狭缝型微空心阴极维持放电等离子体
空心阴极灯激发的微波等离子体炬原子／离子荧光光谱研究—钙的原子／离子荧光光谱
５０ ＡＴ， Ｅ Ａ ｅｈ ０ ｇ西． Ａ） 加 热 温度 １０ 冷 却 ０ ０ Ｃ Ｔ Ｃ Ｔ ｃｎ１ ｉ ＵＳ ， ０ ４＂ Ｃ，
去溶温度 ４ ＂ Ｃ。样 品提升速率 １ ４ｍＬ ｍｉ一。 ． ・ ｎ ＭＰ Ｔ以及激发源 （ ｝ Ｈ Ｌ 等 装置 的工作条 件如表 Ｃ ） ２所示。文中若没有特殊说明 ， 系统均工作在此条件下 。
荧光测量 系统 中， 色仪 的入射和 出射 狭缝宽度是 必须 单 要考虑的因素之一 。一般 的做法 是使用较 宽的入射狭缝 ， 使 信号有较 大的光通量进人测量 系统 。在实验 中 ， 考虑到 ＨＣ Ｌ 聚光后斑 点的大小和 ＭＰ Ｔ放 电的空 问尺寸 ， 实验装 置允 在 许的条件下我们选择 人射狭缝 宽度为 ３ ０ｍ ． ０ 高度 ３ｒｍ， ｍ 出
基尘项 目： 国家自然科学基金（９ ３ １０ Ｉ ２ ７ ５ ６ ） ２ ２ ５ １ 一 ，９ ３ １０ 和教育部博士点基金（８ ３４ ３ 资助课题 ９０８０ ）
通讯联 系＾
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第２ 卷 ， １ ２ 第 期 ２ ００ ２年 ２月
光 谱 学
与 光 谱 分 析
ｖ ２ Ｎ ． ．ｐ ３ ６ ｄ．２． ｏ １ ｐ６ — ６
Ｆ ｂｕ ｒ ．Ｏ ２ ｅ ｒａ ｖ ２ ０
Ｓ ｅ ｔｏ ｃ ｐ ｎ ｐ ｃｒ ｌ ａｙ ｉ ｐ ｃｒ ｓｏ ｙａ ｄ Ｓ ｅ ｔａ Ａｎ ｌｓｓ
第 ｌ 卷 ２ ２
气流不稳定所造成 的背 景波 动 ， 同时避 免 ＭＰ Ｔ中部 附近最
微空心阴极放电
摘要：微空心阴极放电是空心阴极放电中的一种，它只是将阴极孔径变为了亚毫米量级，是在高气压下进行的辉光放电。
空心阴极放电效应具有一些独特的光学特性：能产生锐线光谱、大电流电子束、离子溅射作用强、高能电子数多。
空心阴极放电效应广泛应用到光谱分析、真空镀膜、表面处理、气体激光器等领域。
高气压下放电有利于三体碰撞形成准分子，产生紫外（UV）或真空紫外（VUV）辐射典型的空心阴极放电装装置：当阴极内径较大且气压较高时，阴极附近将出现阴极暗区和负辉区，而法拉第俺去和正柱区处在中央，此时缩小阴极内径尺寸或减小气压，则法拉第暗区和正柱区消失，处在中央的是负辉区。
即发生了空心阴极效应：负辉区的发光强度和电流密度大大增加，高能电子的密度比正常辉光放电时麦克斯韦分布要大得多。
发生空心阴极效应得机理是电子的摆动.从C1逸出的电子受到C1的电场加速，若能获得足够的能量入射到C2的阴极位降区，它将受到C2的电场排斥而返回C1。
电子的来回摆动大大增加了中性原子被激发和电离的机会。
要发生空心阴极效应PD值（气压和阴极孔径的乘积）有一定的取值范围。
随气压的增加，电子的平均自由程减小。
对于空心阴极放电，为了使负辉区重合，大孔径下必须减小气压；高气压下必须减小孔径。
通过减小阴极孔径到亚毫米量级，我们可以得到大气压下的空心阴极放电。
微空心阴极放电结构：利用微空心阴极放电产生空心阴极效应，不仅要满足PD值的要求，还取决于放电电流的大小。
当电流很小时，电场表现为轴向电场，放电模式为汤生放电模式，随电流的增加，轴向电场减小，而径向电场增加，电场慢慢变为空心阴极放电微分电阻（dv/di）为负值，伏安特性曲线的转折点即为转变的临界点，随电流的继续增加，放电模式转变为反常辉光放电模式。
放电微分电阻为正值。
形成准分子辐射的两个条件：高能分子数目多和气压。
三体碰撞激：R*+R+R→R+R2*激发原子和两个惰性气体原子进行碰撞产生准分子和惰性气体原子。
空心阴极放电等离子烧结方法及其应用研究
Ｓ ｎ ｅ ｉ ｇＴｅ ｈｎ ｑ ｅ ｎ ｐ ｉ ａ ｉ ｎ ｂ ｏｌ ｗ ｔ ｏ ｅＤｉｃ ａ ｇ ｌ ｓ ａ ｉ ｔ ｒ ｎ ｃ ｉ ｕ ｓａ ｄ Ａｐ ｌ ｔｏ ｙＨ ｌ ｃ ｏ Ｃａ ｈ ｄ ｓ ｈ ｒ ｅＰ ａ ｍ
ＷＡＮＧ ｎ － ｅ ｇ Ｓ ｅ ｋ ａ ， Ｚ Ｃｏ ｇ ｚ ｎ ， Ｕ Ｘｕ — ｕ ｎ ＨＡＮＧ ｉ ｎ ｂ ｏ Ｍ Ａ ｉ Ｌａ－ａ ， Ｊｅ
（ ｏｌ ｅ ｆ ｔ ｉ ｃ ｎ ｅ ｎ ｎ ｉｅｒ ｇ ｅ ｉ ｉｅｓｙｏ Ｔ ｃｎ ｌ ｙ ｅ ｉｇ１０ ２ ，Ｃ ｉａ Ｃ ｌｇ Ｍａｅ ａ Ｓ ｉ ｃ ｄ ｇｎ ｅｉ ，Ｂ ｉｎ Ｕｎ ｒｉ ｆ ｅｈ ｏｏ ，Ｂ ｉｎ ０ ０ ２ ｈｎ ） ｅ ｏ ｒｌ ｅ ａ Ｅ ｎ ｊｇ ｖ ｔ ｇ ｊ
小与空腔尺寸、放电电压和工作气压有关，在满足空心阴极效应的条件下， 空腔尺寸越小， 放电电压和工作气压越高， 加热功率越
大 。空心 阴极烧结工艺可制 备出致密度高，导热性能好 的 Ａ Ｎ陶瓷和较高致密度的铈 钨样品。 Ｉ
关键词：烧结；空心阴极；功率；ＡＮ Ｉ ；铈钨
中图分类号 ：Ｔ ２． Ｍ９４ ５ ７ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：ｌ０－ ３（ ０）１ ０９０ ０２１ ９２ ６０— １— ６ ０ ０ ３
ｙ ｔ ｌ ｈ ｄ ａｍａ ｉｔ ｎ ． ｂ ｅ ｏｌｗｃｔｏ ｅ ｌｓ ｎｅｉｇ ｈ ｈ ｏ ａ ｐ ｓ ｒ
Ｋｅ ｒ ： ｓ ｔｒｎ ； ｈ ｌ ｗ ａ ｈ ｄ ； ｐ ｗｅ ； ＡＩ ； ｃ ｒ ｍ— ｇ ｔ ｎ ｙｗｏ ｄｓ ｉ ｅ ｉ ｇ ｎ ｏ ｌ ｃ ｔｏ ｅ ｏ ｏ ｒ Ｎ ｅｉ ｕ ｔ ｓｅ ｕｎ
速加热 到很高 的温度 。根据 空心 阴极放 电的这 种特性 ， 作者 将其 应用于粉末冶金 制品的烧结 ，并进行了初步试
空心阴极等离子体电子枪研究
几何尺寸包括空心圆筒阴极的半径 1 、 长度 2 和激 励电极 " 的尺寸 2" 以及两栅网的间距 , ! 图 + 即为 基本参数示意图 !
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入加速间隙的电子束应满足 /01(234$567819 定理， 这 样系统所能引出的电流密度为 ! % " . / ."" ) + 0 ! ! （"*） +’ $ ! ! ( "! : * （ ） , ! -! ’ 相 等离子体鞘层厚度 ! 一般为十分之几毫米量级，
为引出极引出的电流有一部分将被调制极吸收并由 外电路流向电源， 只有通过栅网孔隙的电子束才能 进入加速间隙被引出电子枪 ! 如果设 "" 的透射系 数为 ) ， 则电子枪最后输出电流密度为
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空心阴极等离子体电子枪原理图
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张永辉等： 空心阴极等离子体电子枪研究
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［ %./ （ ， ’ $" !% ）( )］ 则可得无限次碰撞之后到达阳极的电子数为
空心阴极放电复合稀土氧化物对Ti6Al4V_合金离子渗氮组织及性能的影响
表面技术第53卷第5期空心阴极放电复合稀土氧化物对Ti6Al4V合金离子渗氮组织及性能的影响陈赛男1,2，董志宏1*，鲍泽斌1（1.中国科学院金属研究所，沈阳 110016；2.中国科学技术大学 材料科学与工程学院，合肥 230026）摘要：目的改善Ti6Al4V合金的耐磨和耐蚀性能，探究辅助渗氮手段的引入对Ti6Al4V合金离子渗氮组织和性能的影响。
方法利用空心阴极放电（Hollow Cathode Discharge，HCD）及稀土氧化物（Y2O3纳米颗粒）辅助在720 ℃对Ti6Al4V合金进行4 h离子渗氮处理。
通过光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪、显微硬度测试仪、往复式摩擦磨损实验仪以及电化学工作站，对比研究常规离子渗氮、HCD辅助离子渗氮以及HCD复合稀土氧化物辅助离子渗氮3种条件下Ti6Al4V合金的渗氮组织和性能。
结果HCD复合稀土氧化物辅助离子渗氮条件下，Ti6Al4V合金表面生成约126 μm厚的渗氮层，分别是常规离子渗氮条件和HCD 辅助离子渗氮条件的3.1、2.4倍。
化合物层中，TiN含量显著增加，渗氮层表面硬度达到1 067.9HV0.05。
渗氮层整体硬度明显提高，且硬度梯度降低。
Ti6Al4V合金的摩擦系数从常规离子渗氮时的0.4降至0.2。
同时，TiN含量的提高，使Ti6Al4V合金在3.5% NaCl溶液中的自腐蚀电流降低，极化电阻增大，耐蚀性能得到改善。
结论HCD复合Y2O3辅助可显著提高氮势，促进氮向Ti6Al4V合金内快速扩散，提高合金的硬度，改善合金的耐磨性能和耐蚀性能。
关键词：离子渗氮；空心阴极放电；稀土氧化物；Ti6Al4V；摩擦磨损；渗氮层中图分类号：TG174 文献标志码：A 文章编号：1001-3660(2024)05-0078-07DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2024.05.008Effect of Combining Hollow Cathode Discharge with Rare Earth Oxide on Microstructure and Properties of Plasma Nitrided Ti6Al4V AlloyCHEN Sainan1,2, DONG Zhihong1*, BAO Zebin1(1. Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China;2. School of Materials Science and Engineering, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)ABSTRACT: The work aims to improve the wear and corrosion resistance of Ti6Al4V alloy and explore the effect of auxiliary means used in plasma nitriding on the microstructure and properties of nitrided layer. Hollow cathode discharge (HCD) and rare earth (Y2O3 nanoparticle) were introduced to assist the plasma nitriding of Ti6Al4V alloy at 720 ℃ for 4 h. Three different sets收稿日期：2023-03-06；修订日期：2023-05-11Received：2023-03-06；Revised：2023-05-11基金项目：中国科学院重点部署项目（ZDRW-CN-2021-2-2）Fund：Key Deployment Projects of the Chinese Academy of Sciences (ZDRW-CN-2021-2-2)引文格式：陈赛男, 董志宏, 鲍泽斌. 空心阴极放电复合稀土氧化物对Ti6Al4V合金离子渗氮组织及性能的影响[J]. 表面技术, 2024, 53(5): 78-84.CHEN Sainan, DONG Zhihong, BAO Zebin. Effect of Combining Hollow Cathode Discharge with Rare Earth Oxide on Microstructure and Properties of Plasma Nitrided Ti6Al4V Alloy[J]. Surface Technology, 2024, 53(5): 78-84.*通信作者（Corresponding author）第53卷第5期陈赛男，等：空心阴极放电复合稀土氧化物对Ti6Al4V合金离子渗氮组织及性能的影响·79·of plasma nitriding conditions were selected, namely conventional plasma nitriding (PN), plasma nitriding with HCD (PN with HCD) and plasma nitriding with HCD and Y2O3 (PN with HCD and Y2O3). The hardness, wear and corrosion properties of the alloy were tested by microhardness tester, reciprocal linear sliding tester and electrochemistry station. The microstructure and phase composition were analyzed by means of optical microscopy, scanning electron microscopy and X-ray diffraction. Under the condition of plasma nitriding with HCD and Y2O3, the nitrided layer with a thickness of about 126 μm was formed on the Ti6Al4V alloy surface, which was 3.1 and 2.4 times thicker than that obtained by conventional plasma nitriding and plasma nitriding with HCD respectively. The content of TiN in the compound layer increased significantly, resulting in an increase in the surface hardness of the nitriding layer to 1 067.9HV0.05, which was 26.7% and 8.5% higher than those of the other two sets respectively. The overall hardness of the nitriding layer was obviously increased, but the hardness gradient was reduced. The friction coefficient of Ti6Al4V alloy decreased from 0.4 under the conventional plasma nitriding condition to 0.2, and the corrosion resistance of the alloy in 3.5wt.% NaCl solution was improved. HCD is a special glow discharge phenomenon that occurs mainly inside a cavity-like cathode and can produce high-density plasma. The use of appropriate HCD for plasma nitriding can increase the nitrogen potential and accelerate the nitriding process. When HCD is combined with Y2O3, the catalytic effect of rare earth elements in plasma nitriding is introduced and can be superimposed with the catalytic effect of HCD. As a rare earth element, yttrium has a special electronic structure and high activity. The yttrium atom can combine with the active nitrogen atoms in the plasma to generate rare earth nitride that promotes the adsorption of nitrogen on the alloy surface and the penetration of nitrogen into the alloy. At the same time, the large atomic radius of yttrium atom leads to the lattice distortion and accelerates the diffusion of nitrogen inside the alloy. In this study, Y2O3 particles are used as the rare earth source. The yttrium elements (atoms or ions) can be released by the bombardment of high-energy particles generated by HCD.In the high-density plasma region of the hollow cathode, the interaction between yttrium elements and active nitrogen atoms is easier, and the catalytic effect of rare earth is enhanced. It is known from the above results that the combination of HCD with Y2O3 is an effective method to substantially increase the nitrogen potential and promote the diffusion of nitrogen into the Ti6Al4V alloy during the plasma nitriding. In this case, the wear and corrosion resistance of the Ti6Al4V alloy can be improved.KEY WORDS: plasma nitriding; hollow cathode discharge; rare earth oxide; Ti6Al4V; wear; nitrided layerTi6Al4V合金因其优异的组织稳定性、热稳定性、耐蚀性以及热加工性能而被广泛应用于航空航天、汽车工业、海洋工程等领域[1]。
真空电子技术
TM277+.2 2010030210 镍掺杂W型铁氧体的制备及电磁性能研究/ 许乃岑，宋杰，王丽熙，沈加林，张其土(南京工业大学材料科学与工程学院)// 电子元件与材料. ―2009，28（11）. ―8～11.采用固相球磨法，制备了镍掺杂W型铁氧体Ba（Zn1-x Ni x）Fe16O27粉体。
利用XRD及SEM分析了所制粉体的相组成及形貌，用微波网络分析仪对镍掺杂W型铁氧体粉体的微波电磁性能进行了研究。
结果表明：1300℃时，生成了W型铁氧体相，形成了较完整的平面六角片状结构。
在2～18GHz 频段，随着Ni掺杂量的增加，W型铁氧体的ε’、μ’和μ”的值随之增大，在镍掺杂量达到最大时（x=1.0），磁损耗达到最大。
图9表0参10TM277+.4 2010030211 Fe3O4/MgO（100）薄膜的激光分子束外延与磁电学性能/ 曹林洪，吴卫东，唐永建，葛芳芳，白黎，王学敏(中国工程物理研究院激光聚变研究中心)// 强激光与粒子束. ―2009，21（12）. ―1819～1823.采用激光分子束外延方法，以烧结a-Fe2O3为靶材，在MgO（100）基底上制备了Fe3O4薄膜。
通过反射高能电子衍射原位观察了薄膜生长前后的表面结构，结果表明所生长的Fe3O4薄膜表面平整。
经显微激光拉曼光谱和X光电子能谱分析证实所得薄膜表面成分为纯相Fe3O4。
磁电学性能采用多功能物性系统测量，结果表明：当温度降至100K附近时，薄膜电阻率有较大增加，Verwey相转变的范围变宽而且不明显，说明反向晶粒边界的存在；在7160kA·m-1的磁场下，室温磁电阻达到－6.9％，在80和150K温度下磁电阻分别达到－10.5％和－16.1％；薄膜的室温饱和磁化强度约为260kA·m-1，其矫顽磁场约为202kA·m-1。
图6表0参175、真空电子技术O461 2010030212 介质阻挡放电中的局域态粒子对结构/ 杨玉杰，董丽芳，贺亚峰，岳晗(河北大学物理科学与技术学院)// 河北大学学报（自然科学版）. ―2009，29（4）. ―365～368.采用双水电极装置，研究了在大气压下氩气介质阻挡放电系统中所观察到的局域态粒子对结构。
大气压放电等离子体射流研究进展_林德锋
研发设计esearch and DesignR 2013年第34期（总第277期）NO.34.2013( CumulativetyNO.277 )自美国弗吉尼亚老道明大学的Laroussi M博士在1996首次报道大气压放电射流型等离子体（Atmospheric Plasma Jet，APPJ）用于致病菌的杀灭以来，针对APPJ装置的结构设计、放电特性及应用研究，受到了材料、医学、环境、化工等领域诸多学者的广泛关注。
与传统的气体放电等离子体相比较，APPJ的最大优势在于通过强气流将等离子体“吹”出放电腔，直接喷射到大气环境中，使得等离子体与高压电极分离，对操作者的安全性有极大提高。
此外，从传统方式下的气体放电产生等离子体来看，其放电间隙仅限于毫米到几厘米量级，导致狭小空间内的带电粒子的活性与寿命受到影响，这就使得处理样品的尺寸受到极大限制，即使样品能够进入到放电间隙，也会对放电的稳定性带来影响，而APPJ的出现恰好克服了这些缺点。
APPJ的发展与近几年来迅速崛起的等离子体材料学、等离子体医学密切相关。
目前，APPJ不仅在金属、金属氧化物、有机高分子聚合物、热敏感材料的表面亲水性及其化学活性的改性方面已有许多研究成果，同时，这些装置在等离子体医学中已成功用于细菌、真菌、体外凝血、癌细胞治理、牙齿美白等。
在国际上，一些学者甚至将其用于慢性感染伤口的愈合、皮肤螨虫的治疗，且以优于传统方法的临床效果为佐证。
国内对APPJ的研究相对较晚，且大多使用惰性气体（如氦气）放电，除进行材料表面改性、致病菌杀灭以外，在口腔医学、伤口治疗等领域的涉足相对较少。
主要有华中科技大学、中国科学技术大学、中科院物理所、清华大学等高校与研究所。
另外，APPJ自身所含有的高速运动自由基与处理对象间的碰撞反应是物理化学、空气动力学及微生物学等学科的高度交叉，目前的许多研究仍处于实验室阶段，与工业应用仍有相当的差距。
本文概述了APPJ装置的结构特点及放电特性，阐述了它们的基本 原理，结合APPJ在材料表面改性与等离子体医学中的广泛应用，对APPJ进一步发展所面临的挑战及未来应用前景进行了展望。
一种新颖的微空心阴极放电等离子体推力器
一种新颖的微空心阴极放电等离子体推力器夏广庆;毛根旺;Nader Sadeghi【期刊名称】《固体火箭技术》【年(卷),期】2008(031)006【摘要】微小卫星的发展和成功应用迫切需要新型微推力器的研制.微放电技术是等离子体放电中重要的一类,近几十年来成为各国的研究热点.其中,微空心阴极放电(MHCD)是一种新颖的非平衡高气压辉光放电,其优点是可以在高气压下稳定放电,并且只需要非常低的电压(几百伏特)或者输入功率(百毫瓦数量级).MHCD建立在2个几百微米厚度的金属平面电极上,材料可以是钼、铝等,由电介质(云母或氧化铝)隔开."三明治"的布局结构上从一个电极到另一个电极钻有直径为几十微米到几百微米的孔,气体压强可以很高,甚至超过大气压.微空心阴极放电较小的尺寸结构与强烈并可控的气体加热相结合,可以开发应用在新型的电热式微等离子体推进上.由于微空心阴极放电等离子体推力器在微放电等离子体中加热了工质气体,随后通过微喷管喷出产生推力,因此与传统的冷气微推力器相比,可大大提高推力器的比冲和推力.【总页数】4页(P565-568)【作者】夏广庆;毛根旺;Nader Sadeghi【作者单位】西北工业大学航天学院,西安,710072;西北工业大学航天学院,西安,710072;光谱物理实验室,约瑟夫·傅立叶大学&法国国家科学研究中心,38041,格勒诺布尔,法国【正文语种】中文【中图分类】V439+.4【相关文献】1.一种提高空心阴极推力器推力的发射体外置方法 [J], 刘晨光;宁中喜;孟天航;韩星;于达仁2.微空心阴极放电机理及其在电热式推力器中的应用 [J], 夏广庆;毛根旺;Nader Sadeghi3.微空心阴极放电推力器性能研究 [J], 夏广庆;毛根旺;陈茂林;孙安邦4.N_2/Ti微空心阴极放电等离子体阴极溅射模拟 [J], 高书侠;张素;孟秀兰;张连珠5.狭缝型微空心阴极维持放电等离子体 [J], 王跃东;欧阳吉庭因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
空心阴极灯使用的注意事项 空心阴极灯常见问题解决方法
空心阴极灯使用的注意事项空心阴极灯常见问题解决方法空心阴极灯是一种特别形式的低压气体放电光源，放电集中于阴极空腔内。
当在两极之间施加200V—500V电压时，便产生辉光放电。
在电场作用下，电子在飞向阳极的途中，与载气原子碰撞并使之电离，放出二次电子，使电子与正离子数目加添，以维持放电。
在正常工作条件下，空心阴极灯是一种应用的锐线光源。
空心阴极灯发射的光谱紧要是阴极元素的光谱，因此用不同的被测元素作阴极材料，可制成各种被测元素的空心阴极灯。
缺点是测一种元素换一个灯，使用不便。
空心阴极灯使用的注意事项：①注意极性不能接反。
②为了使灯发光强度稳定，在工作电流下预热10—30min。
③灯长期不用，应定期点燃，一般在工作电流下预热1h。
④长期搁置，灯内有杂质存在，可以接受反接去气法。
颠倒电极用大电流点灯30min1. 异常现象：灵敏度降低。
不能正常测定。
原因：灯有背景发射、波长选择错误、单色器通带过宽、喷射器堵塞，燃气不足、燃烧器狭缝不在光轴下方。
解决方法：检查灯的背景发射，察看阴极光色调，不正常，处理同l。
2. 异常现象：屏蔽管发光。
使发射减弱不稳定。
原因：溅射的金屑针状结晶或片状脱落，使阴极与屏蔽管接通。
解决方法：振动灯壳，使接通处断开。
3. 异常现象：阴极外侧和后部发光。
使发射线略有减弱。
原因：屏蔽管与阴极距离过大，或有杂质气体。
解决方法：发射稳定仍可使用，必要时按1反向处理。
4. 异常现象：只在阴极口外发光。
不能使用。
原因：惰性气体压强降低，不能保持正常放电。
解决方法：更换新灯。
5. 异常现象：阴极内发生跳动的火花状放电，无测定线发射。
从而恢复正常放电前不能使用。
原因：阴极表面有氧化物或有杂质气体。
解决方法：在30—50mA下反向放电，或加大与灯串联的稳流电阻到2—10千欧。
6. 异常现象：发光色调正常，特征铺线发射很弱或不能检出。
不能正常测定。
原因：长期使用后阴极金属耗尽或所用光电倍增管或放大器不合适。
狭缝微等离子体的光谱线形研究
文 献标 识 码 ： Ａ Ｄ Ｉ ０ ３ ６／．ｓｎ １０ —５３ ２ １ ）５１ ７—３ Ｏ ：１ ．９ ４ｊｉ ． ０ ００ ９ （０ １０ —１８０ ｓ
中 图分 类 号 ： ６ ． ； ３ ． Ｏ４ １ ２ ０４３ ４
线 的频移和展宽随气压及放 电气 隙间距的变化 ， 研究 了电子
引 言
第３卷， ５ １ 第 期 ２０ １１年 ５月
光
谱
学
与
光
谱
分
析
Ｓ ｅ ｔｏ ｃ ｐ ｎ ｐ ｃ ｒ ｌＡｎ ｌ ｓｓ ｐ ｃ ｒ ｓ ｏ ｙ ａ ｄ Ｓ ｅ ｔａ ａ ｙ ｉ
Ｖｏ． １ Ｎ ． ，ｐ １ ８ １ ８ １３ ， ｏ ５ ｐ ｌ ７ —１ ０ Ｍ ａ ，２ １ ｙ ０１
工ｌ ｌ ＿ ＿ ｇ 等领域具有广泛的应 用前景 ，因而引发 了人们极大 的 。
兴 趣 。众 所 周 知 ，电子 密 度 是 等 离 子 体 的重 要 参 量 。在 微 等
分别浸入长 １ ｍ、内外直径分别为 ０ ８ １ ｍ 的两个平行 ０ｃ ．和 ｃ
玻 璃 管 所 充 满 的水 中 。玻 璃 管壁 充 当 放 电 时 的 介 质 层 。 玻 两
微等离子体 ， 是指其空间尺度限制在 亚毫米量级 的等离
密度值随放电参数的变化 。
ｌ 实 验 装 置
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收稿日期:2009204228基金项目:国家“八六三”计划项目(2007AA01Z276)作者简介:王跃东(1981—),男,博士生,E 2mail :168wyd @ ;欧阳吉庭(1966—),男,教授,博士生导师.第29卷 第11期2009年11月北京理工大学学报Transactions of Beijing Institute of TechnologyVol.29 No.11Nov.2009狭缝型微空心阴极维持放电等离子体王跃东, 欧阳吉庭(北京理工大学理学院,北京 100081)摘 要:为在高气压条件下获得稳定、大体积的放电等离子体,实验研究了氩气中的狭缝型微空心阴极放电(SM HCD )特性.设计了包括SM HCD 的三电极放电系统,并利用SM HCD 作为预电离源(等离子体阴极),在不同放电条件下测试了该系统的放电特性并讨论了其放电模式.结果表明,SM HCD 具有微空心阴极放电的特性,在适当条件下可以形成稳定的辉光放电.利用SM HCD 离子源可以获得大体积、高气压的狭缝型微空心阴极维持放电(SMSD )等离子体.SMSD 具有普通直流辉光放电的特性,且SM HCD 本身的放电电流以及第三电极处所加的电压对SMSD 的形成有十分重要的作用.该系统可以产生大面积均匀等离子体.关键词:狭缝型微空心阴极;辉光放电;三电极系统;等离子体中图分类号:O 461 文献标识码:A 文章编号:100120645(2009)1121014204Plasm a in Slit 2Shaped Microhollow C athode Sustained DischargeWAN G Yue 2dong , OU YAN G Ji 2ting(School of Science ,Beijing Institute of Technology ,Beijing 100081,China )Abstract :In order to obtain stable ,large 2volume plasmas at high pressures ,t he characteristics of slit 2shaped microhollow cat hode discharge (SM HCD )in argon is investigated experimentally.A t hree 2elect rode system based on SM HCD is given.The SM HCD act s as t he p re 2ionization source or plasma cat hode.The discharge characteristics of t his system are investigated under different conditions.The discharge modes during t he p rocess of discharge are also discussed.The result s showed t hat t he SM HCD have similar characteristics as t he t raditional microhollow cat hode discharges.The stable glow discharge can be obtained under certain conditions.SM HCD sustained discharge (SMSD )supplies a possible way to generate large 2volume ,high 2pressure plasmas.The SMSD have similar characteristics as t he t raditional DC glow.The current of t he SM HCD and t he voltage applied on t he t hird electrode play an important role in t he generation of plasma in t he outer space of t he SM HCD.The system can generate large volume ,uniform plasmas.K ey w ords :slit 2shaped microhollow cat hode ;glow discharge ;t hree 2elect rode system ;plasma 在中高气压下形成均匀的、大体积的等离子体有着十分广泛的应用价值,如用于材料表面处理、薄膜沉淀、有害气体处理、气体激光以及电磁波传输控制等方面[122].但在高气压下产生辉光放电等离子体有一个较大障碍,就是放电的不稳定,特别是辉光向弧光转换并由其引起丝状放电,从而导致放电不稳定和电极装置损坏.通常,这种不稳定发生在阴极附近区域[3],特别是在阴极位降区,该区域相对于其他区域有更高的电场强度和更高的功率密度,极易导致放电收缩和弧光放电的形成.通过一个额外的等离子体源来提供电子,可以减小或消除阴极位降区,从而可以实现防止或推延辉光向弧光的转换.这种方法除作为辅助电子源外,还可以发射给大体积辉光放电电子,使阴极产生的热量散失,降低了对阴极冷却的需求.近年来,由于微孔空心阴极放电(M H 2CD )可以在高气压下产生稳定的非平衡等离子体而引起人们对微孔空心阴极维持辉光放电(MCSD )的广泛研究[425].作者采用由狭缝型微空心阴极作为等离子体阴极组成的三电极结构,研究其在氩气中的放电特性.1 实验装置狭缝型微空心阴极维持放电(SMSD )实验装置如图1所示.空心阴极采用与文献[6]相似的“三明治”电极结构:狭缝长510mm ,宽015mm ;阴极板厚210mm ,阳极板厚013mm ,所用材料均为铝;两电极之间由015mm 厚的云母片隔开,阴极的外表面分别用厚度为012mm 的云母片覆盖.第三电极(诱导阳极A2)距离SM HCD 阳极(A1)5mm ,用以收集电子电流.放电装置放置于一个耐热玻璃真空室内.真空室的一个出口与真空泵连接,用以保证真空室内的气压恒定;另一个出口则通过一个针阀与氩气罐相连接.SM HCD 阴极C 通过一个100k Ω的镇流电阻和一个100Ω的电流采样电阻后与负高压直流电源相连;阳极A2则通过一个50k Ω的镇流电阻和一个100Ω的电流采样电阻与另一个正高压电源相连.阳极A1接地.电极电压以及采样电阻两端电压通过数字示波器(Tekt ronix TDS3054B )及高压探头(Tekt ronix P6015A 和Tekt ronix P139A )测得.CCD 数码相机(Canon A950)用来从侧面记录各阶段放电图像.图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of t he experiment setup2 实验结果211 SM H CD 伏安特性作者首先在216kPa 的氩气中对SM HCD 的伏安特性(V 2I 曲线)进行了测试,结果如图2所示.可以看出,在狭缝内部空间被击穿后(击穿电压为235V ),放电维持电压首先随着放电电流的增加而下降,呈现一段十分陡峭的负阻特性区域,对应斜率为20V/mA (即等效电阻为20k Ω).然后,出现一个稳压段,电压约为205V ,直至电流达到410mA.当I SM HCD >410mA 时,放电电流的继续增加需要维持电压的增大来获得,曲线呈现正阻特性.图2 SM HCD 伏安特性曲线Fig.2 Voltage 2current characteristics of t he SM HCD 狭缝内部放电状态的改变,也可以从实验中所拍得的图像看到.图3所示为上述SM HCD 在不同放电电流条件下所拍摄的放电图像.图3 不同I SM HCD 时的SM HCD 图像Fig.3 Photographs of SM HCD at different current s当放电电流较低时,狭缝中间出现明亮的放电等离子体区域,该放电区域由起始点开始在阴极内部逐渐扩展,如图3(a )所示,显示两阴极的负辉区相互重叠,即放电进入空心阴极放电阶段.放电进入平稳区域后,狭缝内部的放电等离子体继续沿着阴极内侧横向扩展,放电变得更加强烈,直至放电等离子体完全覆盖整个阴极内表面(对应放电电流为410mA ),如图3(b )、图3(c )所示,该阶段同样呈现空心阴极效应的特征.当放电电流达到410mA 后,由于阴极外表面被覆盖,放电无法在阴极的外表面与阳极之间产生.电流密度的增加只能通过增加放电维持电压来实现,从而使得狭缝内部的等离子体光辐射强度继续增大,如图3(d )所示,对应于反常・5101・第11期王跃东等:狭缝型微空心阴极维持放电等离子体辉光放电阶段.212 SMSD 特性在恒定气压和SM HCD 电流的条件下,作者测试了SMSD 放电电流I A2随第三电极电压V A2之间的变化关系,其V 2I 曲线如图4所示.图4 不同I SM HCD 时SMSD 伏安特性Fig.4 V 2I characteristics of SMSD at different I SM HCD可以看出,SMSD 的伏安特性曲线与典型的直流辉光放电相似,存在有预放电、正常辉光放电和反常辉光放电阶段.但在整个放电过程中并没有负阻特性区域,即没有亚辉光放电区域.以I SM HCD =210mA 为例,在整个SMSD 阶段中,主要经历以下的几个阶段:预放电阶段电流I A2很小,维持电压V A2随着电流增加而直线上升(斜率达到100V/mA ,等效电阻阻值为100k Ω);当015mA <I A2≤210mA 时,V A2随着I A2增加而缓慢增加,这对应于正常辉光放电阶段;当I SM HCD 较大时更为明显(见I SM HCD =410mA 的情形).当I A2>210mA (即SM HCD 所能提供的最大电流),放电进入反常辉光放电阶段,V A2随着I A2的增加而增大.通过放电图像可以直观地理解各放电阶段中所对应的放电状态的变化.图5所示为工作气压216kPa ,SM HCD 放电电流210mA 时在不同放电电流I A2条件下所拍摄的放电图像(图片下端为放电阴极).较低电流下,整个放电空间内的等离子体十分微弱,如图5(a )所示(此时I A2=015mA ),在靠近阳极A2处有明亮的放电区域,而在阴极处则要暗淡很多,这表明放电阶段处于预放电阶段.当015mA <I A2≤210mA 时,阴极上表面附近出现一个明亮的等离子体区域,并且该区域随着电流的增大逐渐变亮,如图5(b )～图5(d )所示.从发光区来看,同样出现负辉、正柱和阳极区,这显示为典型的辉光放电模式.随着放电电流I A2(即V A2)的继续增加,阴极与A2间的等离子体放电变得越来越强烈,整个间隙内等离子体均匀分布,如图5(e )所示;当电流I A2>210mA 后,放电变得更加强烈,而阴极处的等离子体出现收缩现象,并且A2与A1的外表面之间开始发生放电,此时的放电进入反常辉光放电阶段.图5 不同I A2时的SMSD 图像Fig.5 Photographs of SMSD at different current s 气体放电中电极附近的电子密度通常可以表示为n e =J/(ev e )=J /[e (μe p )(E/p )].(1)式中:J 为空间电流密度;v e 为电子运动速度;μe p为电子迁移速率;E 为空间电场强度;p 为工作气压.实验中,阴极和阳极间的电场强度可以表示为E =V A2/d.(2) 阳极处的电流密度可以表示为J =I A2/S.(3) 此外,在氩气中等离子体中的电子迁移速率为μe p =4319×106(cm 2・Pa )/(V ・s ).因此,可以得到在SMSD 正常辉光放电阶段中阳极处的电子密度n e ≈4×1010cm -3.这是典型的辉光放电电子密度值.当放电进入反常辉光放电阶段以后,电子密度会随着放电电流I A2的增加而继续变大.3 讨 论研究显示,SM HCD 与传统的圆孔型空心阴极放电具有相似的放电特性.整个放电过程主要包括如下3个阶段.①在低电流条件下时,即预放电阶段中(实验中由于开始阶段电流变化较大而无法有效测得),空间的电荷分布对狭缝内部本身的轴向电场分布影响・6101・北京理工大学学报第29卷不大,电子沿着轴向路径由阴极运动至阳极.②放电空间被击穿后,放电进入空心阴极放电模式.此时,在预放电阶段产生的等离子体已经迫使放电区域内部的电场发生改变,狭缝内部的电场由原来的完全轴向发展成为包含有径向成分的电场,导致阴极发射的电子在径向有一个十分强的加速场,电子在孔内做钟摆式往复运动,使得该区域粒子的电离化大大增加,从而引起了维持间隙放电的放电电压明显降低,而放电电流却继续增大.③随着放电电流的增加,直到阴极内表面被放电等离子体完全覆盖后,阳极开始与阴极外表面发生放电,放电进入正常辉光放电阶段.实验中当将阴极外表面覆盖后,放电将直接由空心阴极放电转入反常辉光放电模式.电流密度开始随着维持电压的增加而增加,引起放电电流的线性增长,从而可以在狭缝内获得更高的、可控的电流密度.但此时的放电常常会伴随有丝状放电的出现,放电极易由辉光向弧光放电发生转变.在整个放电阶段中,SM HCD由于电极本身面积较大,各放电模式发生改变处的电流要比典型的圆孔型空心阴极高一个量级左右.在SMSD阶段中,第三电极处所加的电压的变化,即第三电极与等离子体阴极之间的电场变化对放电电流及大体积等离子体的形成有着十分重要的影响.在预放电阶段,外部电场要弱于阴极内部电场,空间内仅有少量的电子被引出,等离子体分布较弱;气体被击穿后,外部电场逐渐增大,阴极内部有越来越多的电子被引出,空间内逐渐形成明亮的等离子体通道;当外部电场与阴极内部电场相当时,阴极发射的电子将被完全引出,第三电极处的电流与阴极内部的电流相一致.另外,从图4中也可以看出,SM HCD放电电流的大小对放电空间内等离子体的形成也同样有着十分重要的影响.随着SM HCD放电电流的增加,狭缝内部产生的电子密度变大,第三电极更容易把电子从阴极缝隙内引出,这使得放电的各个模式转变点处所需的维持电压变得越来越小,而与之相应的电流却变大.此外,在较低的放电电流时(如SM H2 CD放电电流为1mA时),正常辉光放电区域很小,但随着放电电流的增大,该区域变得越来越明显,且维持电压更低.当SM HCD放电电流为4mA时,正常辉光区域所对应的电流范围甚至可以达到1～4mA.整个放电阶段中并没有存在负阻特性区域,整条曲线呈现正阻特性.这说明可以将多个上述放电单元并列运行而不需要串联限流电阻.由于空心阴极辉光放电具有相似性,所以,可以通过降低阴极缝隙宽度(至10μm量级)而获得大气压下辉光放电等离子体.4 结 论①狭缝型微空心阴极放电可以用作大体积辉光放电中的等离子体源(等离子体阴极).②在216kPa氩气中可以获得大体积的、稳定的辉光放电等离子体,电子密度可以达到1010cm-3量级.③根据放电相似原理,可以降低空心阴极缝隙宽度而获得大气压下辉光放电等离子体.参考文献:[1]Becker K H,Schoenbach K H,Eden J G.Microplasmasand applications[J].J Phys D:Appl Phys,2006,39: R552R70.[2]Benedikt J,Focke K,Yanguas2G il A,et al.Atmos2pheric pressure microplasma jet as a depositing tool[J].Appl Phys Lett,2006,89(25):251504(123).[3]Raizer Y P.G as discharge physics[M].Berlin:Spring2er,1991.[4]Stark R H,Schoenbach K H.Direct current high2pres2sure glow discharge[J].J Appl Phys,1999,85(4): 207522080. 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