輝光放電

1831~1835年,M.法拉第在研究低氣壓放電時(shí)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(shí)發(fā)現(xiàn)了陰極射線，成為19世紀(jì)末粒子輻射和原子物理研究的先驅(qū)。

大氣壓下輝光放電(APGD)

經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展，低氣壓低溫等離子體已取得了很大進(jìn)展。但由于其運(yùn)行需抽真空、設(shè)備投資大、操作復(fù)雜、不適于工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)，限制了它的廣泛應(yīng)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(wèn)題，無(wú)法規(guī)?；瘧?yīng)用于紡織品的表面處理。長(zhǎng)期以來(lái)人們一直在努力實(shí)現(xiàn)大氣壓下的輝光放電(APGD)。

1933年德國(guó)Von Engel首次報(bào)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(shí)現(xiàn)了輝光放電，但它很容易過(guò)渡到電弧，并且必須在低氣壓下點(diǎn)燃，即離不開(kāi)真空系統(tǒng)。1988年，Kanazawa等人報(bào)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(guò)實(shí)驗(yàn)總結(jié)出了產(chǎn)生APGD要滿足的三個(gè)條件：（1）激勵(lì)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(guó)的Massines和美國(guó)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(shí)現(xiàn)了大氣壓下“APGD”。1992年，Roth小組在5mm氦氣間隙實(shí)現(xiàn)了APGD，并聲稱在幾個(gè)毫米的空氣間隙中也實(shí)現(xiàn)了APGD, 主要的實(shí)驗(yàn)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(fù)載阻抗匹配。他們認(rèn)為“離子捕獲”是實(shí)現(xiàn)APGD的關(guān)鍵。Roth等人用離子捕獲原理解釋APGD，即當(dāng)所用工作電壓頻率高到半個(gè)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(shí)，將在氣體間隙中留下空間電荷，它們影響下半個(gè)周期放電，使所需放電場(chǎng)強(qiáng)明顯降低，有利于產(chǎn)生均勻的APGD。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室的一臺(tái)氣體放電等離子體實(shí)驗(yàn)裝置中實(shí)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?dú)?、空氣）間隙中做了大量的實(shí)驗(yàn)，并宣稱實(shí)現(xiàn)了大氣壓輝光放電。根據(jù)電流脈沖個(gè)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(gè)外加電壓半周期內(nèi)僅1個(gè)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(gè)電流脈沖，并且Lisajous圖形為斜平行四邊形，則為絲狀放電。法國(guó)的Massines小組、加拿大的Radu小組和俄羅斯的Golubovskii小組對(duì)APGD的形成機(jī)理也進(jìn)行了比較深入的研究工作。Massines小組對(duì)氦氣和氮?dú)獾腁PGD進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬 ，除了測(cè)量外加電壓和放電電流之外，他們用曝光時(shí)間僅10ns的ICCD相機(jī)拍攝了時(shí)間分辨的放電圖像，用時(shí)空分辨的光譜測(cè)量記錄了放電等離子體的發(fā)射光譜，并結(jié)合放電過(guò)程的一維數(shù)值模擬，他們認(rèn)為，氮?dú)庵械木鶆蚍烹娙詫儆跍烹?，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(rèn)為，得到大氣壓下均勻放電的關(guān)鍵是在較低電場(chǎng)下緩慢發(fā)展大量的電子雪崩。因此，在放電開(kāi)始前間隙中必須存在大量的種子電子，而長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)輝光放電。

從上個(gè)世紀(jì)末，國(guó)內(nèi)許多單位如科羅納實(shí)驗(yàn)室、清華大學(xué)、大連理工大學(xué)、華北電力大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、中科院物理所、河北師范大學(xué)等先后開(kāi)始了對(duì)APGD的研究。由于APGD在織物、鍍膜、環(huán)保、薄膜材料等技術(shù)里域有著誘人的工業(yè)化應(yīng)用前景，在大氣壓下和空氣中實(shí)現(xiàn)輝光放電產(chǎn)生低溫等離子體一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者探尋的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)。2003年，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)將“大氣壓輝光放電”列為國(guó)家重點(diǎn)研究項(xiàng)目。APGD的研究也取得了一些進(jìn)展，如He、Ne、Ar、Krypton惰性氣體在大氣壓下基本實(shí)現(xiàn)了APGD，空氣也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了用眼睛看上去比較均勻的準(zhǔn)“APGD”。

對(duì)APGD的研究結(jié)果和認(rèn)識(shí)是仁者見(jiàn)仁，智者見(jiàn)智。APGD的研究方興未艾，已經(jīng)受到國(guó)內(nèi)外許多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)的廣泛重視。由于大氣壓輝光放電還沒(méi)有一個(gè)認(rèn)可標(biāo)準(zhǔn)，許多實(shí)驗(yàn)所看到的放電現(xiàn)象和輝光放電很相似即出現(xiàn)視覺(jué)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(méi)有共識(shí)和定論。

次大氣壓下輝光放電(HAPGD)

由于大氣壓輝光放電技術(shù)雖有報(bào)道但技術(shù)還不成熟，沒(méi)有見(jiàn)到可用于工業(yè)生產(chǎn)的設(shè)備。而次大氣壓輝光放電技術(shù)則已經(jīng)成熟并被應(yīng)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(shí)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?yīng)用于表面聚合、表面接枝、金屬滲氮、冶金、表面催化、化學(xué)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(jué)特征呈現(xiàn)均勻的霧狀放電；放電時(shí)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(shí)不會(huì)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(shù)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(xué)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(dá)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。

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(gè)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(shí)會(huì)以光的形式釋放出能量。

輝光放電有亞正常輝光和反常輝光兩個(gè)過(guò)渡階段，放電的整個(gè)通道由不同亮度的區(qū)間組成，即由陰極表面開(kāi)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(fù)輝光區(qū)；⑤法拉第暗區(qū)；⑥正柱區(qū);⑦陽(yáng)極暗區(qū);⑧陽(yáng)極光層。其中以負(fù)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(guò)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(guān)，這些都可以從放電理論上作出解釋。輝光放電時(shí)，在兩個(gè)電極附近聚集了較多的異號(hào)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(yáng)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(shí)，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(shí)，在放電管兩極電場(chǎng)的作用下，電子和正離子分別向陽(yáng)極、陰極運(yùn)動(dòng)，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(yuǎn)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(gè)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(shí)，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(dòng)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(dá)該區(qū)的動(dòng)能以及氣體的壓強(qiáng)（電子與氣體分子的非彈性碰撞會(huì)失去動(dòng)能）。

輝光放電的主要應(yīng)用是利用其發(fā)光效應(yīng)（如霓虹燈、日光燈）以及正常輝光放電的穩(wěn)壓效應(yīng)（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(lái)，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(yīng)用。

由于其特點(diǎn)，輝光發(fā)電應(yīng)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(guān)。利用其在發(fā)射光譜中的應(yīng)用，可以檢測(cè)鉛的濃度等。

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(fù)電暈放電轉(zhuǎn)變成輝光放電新現(xiàn)象的物理機(jī)制，建立定量描述這種放電模式轉(zhuǎn)變的物理和數(shù)學(xué)模型。從理論和技術(shù)上驗(yàn)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(shè)計(jì)和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

電暈放電的特征是伴有“嘶嘶”的響聲，有時(shí)有微弱的輝光；當(dāng)導(dǎo)體上有曲率半徑很小的尖端存在時(shí)，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(shí)，尖端附近的場(chǎng)強(qiáng)很強(qiáng)，尖端附近氣體被電離，電荷可以離開(kāi)導(dǎo)體；而遠(yuǎn)離尖端處場(chǎng)強(qiáng)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(shí)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(yuǎn)小于火花放電的能量密度。在某些情況下，如果升高尖端導(dǎo)體的電位，電暈會(huì)發(fā)展成為通向另一物體的火花。

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