輝光放電應用領域

輝光放電的主要應用是利用其發(fā)光效應（如霓虹燈、日光燈）以及正常輝光放電的穩(wěn)壓效應（如氖穩(wěn)壓管）。 利用輝光放電的正柱區(qū)產(chǎn)生激光的特性，制做氦氖激光器。

近年來，輝光放電在污水處理、滅菌消毒、聚合物材料表面改性、分析儀器離子源等方面也多有應用。

由于其特點，輝光發(fā)電應用于發(fā)射光譜分析，用作氣體分析和難激發(fā)元素分析的激發(fā)光源。在玻璃管兩端各接一平板電極，充入惰性氣體，加數(shù)百伏直流電壓，管內(nèi)便產(chǎn)生輝光放電，其電流為10-4～10-2A。放電形式與氣體性質(zhì)、壓力、放電管尺寸、電極材料、形狀和距離有關。利用其在發(fā)射光譜中的應用，可以檢測鉛的濃度等。

大氣壓下輝光放電(APGD)

經(jīng)過近20年的發(fā)展，低氣壓低溫等離子體已取得了很大進展。但由于其運行需抽真空、設備投資大、操作復雜、不適于工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)，限制了它的廣泛應用。低氣壓下的輝光放電雖然可以處理這些材料，但存在成本、處理效率等問題，無法規(guī)模化應用于紡織品的表面處理。長期以來人們一直在努力實現(xiàn)大氣壓下的輝光放電(APGD)。

1933年德國Von Engel首次報道了研究結(jié)果 ，利用冷卻的裸電極在大氣壓氫氣和空氣中實現(xiàn)了輝光放電，但它很容易過渡到電弧，并且必須在低氣壓下點燃，即離不開真空系統(tǒng)。1988年，Kanazawa等人報道了在大氣壓下使用氦氣獲得了穩(wěn)定的APGD的研究成果，并通過實驗總結(jié)出了產(chǎn)生APGD要滿足的三個條件：（1）激勵源頻率需在1kHz以上；（2）需要雙介質(zhì)DBD；（3）必須使用氦氣氣體。此后，日本的Okazaki、法國的Massines和美國的Roth研究小組分別采用DBD的方法，用不同頻率的電源和介質(zhì)，在一些氣體和氣體混合物中宣稱實現(xiàn)了大氣壓下“APGD”。1992年，Roth小組在5mm氦氣間隙實現(xiàn)了APGD，并聲稱在幾個毫米的空氣間隙中也實現(xiàn)了APGD, 主要的實驗條件為濕度低于15% 、氣體流速50l/min、頻率為3kHz的電源并且和負載阻抗匹配。他們認為“離子捕獲”是實現(xiàn)APGD的關鍵。Roth等人用離子捕獲原理解釋APGD，即當所用工作電壓頻率高到半個周期內(nèi)可在極板之間捕獲正離子，又不高到使電子也被捕獲時，將在氣體間隙中留下空間電荷，它們影響下半個周期放電，使所需放電場強明顯降低，有利于產(chǎn)生均勻的APGD。他們在實驗室的一臺氣體放電等離子體實驗裝置中實現(xiàn)了Ar、He和空氣的“APGD”。1993年Okazaki小組利用金屬絲網(wǎng)（絲直徑0.035mm，325目）電極為PET膜（介質(zhì)）、頻率為50Hz的電源，在1.5mm的氣體（氬氣、氮氣、空氣）間隙中做了大量的實驗，并宣稱實現(xiàn)了大氣壓輝光放電。根據(jù)電流脈沖個數(shù)及Lisajous圖形（X軸為外加電壓，Y軸為放電電荷量）的不同，他們提出了區(qū)分輝光放電和絲狀放電的方法，即若每個外加電壓半周期內(nèi)僅1個電流脈沖，并且Lisajous圖形為兩條平行斜線，則為輝光放電。若半周期內(nèi)多個電流脈沖，并且Lisajous圖形為斜平行四邊形，則為絲狀放電。法國的Massines小組、加拿大的Radu小組和俄羅斯的Golubovskii小組對APGD的形成機理也進行了比較深入的研究工作。Massines小組對氦氣和氮氣的APGD進行了實驗研究和數(shù)值模擬 ，除了測量外加電壓和放電電流之外，他們用曝光時間僅10ns的ICCD相機拍攝了時間分辨的放電圖像，用時空分辨的光譜測量記錄了放電等離子體的發(fā)射光譜，并結(jié)合放電過程的一維數(shù)值模擬，他們認為，氮氣中的均勻放電仍屬于湯森放電，而氦氣中均勻放電才是真正意義上的輝光放電，或亞輝光放電。他們還認為，得到大氣壓下均勻放電的關鍵是在較低電場下緩慢發(fā)展大量的電子雪崩。因此，在放電開始前間隙中必須存在大量的種子電子，而長壽命的亞穩(wěn)態(tài)及其彭寧電離可以提供這些種子電子。根據(jù)10ns暴光的ICCD拍攝的放電圖像，Radu小組發(fā)現(xiàn)，在大氣壓惰性氣體He、Ne、Ar、Krypton的DBD間隙中，可以實現(xiàn)輝光放電。

從上個世紀末，國內(nèi)許多單位如科羅納實驗室、清華大學、大連理工大學、華北電力大學、西安交通大學、華中科技大學、中科院物理所、河北師范大學等先后開始了對APGD的研究。由于APGD在織物、鍍膜、環(huán)保、薄膜材料等技術里域有著誘人的工業(yè)化應用前景，在大氣壓下和空氣中實現(xiàn)輝光放電產(chǎn)生低溫等離子體一直是國內(nèi)外學者探尋的研究重點和熱點。2003年，國家自然科學基金委員會將“大氣壓輝光放電”列為國家重點研究項目。APGD的研究也取得了一些進展，如He、Ne、Ar、Krypton惰性氣體在大氣壓下基本實現(xiàn)了APGD，空氣也已經(jīng)實現(xiàn)了用眼睛看上去比較均勻的準“APGD”。

對APGD的研究結(jié)果和認識是仁者見仁，智者見智。APGD的研究方興未艾，已經(jīng)受到國內(nèi)外許多大學和研究機構(gòu)的廣泛重視。由于大氣壓輝光放電還沒有一個認可標準，許多實驗所看到的放電現(xiàn)象和輝光放電很相似即出現(xiàn)視覺特征上呈現(xiàn)均勻的“霧狀”放電，而看不到絲狀放電，但這種放電現(xiàn)象是否屬于輝光放電還沒有共識和定論。

次大氣壓下輝光放電(HAPGD)

由于大氣壓輝光放電技術雖有報道但技術還不成熟，沒有見到可用于工業(yè)生產(chǎn)的設備。而次大氣壓輝光放電技術則已經(jīng)成熟并被應用于工業(yè)化的生產(chǎn)中。次大氣壓輝光放電可以處理各種材料，成本低、處理的時間短、加入各種氣體的氣氛含量高、功率密度大、處理效率高?？蓱糜诒砻婢酆?、表面接枝、金屬滲氮、冶金、表面催化、化學合成及各種粉、粒、片材料的表面改性和紡織品的表面處理。次大氣壓下輝光放電的視覺特征呈現(xiàn)均勻的霧狀放電；放電時電極兩端的電壓低而功率密度大；處理紡織品和碳纖維等材料時不會出現(xiàn)擊穿和燃燒并且處理溫度接近室溫。次大氣壓輝光放電技術可用于低溫材料、生物材料、異型材料的表面親水處理和表面接枝、表面聚合、金屬滲氮、冶金、表面催化、化學合成等工藝。由于是在次大氣壓條件下的輝光放電，處理環(huán)境的氣氛濃度高，電子和離子的能量可達10eV以上。材料批處理的效率要高于低氣壓輝光放電10倍以上。 可處理金屬、非金屬、（碳）纖維、金屬纖維、微粒、粉末等。

1831~1835年,M.法拉第在研究低氣壓放電時發(fā)現(xiàn)輝光放電現(xiàn)象和法拉第暗區(qū)。1858年,J.普呂克爾在1/100托下研究輝光放電時發(fā)現(xiàn)了陰極射線，成為19世紀末粒子輻射和原子物理研究的先驅(qū)。

輝光放電有亞正常輝光和反常輝光兩個過渡階段，放電的整個通道由不同亮度的區(qū)間組成，即由陰極表面開始，依次為：①阿斯通暗區(qū)；②陰極光層；③陰極暗區(qū)(克魯克斯暗區(qū))；④負輝光區(qū)；⑤法拉第暗區(qū)；⑥正柱區(qū);⑦陽極暗區(qū);⑧陽極光層。其中以負輝光區(qū)、法拉第暗區(qū)和正柱區(qū)為主體。這些光區(qū)是空間電離過程及電荷分布所造成的結(jié)果，與氣體類別、氣體壓力、電極材料等因素有關，這些都可以從放電理論上作出解釋。輝光放電時，在兩個電極附近聚集了較多的異號空間電荷，因而形成明顯的電位降落，分別稱為陰極壓降和陽極壓降。陰極壓降又是電極間電位降落的主要成分，在正常輝光放電時，兩極間的電壓不隨電流變化，即具有穩(wěn)壓的特性。

輝光放電時，在放電管兩極電場的作用下，電子和正離子分別向陽極、陰極運動，并堆積在兩極附近形成空間電荷區(qū)。因正離子的漂移速度遠小于電子，故正離子空間電荷區(qū)的電荷密度比電子空間電荷區(qū)大得多，使得整個極間電壓幾乎全部集中在陰極附近的狹窄區(qū)域內(nèi)。這是輝光放電的顯著特征，而且在正常輝光放電時，兩極間電壓不隨電流變化。

在陰極附近，二次電子發(fā)射產(chǎn)生的電子在較短距離內(nèi)尚未得到足夠的能使氣體分子電離或激發(fā)的動能，所以緊接陰極的區(qū)域不發(fā)光。而在陰極輝區(qū)，電子已獲得足夠的能量碰撞氣體分子，使之電離或激發(fā)發(fā)光。其余暗區(qū)和輝區(qū)的形成也主要取決于電子到達該區(qū)的動能以及氣體的壓強（電子與氣體分子的非彈性碰撞會失去動能）。

輝光放電是種低氣壓放電(Low pressure discharge)現(xiàn)象,工作壓力一般都低于10 mbar,其基本構(gòu)造是在封閉的容器內(nèi)放置兩個平行的電極板,利用產(chǎn)生的電子將中性原子或分子激發(fā),而被激發(fā)的粒子由激發(fā)態(tài)降回基態(tài)時會以光的形式釋放出能量。

采取理論分析、數(shù)值模擬和多種診斷結(jié)合的方法，研究大氣多束針狀負電暈放電轉(zhuǎn)變成輝光放電新現(xiàn)象的物理機制，建立定量描述這種放電模式轉(zhuǎn)變的物理和數(shù)學模型。從理論和技術上驗讓建立這種新型大氣輝光放電等離子體源的可行性，為其設計和應用奠定基礎。

電暈放電的特征是伴有“嘶嘶”的響聲，有時有微弱的輝光；當導體上有曲率半徑很小的尖端存在時，則發(fā)生電暈放電。電暈放電可能指向其他物體也可能不指向某一特定方向。電暈放電時，尖端附近的場強很強，尖端附近氣體被電離，電荷可以離開導體；而遠離尖端處場強急劇減弱，電離不完全，因而只能建立起微小的電流。電暈放電的特征是伴有“嘶嘶”的響聲，有時有微弱的輝光。電暈放電可以是連續(xù)放電，也可以是不連續(xù)的脈沖放電。電暈放電的能量密度遠小于火花放電的能量密度。在某些情況下，如果升高尖端導體的電位，電暈會發(fā)展成為通向另一物體的火花。

形成電暈所需電場不均勻的程度與氣體的種類有很大關系。在負電性的氣體中，當電極為球一平面、電極間隙為球半徑時，產(chǎn)生電暈放電。相反，若氣體為非負電性氣體時，則不產(chǎn)生電暈放電。

電暈放電的極性決定于具有小曲率半徑電極的極性。如果曲率半徑小的電極帶正電位，則發(fā)生正電暈放電，反之發(fā)生負電暈放電。此外，按提供的電壓類型也可將電暈放電分為直流電暈、交流電暈和高頻電暈。按出現(xiàn)電暈電極的數(shù)目分為單極電暈、雙極電暈和多極電暈。