輝光放電等離子體

輝光放電又稱高頻放電，是低壓氣體中顯示輝光的氣體放電現(xiàn)象，目前廣泛采用的低溫等離子體產(chǎn)生方式之一。輝光放電所需要的壓強(qiáng)一般在10Pa~104Pa，電壓約為0.4kV~8.0kV。在一定范圍內(nèi)，放電電流的波動(dòng)不會(huì)造成電壓的改變。因此，輝光放電具有特有的穩(wěn)壓特性。

輝光放電的產(chǎn)生機(jī)制為空氣或惰性氣體在兩極電壓較高時(shí)，氣體中電子在電場(chǎng)的作用下獲得足夠動(dòng)能被加速，不斷碰撞氣體分子，將中性原子和分子激發(fā)，在放電空間引起電子雪崩其特點(diǎn)為電流強(qiáng)度僅為幾毫安，放電氣體溫度低。

輝光放電是迄今為止被研究的最多的一種放電形式，由于其放電過(guò)程中存在特殊的柔和光輝，因此稱為輝光放電。低氣壓下氣體放電的典型的伏安特性曲線如圖1-1所示。隨著放電電流的增加，對(duì)應(yīng)出現(xiàn)了暗流區(qū)(AB)、湯生放電區(qū)(BC)、輝光放電區(qū)(CF)、輝弧轉(zhuǎn)換區(qū)(FG)及電弧放電區(qū)(G以后)。其中，暗流區(qū)由于電離較弱，電流不穩(wěn)定沒(méi)有持續(xù)流動(dòng)，為非自持放電。輝光放電區(qū)(CF)包含前期輝光放電(CD)、正常輝光放電(DE)及反常輝光放電(EF)。其中正常輝光放電(DE)的維持電壓較低，電流大小皆為mA級(jí)別。輝光放電作為居于電暈放電和電弧放電的中間過(guò)程，具有電流密度小、維持電壓穩(wěn)定、放電均勻穩(wěn)定的特點(diǎn)，其放電電流的大小一般在幾毫安到幾百毫安之間，放電的溫度較低，不會(huì)對(duì)被處理樣品造成電損傷和熱損傷，是最為理想的放電狀態(tài)。

圖1-1低氣壓下氣體放電的伏安特性曲線

1831年，法拉第在低氣壓的條件下，第一次發(fā)現(xiàn)了輝光放電的現(xiàn)象。輝光放電可分成正常輝光放電、準(zhǔn)輝光放電、反常輝光放電三種類型，圖1-2為低氣壓條件下典型輝光的放電形態(tài)。正常輝光的明顯特征就是存在明暗交錯(cuò)、按規(guī)律分布的輝光區(qū)與暗區(qū)，主要分為四個(gè)部分，分別為陽(yáng)極區(qū)、陰極區(qū)、正柱區(qū)和過(guò)渡區(qū)。

圖1-2 低氣壓下典型輝光的放電形態(tài)

陽(yáng)極區(qū)包括陽(yáng)極輝光與陽(yáng)極暗區(qū)，陽(yáng)極區(qū)的主要作用是貫通放電的正柱區(qū)和陽(yáng)極，使電子能夠運(yùn)動(dòng)至陽(yáng)極從而在回路中形成電流，使放電持續(xù)進(jìn)行。由于正離子逐漸遠(yuǎn)離陽(yáng)極，且運(yùn)動(dòng)速度較慢，電子被陽(yáng)極吸收后，從而降低陽(yáng)極附近的電場(chǎng)強(qiáng)度、增強(qiáng)空間內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而形成陽(yáng)極輝光與陽(yáng)極暗區(qū)。正柱區(qū)又稱作陽(yáng)光柱，是放電通道中體積最大的區(qū)域，正柱區(qū)內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度沿軸向近似相等，壓降幾乎為零，內(nèi)部為典型的等離子體區(qū)域，電子密度與正極性離子密度幾乎相等，對(duì)外呈電中性。在低氣壓的條件下，正柱區(qū)為均勻柔和的輝光，而在大氣壓的一定條件下，可能表現(xiàn)為明暗相間的光層，而在大氣壓等離子體射流中缺少陰極，放電幾乎全部為正柱區(qū)。過(guò)渡區(qū)分為負(fù)輝區(qū)與法拉第暗區(qū)，過(guò)渡區(qū)是輝光放電中壓降最高的地方，大部分的能量損失聚集在這里，因此負(fù)輝區(qū)也是整個(gè)放電區(qū)域中發(fā)光亮度最強(qiáng)的地方，由于在負(fù)輝區(qū)損失較多能量，電子損失能量，而在法拉第暗區(qū)積累能量加速，因此出現(xiàn)暗區(qū)。陰極區(qū)包含阿斯頓暗區(qū)、陰極輝區(qū)和陰極暗區(qū)三個(gè)區(qū)域。陰極區(qū)的電場(chǎng)分布非常不均勻，在陰極表面電場(chǎng)最強(qiáng)，隨著到陰極距離的增大而減小。其中陰極輝區(qū)會(huì)產(chǎn)生大量的激發(fā)原子，陰極暗區(qū)中有顯著的γ過(guò)程，在陰極發(fā)射大量的二次電子，可以維持放電，所以陰極區(qū)是維持放電的重要區(qū)域，更是必不可少的區(qū)域。

輝光放電等離子體是一種新型、環(huán)保且適用性強(qiáng)的表面處理方法，具有放電均勻性好、放電效率高、活性粒子豐富和等離子體密度高等優(yōu)點(diǎn)，且不存在明顯的電流脈沖。目前在污水處理、滅菌消毒、表面改性和分析儀器離子源等領(lǐng)域多有應(yīng)用。