空气中大气压下均匀辉光放电的可能性
高电压技术中的气体放电及其应用探析
高电压技术中的气体放电及其应用探析高电压技术随着不少工业和研究领域的发展需要而发展在电力工程中有最广泛的应用。
国外随着电力供应及可靠性要求的不断提高，刺激着高电压技术的发展。
我国的电力发展要求逐步建设大量的超高压电网和输变电设备，无论从制造或从引进消化国外设备和技术来看，积极研究、发展高电压技术都是必不可少的由于气体放电在材料处理、热核聚变、环境净化以及等离子体推力器等各个前沿科学领域中具有广泛的应用。
分析了直流辉光放电、介质阻挡放电、大气压辉光放电、电子回旋共振放电、容性耦合射频放电的国内外研究现状，最后介绍了气体放电等离子体的应用领域。
1 绪论1.1 研究目的和意义1.1.1 气体放电研究目的我国国土辽阔水力、煤炭、石油资源虽十分丰富，但其分布偏离用电中心很远，因而大力发展大容量远距离输电是必然的趋势传统的交流电力系统作为主要对象的“高电压技术，根本没有或很少涉及这些间题，严格地说，只能称之为“交流高电压技术”，这种状况显然不能适应今后直流输电技术加速发展的现实。
我认为条件正在逐渐成熟，现在已经是让“高电压技术”这门学科全面包括交流和直流两个部分的时候了。
1.2 气体放电研究意义由于所用材料上的变革，已经出现了一些可使结构更紧凑、技术经济上更好的产品。
SFe气体绝缘变电站、SP。
断路器、真空断路器、可控硅换流阀、金属氧化物避雷器等。
这些设备中的放电机理、在各种工作条件下的特性，它们的测试和与它们有关的过电压问题等都尚待进一步研究。
合成绝缘子的应用可缩小线路尺寸，但它在户外的长期绝缘特性问题、机械强度和防水问题等都有待研究。
塑料电缆应用日广，但尚需对绝缘中的树枝（水、电）发展机理、防水、防杂质问题进行研究。
此外，在环境方面如高海拔、污秽等外界因素对外绝缘的影响仍需研究。
高压试验对测量技术也要求改进，如要求能测量更快速的暂态，要求广泛应用数字化技术。
与此有关，随着电子设备增多的弱电和强电设备间的电磁兼容问题也更为迫切了。
辉光放电的原理及应用
辉光放电的原理及应用辉光放电是一种电现象，指的是在低压条件下，在气体或气体混合物中，通过电场作用引发的气体电离现象。
辉光放电的原理是基于电子的激发和电离，它的应用广泛，包括荧光灯、氖氮激光器、等离子体显示器、高压放电杀菌等领域。
1.初级电离：在电源施加电场后，电子会被电场加速，并与气体分子相互碰撞。
当电子具有足够的动能时，它们可以将气体分子击碎，并释放出更多的电子。
这个过程被称为初级电离。
2.二次电离：释放的电子会与更多的气体分子相互碰撞，将它们也击碎并释放出更多的电子。
这个过程被称为二次电离。
不断的电离过程会导致电子数的指数增长，形成一个电子数密度很高的电子云。
3.正离子产生：在电场中，电子和阳离子受到电场的作用而朝着相反的方向运动。
在这个过程中，电子和阳离子会与分子发生碰撞，使得分子失去电子并变成正离子。
4.辉光的产生：当正离子重新结合时，辐射出辉光。
这种可见光辉光的颜色取决于气体的种类和中性分子的振动和旋转等能级结构。
1.荧光灯：荧光灯通过辉光放电将电能转化为可见光。
荧光灯的内部有一个玻璃管，内部充满了荧光粉。
当电场作用于荧光粉时，辉光放电激发了荧光粉并产生可见光。
相对于传统的白炽灯，荧光灯能够更高效地转化电能为光能。
2.氖氮激光器：氖氮激光器利用辉光放电产生激光。
氖气和氮气通常被充满在气体激光器管中。
施加电场后，辉光放电会在气体管内产生，通过激光共振效应，产生出一束高能量、单色、相干的激光光束。
3.等离子体显示器：等离子体显示器是一种新型的显示技术，利用辉光放电产生的等离子体来发光。
等离子体显示器能够提供更高的亮度、更快的刷新率和更广的可视角度。
4.高压放电杀菌：辉光放电产生的加热作用和电离作用可以对水和空气中的细菌和病毒进行灭菌。
这种技术可以应用于饮用水净化、食品处理等领域。
总结起来，辉光放电是一种气体电离现象，利用电场作用产生的电子激发和电离来产生光和等离子体。
通过合理地控制电压和气体种类等参数，辉光放电可以应用于荧光灯、激光器、等离子体显示器和高压放电杀菌等各种领域。
大气压空气针针电极结构辉光一弧光放电等离子乍光谱特性研究,
摘 要： 本文利用阻容耦合 方式 ， 成功的在大 气压空气 中获得 了具有弥散 结构的针 针电极结构的辉无放 电等 离子体 ， 并利 用发 射光 谱 对辉光放 电等 离子体温度特性进行 了诊 断研 究。研究表明 ， 离子体 气体温度开始随放 电电压的增大而升 高， 等 并在一定 的电压条件下 温度 发 生跳 变 ， 实现 放 电在较 高 温度 、 较低 温度 的辉 光放 电 和弧 光 放 电三 种放 电 形 式之 间的 转 变 。 关键词 ： 辉光放 电； 发射光谱 ； 离子体温度 ； 等 大气压
科 技 论 坛
・ ３・ ６
大气压空气针针电极结构辉光一 弧光放 Ｉ等离子体 电 光谱特性研究 ，
乔桂花 吴军辉 ２ 张高潮 ’ 杨德正 ’ （、 １ 河南平高电气股份有限公 司， 河南 平顶山 ４７ ０ ２ 平顶 山平 高安川开关电器有限公司 ， 南 平顶 山 ４ ７ ０ ） 光是产生低温非平衡等离子体最常用的方 法之一， 被广泛的应用于微电子刻蚀、 材料表面改 性、 杀菌消毒 、 薄膜沉积、 室内有害气体脱除、 污水 处理等领域。但是 ， 在大气压条件下， 放电通道的 热紧缩化、电流密度的急剧增加等使辉光放电极 易转换为丝状放电或者弧光放电。由于弧光放电 具有非常高的等离子体气体温度 ，对材料的烧蚀 作用明显 ， 严重限制了大气压放电等离子的应用。 如何在大气压实现均匀的辉光放电成为目前世界 科学家们研究的热｜和难点。 在过去的二十年中，大气压辉光放电的研究 在世界范围内取得了长足的进展。１８ 年 日本学 ３ ９８ 者 Ｏ ａａ ｉ 、 ａｓ ｅ 等圈 ｏ 等晰 ｋｚｋ 等 Ｍ ｓｉ ｓ 、Ｒ ｔ ｎ ｈ 在氩 ’ 丽 气、 氦气 、 氦气和丙酮混合气中实现了均匀大气压 放电， 并进行了理论与应用研究。 ａ 等 Ｒ ｊ 结合实 ￡ ａ 验结果和数值模拟计算研究了介质阻挡氦气大气 鱼 Ｅ Ｅ Ｆ － 压辉 光放 电产 生的多 电流峰 特 陛。 ｏａ ｉ Ｎ ｚｋ 等晰 究 山 了大气压下介质阻挡丝状放电和辉光放电的热转 换机制及能量分布。 在国内， 王新新 唰 用 Ｃ Ｄ Ｃ Ｗａ ｅ ｎ ｔ ｎ ｖ ｌ ｇｈ（ｍ） ｅ 相机研究了大气压介质阻挡氦气汤森放电向辉光 放电模式转变的过程， 并对大气压辉光放电进行 图 ３气 体 温 度 为 ６ ０ Ｋ条 件 下 实 ２ 图 ４不 同 电极 间隙 下气 体 的转 动 温 度 了数值模拟研究。本文利用发射治 普 对阻容耦合 验和拟合的 Ｎ ＋ ｕ ｇ０ ０ ２Ｂ （ —Ｘ ＋ — ） ， 随放甩电压的变化关 系（ 电频率 放 针针电极结构实现的大气压辉光放电等离子体进 发射光谱图。 ｆｌ Ｈ ） ＝ ０ ｋ ｚ 行了光学诊断并计算了等离子体的气体温度 ， 另 电压的变 化过程 没有 出现 放 电细 丝或 苦 电通道 的收缩现 象 。 放 夕谚院 了放电电压和电极间隙放电等离子饰气 体温度的影响。 ｆ ３ 大气压辉光放电等离子体光谱与气体温度测量 ． ２ ２实验装置 在大气压辉光放 电中， 由于电子具有高的迁移率 ， 可以在瞬变电场 实验装置主要由放 电回路和光谱测量系统两部分组成 ，如图 １ 所 示。实验放电回路主要 由交流电源、 电电极、 放 电容器组和 电阻 四个部 中得到加速获得很高的动能。高能量 电子与周围的分子发生非弹性碰 产生 Ｏ Ｏ， Ｎ， Ｏ ，＋ 和 ０＿ Ｈ， Ｈ， Ｈ ： ， Ｎ Ｎ ２等潘 ｌ粒子。在大气压条件下 ， 生 分。 正弦交流电源可以提供 ０ ５ Ｖ的放电电压和 ５ １ Ｈ 的放电频 撞 ， — ０ｋ — ５ｋ ｚ 空气 中放 电的发射光谱主要 由 Ｎ （３ Ｂ Ｉ） Ｎ＋（： ， ： Ⅱ Ｃ ３Ｌ 和 ２ Ｂ 一ｘ ： 率， 电容器组通过合适的并联和串联可以提供 ｎ — ０ Ｆ的电容 ， １ １０ｎ 电阻 ∑ ｇ０ ， 构成。ＬＦ Ａ Ｅ软件是一欹 可以根据分子 的转动温度确定 ＩＢ Ｓ 可以在 １０ — ０ ０ Ｑ 范围内调解 。 支针状 固定在聚四氟支架 ｔ， ００ ５０ ２ 电极 转动光谱的拟合软件。 通过与买验测得的 Ｎ ｘ∑ 一 郏 嘴 尖端直径为 ０ 电极间隙在 ０ ５ ｉ 范围内可调。为使放 电达到 相应的 ． ｍｍ， ８ — ０ｍｌ ｌ 最理想的效果 ， 电容器和电阻值分别固定在 １． Ｆ和 ２ ０ 实验过 带进行 比对，并根据吻合时的模拟光谱的转动温度确定 Ｎ＋ ６ｎ ４ ５０ Ｑ， ２的转动温 图 为在应用电压为 ２ Ｖ、 ４ｋ 驱动频率为 １ Ｈ 、 ０ｋ ｚ电极间隙为 ５ｍｍ 程 中产生 的光信号通过光纤探头收集并经光纤传输至 ＭＯ Ｅ ５ ０ 度。 ３ Ｄ Ｌ ２ ０ｉ ： ＝ ｘ 一 ） 光栅单色仪 （ ２ ０ 条 ｍ １闪耀波长 ２ ０ｎ ） 光栅 ４ ０ ｍ一 ， ０ ｍ进行分光 ， 单色仪 时放电产生的氮分子离子第一负带 Ｎ ２ — ０ ０ Ｏ 发射光谱及 ＬＦ Ａ Ｅ ＩＢ Ｓ 模拟的温度为 ６０Ｋ的 Ｎ １ ２ ２ Ｂ ｏ ｏ的发射光谱。从 －） 输出的光信号由Ｃ Ｄ转换为数字信号， Ｃ 并通过计算机采集。 ３ 果与讨 论 结 图中可以观察到 ， 实验光谱和模拟光１吻合程度较高， 普 即可 以确定等离 子体的气体温度为 ６ ０Ｋ ２ 。 ３ ． １大气压－ 气炳≥ 放 电图像 空 匕 通过确立合适的电容和电阻值， 升高放电电压带来的电流密度正反 ３ ． ３应用电压对大气压辉光放电等离子体气体温度的影响 在大气压空气中， 电压对大气压辉光放 电等离子体气体温度的影响 馈增长得到有效的抑制， 使大气压辉光放电得到产生。图 ２ 为不 同电压 ｃｋ ｚ ｍ ５ 下大气压辉光放电照片，放 电电路中电容和 电阻值分别为 １． Ｆ和 如 图 ４所示 。实验的驱动频率为 １ Ｈ ，电极 间隙分别 为 ３ｍ ， ６ｎ ４ ２ ０ 电极间隙为 ５ｍ 放电频率保持在 １ Ｈ 。 ５ ０ ｎ， ｍ， ０ｋ ｚ从图中可以看 出， ｍｍ ７ｍｌ 从图中可以看 出， ， ｉ。 ｌ 等离子体的气体温度随着电压的升高而升 并在不同位置出现一次气体温度的急剧升高。当电极间隙为 ３ｍｍ 整个放电的形态随电压变化保持稳定 。当放电电压峰峰值超过 ２ Ｖ 高， ２ｋ 时， 整个气｜ 体间隙得到击穿 ， 放电由电晕放电过渡到辉ｌ 电。 光放 随着电压 时， 等离子体具有较高的初始气体 蔓， 当放电电压升高到超过 ２ ｖ ４ｋ 等离子体的气体温度发生跳变，｝ ６ ０ 于 至 ０ ０ Ｋ以上， 此时辉光放电已 的增长 ， 放电区域直径逐渐增大， 放电的颜色也由紫色变为橙黄色 ， 整个 时， 经转换为弧光放电。当电极间隙为 ５ｍｉ和 ７Ｉｍ ｌ ｌ ｌ （ Ｔ 下转 ２ ８页 ） ６
空气中交流针-水电极大气压辉光放电
关键词 ：空气等 离子体 ；大 气压 ；辉光放 电 中图分 类号 ： ３ ０５ ９ 文献 标识 码 ： Ａ
０ 引
言
的交流辉 光 放 电 ， 以拓 宽非 平衡 等离 子 体 的应用
范围．
大气压低 温等离 子体传 统 的产生方式 主要 是
电晕放 电和介质 阻挡 放 电．电晕放 电是一种 比较
１ 阻容 耦合 负反 馈针 一 电极 大气压 辉光 放 电 是 水
系统简 图．该系统 中每 个 电极 都接有 一个 电阻 Ｒ
和 电容 Ｃ， 如 高 压 针 电极 接 有 电阻 Ｒ 例 和 电容 Ｃ， 低压水 电极接 有 电阻 Ｒ 和 电容 Ｃ ．这 些耦合 ２ 电阻 与电容能够 提供 一个 有效 的控制放 电发展过
１ 阻 容 耦 合 负 反 馈 交 流 针 一水 电 极 大 气 压 辉 光 放 电 机 制
等离 子体 放 电是一个 正反馈 过程 ．放 电发生 后 ， 电电流迅速 增长 ， 生大量 的带 电粒 子和热 放 产 量， 引起 电极 间 隙 电阻 下 降 ， 致 电流 进 一 步增 导 加， 从而形 成正反 馈过程 ， 电变 得更强烈 而不稳 放 定 ， 速完 成 击穿 过程．因此在 高气 压下 很 容易 迅 过渡到 火 花放 电状 态 ， 这就 是在 大气 压 空气 中用
大 时．文献 ［］中的空气 中大气 压 辉光 放 电需 要 ２
采用 大 电阻镇 流 和高 速 气 流稳定 放 电， 能量 利 用
效率低．本文采用阻容耦合负反馈方法控制放 电
的发 展正 反馈 过 程 引起 的 负载 及 热不稳 定 性 ， 同 时利 用水 电极 良好 的热传 导性 能增强放 电的稳 定 性 ， 大气 压静 态 空气 中 用 针 一 电极 产生 稳 定 在 水
气体放电
2.4大气压下辉光放电（APGDs）上文提到，辉光放电可以放生在很长的气压范围内。
典型的气压范围约为100Pa，在更高的气压（甚至大气压）下，辉光放电也会发生，但是比较容易导致气体或者电极过热或产生电弧。
根据经典论的相似性，如果保持乘积pd为常数，当d减小时就可以增大气压p。
因此，小型化的放电设备就能在大气压下（甚至更高气压）产生辉光放电。
在Schoenbach 等、Stark以及Schoenbach的著作中，提出了大气压下空心阴极微小放电现象。
空心阴极大的直径大约100-200μm。
在Czerfalvi等和Mezei等的著作中，用电解质做阴极实现了在大气中大气压下小的放电。
在Eijkel等的著作中，提出了大气压下在一个微芯片中氦的直流辉光放电从而实现了具有分子发射探测器的气相色谱法（例如对甲烷、氦气等）。
典型的维度是长度是1-2mm，宽度和高度为几百μm，使得这成为典型的等离子体存在的体积50-180nl。
另外，Blades等以及Sturgeon和其同事的分析应用著作中，大气压下电容耦合射频放电已经有了很多的应用，近期罗马尼亚的一个科研小组也对此发表了文章。
除了能减小放电的空间尺度外，在技术应用中的大气压下稳定放电（APGDs）在其他能满足的条件下也可以进行，比如电极、介质气体和所加电压的频率。
典型的APGDs是在至少一个电极上加上介质，然后在交流电压下进行。
例如，氦能够引起稳定的均匀辉光放电，而氧和氩气容易引起到从辉光放电到丝状放电的过渡。
然而，通过改变电极的结构也能使它们完成均匀辉光放电。
图5图5所示为典型的应用到等离子体聚合的APGD的示意图。
辉光放电产生于两平行板电极间，极板表面覆盖了电介质（例如氧化铝）。
放电中包含等离子体中特殊单体聚合体和作为介质气体的氦气的气体流。
所加电压是20kV，频率是1-30kHz。
极板间距典型值是几个毫米。
APGDs的最大优点是非真空，这就大大降低了成本和辉光放电的操作复杂程度。
大气压介质阻挡辉光放电中放电电流的测量与分析
果表明壁电荷 主要是在放 电电流脉冲持续 期间积累的 ， 但电流脉冲结束 后 ，由于气隙电压 没有改变极性 ，壁
电荷还会 逐渐 积累，气隙电压改 变极性后 ，壁电荷量 随时间减小 。这些结果对 壁电荷在介质阻挡辉光放电中 作用的深 入研究和大气压介质阻挡辉光放电的工业应用具有重要意义 。 关键词 介质 阻挡放 电；大气压辉光放 电；壁电荷
样 测 量 的放 电 电流 一 般 叠 加 在 正 弦 波 形 的 位 移 电流 上 。因 此
尾气中的有害气体 ， 从而也表现 了很好 的环保效 益ｌ 。 对 ２ 但 ］ 于大规模工业生产而言，使用低气压放 电产生等离子体存在
着致命 的弱点 ： 电必须维持在低气压状 态 ， 以实现流水 放 难 线 连续生产 。 显然 ， 工业 应用角度 而言 ，人们更需 要在 大 从 气 压条件产生低温等离子体 。在高气压下 放电一般会过渡 到 弧 光放 电或者电火花 ， 这样 产 生的等离 子体也 是不均匀 的， 因而如何实现在大气 压下 的均匀辉 光放 电（ 即大气 压辉光放
课题开展 了更为广泛 的理论和实验研究工作Ｌ ６。 ５ ］ ．
目前利用介质 阻挡放 电装置 已经在 氦气 、氖气 、氮 气 、
收稿 日期：２ ０～９０ 。修订 日期 ： ０ ６１—６ ０ ６０ —２ ２ ０—２１
基金项 目：国家 自然科 学基金项 目（ Ｏ ４ １３ ，河北省教育厅项 目（ ０ ６０ ） １ ６ ７ ２） ２０ １ ６和河北大 学 自然科学基金项 目（０ ６６ ） ２０ ０ １资助 作者简介：李雪 辰，１ ７ 年生 ， ９６ 河北大学物理科学与技术学 院副教授 ｅｍａ ： ｄ ｍａｌｈ ｕ ｅｕ ｃ － ｉｘ囝 ｌ ｉ ｂ ．ｄ ．ｎ ．
介质阻挡放电及其应用
介质阻挡放电及其应用王新新(清华大学电机系,北京100084)摘 要:为使读者比较全面地了解介质阻挡放电,根据气体放电理论和实验结果,对介质阻挡放电进行了综述。
首先提出了只有拍摄曝光时间为10ns 左右的放电图像才能判断放电是否为均匀放电,即使是均匀放电,也不能统称其为大气压辉光放电,还必须进一步区分它是辉光放电还是汤森放电。
其次,说明了只有增加放电的种子电子,使放电在低电场下进行才有可能实现大气压下均匀放电。
最后,根据放电图像、电流电压波形、数值模拟结果,证明了大气压氦气均匀放电为辉光放电,而大气压氮气均匀放电为汤森放电。
最后还简要介绍了3种介质阻挡放电的主要工业化应用 大型臭氧发生器、薄膜表面的流水线处理、等离子体显示屏。
关键词:介质阻挡放电;大气压辉光放电;汤森放电;辉光放电;气体放电;等离子体表面处理中图分类号:T M 213;T M 89文献标志码:A 文章编号:1003 6520(2009)01 0001 11基金资助项目:国家自然科学基金重点项目(50537020);博士点专项基金项目(20040003011)。
Project Su pported by National Natural Science Fou ndation (50537020),Special Resear ch Fund for the Doctoral Program of H igh er Education(20040003011).Dielectric Barrier Discharge and Its ApplicationsWAN G Xin x in(Department of Electrical Eng ineer ing,T singhua Univer sity,Beijing 100084,China)Abstract:In or der to compr ehensively under stand D BD,w e r ev iew ed the investig atio ns of dielect ric bar rier discharg e (DBD)by fo cusing o n t he physics relat ed to the unifo rm dischar ge at atmospher ic pressur e.It is sug gested that the best way to disting uish a unifor m dischar ge fro m a filamentar y one is to take a picture w ith an ex posur e time of about 10ns.Ev en fo r a real uniform discharg e,it is import ant to fur ther distinguish a g low dischar ge fr om a T o wnsend discharg e.T he o nly w ay to get a unifo rm discharg e at atmo spheric pressur e is to make the discharg e at a low er elec tr ic field by incr easing the seed electro ns initiating the dischar ge.Recently,the unifor m dischar ges at atmospher ic pr essure have been o btained in helium and nitrog en,i.e.,subno rmal g low discharg e in helium and T ow nsend dis charg e in nitro gen.M o reov er,we briefly intr oduced thr ee indust rial applicat ions of DBD plasmas,including the ad v anced o zo ne g ener ator ,continuous do uble sided t reatment of foil surface,plasma display panel.Key words:dielect ric bar rier discharg e;atmospher ic pressure g lo w dischar ge;T o wnsend discharg e;glow dischar ge;gas dischar ge;plasma surface modificat ion0 引言近20年来,气体放电产生的低温等离子体得到越来越广泛的应用,等离子体处理技术应运而生。
辉光放电
辉光放电现象
低压气体中显示辉光的气体放电(空气中的电子大概在1000对/cm3,高压放电现象在低气压状态下会产生辉光现象）现象，即是稀薄气体中的自激导电现象。
在置有板状电极的玻璃管内充入低压（约几毫米汞柱）气体或蒸气，当两极间电压较高（约1000伏）时，稀薄气体中的残余正离子在电场中加速，有足够的动能轰击阴极，产生二次电子，经簇射过程产生更多的带电粒子，使气体导电。
辉光放电的特征电流强度较小（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。
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空间电荷区[1]。
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，使得整个极间电压几乎全部集中在阴极附近的狭窄区域内。
这是辉光放电的显著特征，而且在正常辉光放电时，两极间电压不随电流变化。
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能）。
辉光放电的主要应用利用其发光效应（如霓虹灯、日光灯）以及正常辉光放电的稳压效应（如氖稳压管）。
低压气体放电的一种类型，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。
在玻璃管两端各接一平板电极，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10-4～10-2A。
放电形式与气体性质、压力、放电管尺寸、电极材料、形状和距离有关。
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用于工业生产的是大气压下空气中放电产生的等离 子体 - 虽然大气压下空气中电晕、 电弧、 介质阻挡放 电都能产生等离子体， 但电晕放电太弱因而处理效 率低； 电弧放电太强将损坏试品； 介质阻挡放电通常 是由一些具有较高能量密度的放电细丝组成的， 它 难以对材料进行均匀处理， 并可能损坏试品 - 因此， 最佳选择是功率密度适中 （ !" .0 ・1.
明亮的辉光层； 而间隙中间部分是相对暗层 ! 这与辉 光放电中阴极区是明亮的负辉光区， 其余部分是相 对较暗的正柱区的现象是一致的 ! 由于外加电压是 交变电压， 上下电极随时间交替为阴极， 因此， 图/ 所示的时间积分放电图像中靠近上下电极处均呈现
［1］ 出明亮的负辉光层 ! 另外， 法国的 9:;;<=*; 等 对大 气压下氦气在介质阻挡电极中的放电过程进行了数
图 & /%% 空气间隙中的大气压下似辉光放电
我们还对美国 @ABC 教授提出的离子捕获 （ <A=D ［5］ 机理 进行了实验验证 ! @ABC 认为： 如果选 B):’’<=>） 择合适的工作电压频率， 使间隙中放电产生的离子 来不及在外加电压的半周期 $ % / 时间内 （即外加电 场改变极性之前） 全部抵达阻挡介质， 这将在气体间 隙中留下空间电荷， 下一个半周期放电过程将受此 空间电荷的影响， 所需的放电场强将明显降低， 有利 于避免流注放电的形成 ! 对于产生大气压下辉光放 电而言， 合适的电压频率是使电场只捕获离子而不 捕获电子， 即
值模拟， 结果表明放电通道中各种参量 （电场、 电荷 密度等） 分布与低气压下辉光放电很相似， 同样存在 相对高场强的阴极位降区和等离子体的正柱区 ! ! ! $" 空气放电实验 实验表明空气中实现大气压下辉光放电的难度 很大 ! 当空气间隙为 /%% 时， 以肉眼观察， 间隙中放 电是均匀的， 我们称之为似辉光放电， 如图 & 所示 ! 增大空气间隙长度， 间隙中开始出现放电细丝 ! 当空 气间隙为 1%% 时， 放电已经是明显的丝状 （流注） 放 电， 如图 0 所示 ! 此时， 将放电时空气间隙上外加电 压的峰值 ! >， %:+ 除以间隙长度 " 所得到的平均电场 ・$% 7 " ， 大大高于氦气中放电的平均场 约为 &0?1,6 强 ! 因此， 当 #" 逐渐增大时， 必然出现流注放电 !
近年来， 低温等离子体在工业生产中得到越来 越广泛地应用， 如等离子体表面处理， 即利用等离子 体中的活性粒子对材料表面进行改性， 如薄膜或纺 织品的表面改性
［!］
- 多数低温等离子体是在几百帕
的低气压下通过气体放电产生的， 低气压等离子体 用于工业生产时必然存在以下的两个重要缺点之 采用低效率的分批处理方式， 它必须时常打开 一： !） 真空处理室取出成品， 添加试品， 难于连续生产； %）
图 ! " ## 空气间隙中的丝状放电
式中 ! 是气体间隙的距离； " $#% 是外加电压的有效 值； !& 和 !’ 分别是离子和电子的迁移率 # 在我们的 验证实验中， ! ( "##， "## & *+!",-・##./ % /) # )0,- # ) ) " " ［/0］ 人们的研究表明 离子迁移率在很大范围内与电 " $#% ! "$ % 场强度无关， 在标准状态下， 空气中正离子的迁移率
空气中大气压下均匀辉光放电的可能性
王新新 芦明泽 蒲以康
（清华大学电机工程系， 北京 !"""#$） （%""% 年 $ 月 %$ 日收到； %""% 年 & 月 !! 日收到修改稿）
利用介质阻挡电极结构， 对 !’"!(%) * !") +, 气压下空气间隙中的放电进行了实验研究， 数值模拟计算了实验 对于长度不大于 %.. 的空气间隙， 可能实现辉光放电 - 对于长度不小于 条件下电子雪崩的发展过程 - 结果表明： 如果不能设法降低放电场强， 放电必然是流注形式， 不可能实现辉光放电 - 另外， 实验结果未能验 ).. 的空气间隙， 证 “离子捕获” 机理降低放电场强而实现辉光放电的正确性 -
［$—&］
利用介质阻挡电
极结构， 通过电容耦合射频放电， 先后实现了在氦气 万方数据 或某些混合气体 （如氩气和丙酮混合气体） 中的大气
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物
理
学
报
1" 卷
电场下产生电子 ! 基于这个思想， 我们进行了实验研 究! !"#" 实验装置 图 " 是本文大气压下辉光放电实验装置原理 图 ! 和国内外的通行做法一样， 采用了介质阻挡电极 结构 （直径为 "#$% 的平行板电极上覆盖厚度为 &%% 的 ’()*+ 耐热玻璃） 和可变频 （ "—&# ,-.） 的准正弦 波高电压源 !
图"
大气压下辉光放电实验装置原理图
" 为真空室，/
为电极，& 为阻挡介质， 0 为真空规管，1 为气瓶，2 为过滤 器， 3 为流量控制器， 4 为抽真空机组，5 为分压器，"# 为气 体压力表，"" 为电流采样电阻， "/ 为电源，"& 为并联稳压 电容，"0 为外接示波器，"1 为接地点，"2 为绝缘子
图 / 1%% 氦气间隙中大气压下辉光放电图象 万方数据
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王新新等： 空气中大气压下均匀辉光放电的可能性
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米， 可以认为间隙中的外加电场 ( : 为均匀电场 # 一 个电子雪崩从阴极出发， 沿着 * 轴方向朝阳极前进， 扩散效应使得电子雪崩头部的电子云呈球状 # 由于 电子漂移速度 + ?’ 远远大于离子漂移速度 + ?&， 可以 假设电子雪崩中的电子离开某处后， 它们在该处电 离产生的离子呆在原处保持不动 # 因此， 电子雪崩后 面的离子分布在一个锥体内 #
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! ! !" 氦气放电实验 前面提到， 获得慢增长电子雪崩的一个可能的 做法是在低电场下产生电子 ! 因此， 选择低击穿场强 的气体是通常采用的措施 ! 氦气放电时的平均场强 约为 / ! 3 ,6 ・ 小于空气的 " 8 "# ! 图 / 是 1%% 氦 $% 7 " ， 气间隙中大气压下放电图像， 我们认为该大面积均 匀放电是大气压下辉光放电， 其根据是： 从图 / 中可 以明显地看到间隙上下两端靠近电极的区域是比较
.! ) ./ ・-） （ /） 式 # 将这些数据代入 !& ( / # *1 2 /0 #（ % 可知， 捕获离子所需的频率为 ’ 3 )/ # /,45， 我们选
图"
电子雪崩的发展模型
! # $# 计算方法及其所需的重要参数的确定 前面提到， 汤生放电转变为流注放电的判据是 我们的计算可归结为： 在一定 ( 89:$;’ ) ( : ( / # 因此， 的外加电场 ( : 下， 电子雪崩向前发展过程中， 空间 电荷在电子雪崩头部电子球表面最前端 , 点产生 的电场 ( 89:$;’ （ , ，- ） （ , ，- ）取决于图 " # 显然， ( 89:$;’ 所示的 （头部为电子球； 后部为离子锥） 空间电荷分 布. （ -） ， 即 （ ,， ( 89:$;’ - ）% ?/
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* # 理论计算
［6， 7］ 气体放电的理论和实验研究均表明 ： 当空
式中 0, 是空间元电荷 ? / 到 , 点的距离 # 图 " 所示的空间电荷分布 . （ -） 的相关计算公 式为 头部电子球内的总电子数 1（ ’ - ）% ’@A
间电荷在电子雪崩头部电子球前表面产生的电场 （通 常 取 ( 89:$;’ 与 外 加 电 场 ( : 为 相 同 数 量 级 时 ， 放电将从均匀的汤生 （ <=>;%’>?） 放 ( 89:$;’ ) ( : ( /） 电转变为丝状的流注放电 # 依照实验中的条件， 我们 对电子雪崩的发展过程及其对空间电场的畸变进行 了数值模拟计算， 并由此判断在较长 （ "##） 空气间 隙中实现大气压下辉光放电的可能性 # ! # "# 电子雪崩发展模型 本文建立的电子雪崩发展模型如图 " 所示： 两 万方数据 个很大的平行平板电极之间的空气间隙仅几个毫