特征 电流强度较小（约几毫安），温度不高，故电管电流强度较小（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。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域内。而且在正常辉光放电时，两极间电压不随电流变化。化。v辉光放电等离子体类型辉光放电等离子体类型F直流辉光放电直流辉光放电 辉光放电放电的整个通道由不同亮度的区间组成，即辉

28、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：由阴极表面开始到阳极，依次为：阿斯顿暗区；阿斯顿暗区；阴极阴极辉光区；辉光区；阴极暗区阴极暗区( (克鲁克斯暗区克鲁克斯暗区) )；负辉光区；负辉光区；法法拉第暗区；拉第暗区；正柱区正柱区;阳极辉光暗区阳极辉光暗区;阳极暗区。其中，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、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。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，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

29、料等因素有关，这些都可与气体类别、气体压力、电极材料等因素有关，这些都可以从放电理论上作出解释。辉光放电时，在两个电极附近以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，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。电流变化，即具有稳压的特性。v辉光随气压条件的变化辉光随气压条件的变化 玻璃管的两端封入两只电极，玻

30、璃管的两端封入两只电极，一只做成圆片形，使用时接至电一只做成圆片形，使用时接至电源的阴极，另一端为柱状电极，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，使气压分别下降到出管内空气，使气压分别下降到如图中所示（自上而下）；当管如图中所示（自上而下）；当管内气压为内气压为40和和6毫米汞柱时，管毫米汞柱时，管内放电为蓝色和紫色带状光柱；内放电为蓝色和紫色带状光柱；当管内气压为当管内气压为3毫米汞柱时，气毫米汞柱时，气体放电的辉光变为淡桃红色，并体放电的辉光变为淡桃红色，并出现特有的暗区和亮区；气压再出现特有的暗区和亮区；气压再低到低到0.14毫米

31、汞柱时，阳极辉柱毫米汞柱时，阳极辉柱辉光减弱，并出现明暗相间的辉辉光减弱，并出现明暗相间的辉纹；最后，气压为纹；最后，气压为0.03毫米汞柱毫米汞柱时，辉光已很弱而玻璃壁上出现时，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荧光。可见辉光随气压条件的变化有所不同。化有所不同。F异常辉光放电异常辉光放电 在低温等离子体化学领域，通常采用短间隙异常辉光在低温等离子体化学领域，通常采用短间隙异常辉光放电。放电。 其放电电位分布特点是：等离子体具有放电空间最高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。点位，阴极鞘层电压降很大，极间电场主要集

32、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，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。可能存在光电离。F高频辉光放电高频辉光放电 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。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。放电等

33、离子体占绝对优势。能在高气压下维持稳定均匀的辉光放电是高频交流放电的能在高气压下维持稳定均匀的辉光放电是高频交流放电的一大优点。一大优点。高频电场增强电离的机制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，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，这种机制被普遍认为是频率达到微波段时能有效的产

34、生大量电离的主要缘由。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。另一种电力增强机制是冲浪效应。高频交变电场能使电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。出现涨落。F高气压辉光放电高气压辉光放电 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。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。产生这种

35、现象的原因在于放电中出现了新的基本过程。气压高于气压高于105Pa时，阴极由于受到高速正离子轰击而加热到时，阴极由于受到高速正离子轰击而加热到很高的温度（很高的温度（1000以上到以上到2000多开尔文），因而产多开尔文），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。的二次电子发射有效的多。v辉光放电的应用辉光放电的应用 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（如虹灯、日光灯）以及正常辉光放电的稳压效应（如氖稳压管）。氖稳压管）。 在发射光

36、谱分析中用作气体分析和难激发元素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。分析的激发光源。3.2.5 弧光放电过程弧光放电过程v弧光放电弧光放电 呈现弧状白光并产生高温的气体放电现象。无论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，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，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。体自持放电的形式就是弧光放电。v弧光放电特点弧

37、光放电特点 弧光放电是一种稳定的放电形式，其主要特点是：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，可以从降很低，而放电电流很大，可以从0.1A到到KA数量级，数量级，同时电极间整个弧区发出很强的光和热，属于热等离同时电极间整个弧区发出很强的光和热，属于热等离子体。子体。v弧光放电产生方法弧光放电产生方法 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，产生即分开，因短路发热，使阴极表面温度陡增，产生热电子发

38、射热电子发射 。热电子发射使碰撞电离及阴极的二次。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。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，气被电离，在阴极表面附近堆积成空间正电荷层，此电荷层与阴极间

39、极为狭窄区域内形成的强电场引此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。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高温热发射持续弧光放电弧光放电应用弧光放电应用 可用作强光光源；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。弧措施

40、。 3.2.6 微波放电微波放电v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，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。围内操作，产生均匀的非平衡等离子体。v微波放电过程微波放电过程 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，由于频率很高的尺寸可以比拟，在这样的放电中，由于频率很高的电子如果不与周围粒子碰撞就很难得

41、到足够的能量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）到足够能量来激发和电离原子（分子）v微波放电特点：微波放电特点： 微波放电的特点包含了微波放电的特点包含了E 型和型和 H 型放电的特点，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，光但由于微波频率较高，因此有较高的耦合效率，光效也较

42、高。微波放电的一个效也较高。微波放电的一个主要特点是趋肤效应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。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（气体冷却的自吸收减少）和分子连续辐射的产生（整个电弧的温度不是很热）。射的产生（整个电弧的温度不是很热）。由于产生微波的磁控管是比较成

43、熟的产品，因此成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。合腔等装置，设计时结构比较复杂些。v微波放电的应用微波放电的应用 高气压、高温微波放电被用于等离子体切割、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。被用于等离子体镀膜、刻蚀、表面清洗等方面。 3.3 放电参量放电参量（1）电流密度）电流密度de 表示单位放电横截面表示单位放电横截面S上的放

44、电电上的放电电流流I的大小的大小de=I/S式中，式中，S实验已知的数据实验已知的数据 I可用电流探头在线测定可用电流探头在线测定（2）放电功率）放电功率W 电流电流I和电压和电压V乘积乘积W=IVW=Qff式中，式中，f输入电压的频率输入电压的频率Qf一个周期内的放电能量一个周期内的放电能量 （3）电离效率）电离效率 单位电场强度的电离系数单位电场强度的电离系数 =/E式中，式中， 电子碰撞电离系数，也叫汤森第一电离电子碰撞电离系数，也叫汤森第一电离系数系数 E电场强度电场强度（4）能耗效率）能耗效率 放电功率放电功率W与输入电源的功率与输入电源的功率N之比之比 =W/N 能耗效率代表了等离子体源的能量消耗指标，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。经济水平标准。