低压高频辉光放电
辉光放电、弧光放电解释
弧光放电arc discharge高温热发射持续弧光放电呈现弧状白光并产生高温的气体放电现象。
无论在稀薄气体、金属蒸气或大气中，当电源功率较大，能提供足够大的电流（几安到几十安），使气体击穿，发出强烈光辉，产生高温（几千到上万度），这种气体自持放电的形式就是弧光放电。
通常产生弧光放电的方法是使两电极接触后随即分开，因短路发热，使阴极表面温度陡增，产生热电子发射。
热电子发射使碰撞电离及阴极的二次电子发射急剧增加，从而使两极间的气体具有良好的导电性。
弧光放电的特征是电压不高，电流增大的两极间电压反而下降，有强烈光辉。
还有一种弧光放电叫做冷阴极弧光放电，阴极由低熔点材料（如汞）做成。
阴极表面蒸发出的蒸气被电离，在阴极表面附近堆积成空间正电荷层，此电荷层与阴极间极为狭窄区域内形成的强电场引起场致发射，使电流剧增，产生电弧。
弧光放电应用广泛。
可用作强光光源，在光谱分析中用作激发元素光谱的光源，在工业上用于冶炼、焊接和高熔点金属的切割，在医学上用作紫外线源（汞弧灯），等等。
但是大电流电路开关断开时产生的弧火极其有害，应采取灭弧措施。
辉光放电glow discharge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,由于高压放电现象在低气压状态下会产生辉光现象）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。
辉光放电的特征是电流强度较小（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。
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。
辉光放电和弧光放电
辉光放电和弧光放电辉光放电与弧光放电1汞氩气体放电的全伏—安特性1.1放电管两端刚开始加上电压时,电压很低,放电管中只有微弱电流流过,这个电流只有用非常灵敏的电流计才能测出来,此时电压低,电流小,不能使管内的汞氩气体激发或电离,但由于宇宙线、放射线辐射或光照下,使管内的气体中产生一些原始的电子或正离子,它们的量的很小,称为剩余电离,这些带电粒子在正级电压作用下分别从负极向正级运动(电子流)或从正极向负极运动(离子流)形成电流,随着电压的增加,电流也增大,OA段.1.2当电压继续增加时, 因为带电粒子数目不多,当所有的因为剩余电离产生的带电粒子全部达到电极后,电流就饱和了,这就是说电压升高,电流就不再增加,AB段。
1.3电压再升高时,放电管中电子受电场力加速,管内原始的自由电子速度愈来愈大,它们和汞原子、氩原子、气体分子碰撞时,就能使分子、原子电离,而电子又产生新的自由电子和离子,这些新的自由电子和离子加速后又使更多的原子分子电离,这个过程称雪崩放电,BD段。
1.4当电压升到B点时,由于雪崩放电,电流突然增加,汞离子、氩离子质量大能量高,猛烈轰击阴极,可以使阴极发射出足够多的电子来,电子和汞原子、电子和氩离子碰撞,汞在4.67V和5.46V 等能级上和氩在11.53和11.72能级上并不辐射,这些状态称亚稳态,亚稳态在气体放电灯中的启动时可作出重要贡献。
亚稳态原子与电子或其它粒子碰撞时,除了可能产生逐级激发或逐级电离外,也能把激发能交给电子或其它粒子,发生第二类非弹性碰撞.其中,潘宁效应是气体放电中最有用的第二类非弹性碰撞.在适当的两种气体组成的的混合气体中.它的着火电位要低于单种气体的着火电位.这个效应称为潘宁效应,它可用下式来表达.A* B→A B* e ΔE(ΔE是粒子碰撞后多余的一部分动能)此过程说明,激发态A*原子与B原子相碰, A*原子把自己的激发能转移给B 原子,使B原子电离.这里A*的激发能应大于或至少等于B原子的电离能. A*的激发能越接近于B原子的电离能,这种激发转移的几率就越大.一般来说, A*是亚稳态,因为它能在该能级上停留足够时间长,A*与B原子有足够长的相互作用时间,因此,发生潘宁效应的几率就大了.所以在低压汞荧光灯中,除了Hg以外,还充以适量的氩气,以形成潘宁效应,从而降低灯的启动电压.图D,称为放电着火,相应于D点的电压称为着火电压。
辉光放电
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简单的辉光放电示意图辉光放电时，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。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。
物理原理
辉光放电是种低气压放电(Low pressure discharge)现象,工作压力一般都低于10 mbar,其基本构造是在 封闭的容器内放置两个平行的电极板,利用产生的电子将中性原子或分子激发,而被激发的粒子由激发态降回基态 时会以光的形式释放出能量。
Hale Waihona Puke 放电阶段辉光放电有亚正常辉光和反常辉光两个过渡阶段，放电的整个通道由不同亮度的区间组成，即由阴极表面开 始，依次为：①阿斯通暗区；②阴极光层；③阴极暗区(克鲁克斯暗区)；④负辉光区；⑤法拉第暗区；⑥正柱区; ⑦阳极暗区;⑧阳极光层。其中以负辉光区、法拉第暗区和正柱区为主体。这些光区是空间电离过程及电荷分布所 造成的结果，与气体类别、气体压力、电极材料等因素有关，这些都可以从放电理论上作出解释。辉光放电时， 在两个电极附近聚集了较多的异号空间电荷，因而形成明显的电位降落，分别称为阴极压降和阳极压降。阴极压 降又是电极间电位降落的主要成分，在正常辉光放电时，两极间的电压不随电流变化，即具有稳压的特性。
1933年德国Von Engel首次报道了研究结果，利用冷却的裸电极在大气压氢气和空气中实现了辉光放电，但 它很容易过渡到电弧，并且必须在低气压下点燃，即离不开真空系统。1988年，Kanazawa等人报道了在大气压下 使用氦气获得了稳定的APGD的研究成果，并通过实验总结出了产生APGD要满足的三个条件：（1）激励源频率需 在1kHz以上；（2）需要双介质DBD；（3）必须使用氦气气体。此后，日本的Okazaki、法国的Massines和美国 的Roth研究小组分别采用DBD的方法，用不同频率的电源和介质，在一些气体和气体混合物中宣称实现了大气压 下“APGD”。1992年，Roth小组在5mm氦气间隙实现了APGD，并声称在几个毫米的空气间隙中也实现了APGD,主 要的实验条件为湿度低于15%、气体流速50l/min、频率为3kHz的电源并且和负载阻抗匹配。他们认为“离子捕获” 是实现APGD的关键。Roth等人用离子捕获原理解释APGD，即当所用工作电压频率高到半个周期内可在极板之间捕 获正离子，又不高到使电子也被捕获时，将在气体间隙中留下空间电荷，它们影响下半个周期放电，使所需放电 场强明显降低，有利于产生均匀的APGD。他们在实验室的一台气体放电等离子体实验装置中实现了Ar、He和空气 的“APGD”。1993年Okazaki小组利用金属丝（丝直径0.035mm，325目）电极为PET膜（介质）、频率为50Hz的 电源，在1.
低气压高频辉光放电等离子体的特性
低气压高频辉光放电等离子体的特性
李沛 刘文正 李成柳 崔杰 （北京交通大学 电气工程学院，北京 １０００４４）
气体放电电压值、频率值对生成的等 离子体有影响，而消毒效果又与等离子体 的基本特性参数有关。本文研究在低气压 环境下生成高频辉光放电等离子体，利用 探针法对等离子体的基本特性参数进行 测量，并对测量结果分析讨论，为以后研 制等离子体消毒灭菌装置打下基础。
２ 实验条件及方法
实验在金属腔体反应容器中，５０Ｐａ～ ２５０Ｐａ低气压［４］下，以空气为反应气体， 采用平行极板电极，利用频率为数十千赫 的可调高频脉冲电源，生成了辉光放电等 离子体。
０．０６ ０．０５ ０．０４ ０．０３ ０．０２ ０．０１
０ －５０ －４０ －３０ －２０ －１０－０．０１０ １０ ２０ ３０ ４０ ５０
－０．０２ －０．０３ －０．０４ －０．０５
图 ７（ｂ） １００Ｐａ
０．０２ ０．０１５ ０．０１ ０．００５
０ －５０ －４０ －３０ －２０ －１－００．００５０ １０ ２０ ３０ ４０ ５０
同样由图 ６可知，５０Ｐａ时等离子体 的饱和电流明显较大，其它的相差不太 大，并且他们的饱和电流值较小。同时 由图 ６和图 ８对比频率可知，在同一气 压下，３２ＫＨｚ时的电子饱和电流比 ５０ＫＨｚ 时大。 根据式（１）计算出以上各种情况 时等离子体的电子温度见表 １。
电等离子体的一些特性。 （１）气压越高并不一定等离子体的
［２］ ＭａｓａｋａｚｕＴａｎｉｎｏ，ＷａｎｇＸｉｌｕ，ｅｔ ａｌ． Ｓｔｅｒｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｂａｒｒｉｅｒｄｉｓｃｈａｒｇｅａｔ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅ．ＩＥＥＥＣＮＦ Ｖｏｌｕｍｅ ２，２－６ Ｏｃｔ． ２００５ Ｐａｇｅ（ｓ）：７８４ ７８８．
射频放电和低压高密度等离子体放电
2.6 电晕放电除了辉光放电之外，还存在另外一种脉冲直流放电，它的阴极时金属丝。
在大气压下，阴极表面施加高负电压时，就会产生放电。
电晕放电产生是因为在阴极周围产生暗辉光。
负极性电晕放电的机理与直流辉光放电类似，正离子被加速向阴极运动，到达阴极后轰击阴极产生二次电子发射。
这些电子被加速进入到等离子体中。
这叫做流光。
也就是前面是高能电子后面跟着低能电子。
高能电子与重粒子发生非弹性碰撞，例如，造成离子化，激发，解列。
因此，等离子体的根部形成，这会造成在碰撞中产生更大的分子。
因此在应用中，点电子动力学和重粒子动力学有很明显的区别。
这两者之间的区别表现在时间上而不是空间上。
在温度和化学性质方面，电晕放电也处于极不平衡的状态。
主要原因是脉冲的作用时间短，如果施加的电压源不是脉冲形式的，那么就会产生高温，引起热电子发射，并向接近平衡状态的弧光放电过渡。
事实上，除了负极性电晕放电外，也存在正极性电晕放电，其中，金属丝上存在正电压，因此它为阳极。
电晕放电的应用包括废气清洁，油漆中挥发性化合物的处理，水的净化等等。
气体或液体中的尘埃能够通过电子的吸附清除掉，电子吸附后，尘埃带负电，这样就能够从气体或液体中隔离了。
2.8 低压、高密度等离子体技术近些年来，很多低压、高密度等离子体放电技术得到应用。
它主要是替代容性射频放电（射频二极管）的蚀刻和皮膜处理应用。
确实，射频二极管的电压和电流不能独立控制，因此，除非施加不同的频率，否则离子冲击通量和冲击能不能单独改变。
而且并不是每次都能施加不同的频率。
因此，要产生适度的离子通量，鞘层电压必须具备很高的数值。
由于高冲击能会对施加在电极上的薄片造成不应有的破坏。
而且，低离子通量和高离子能的结合在应用中会导致较窄的加工面积。
在射频二极管中有限的离子通量导致较低的处理比率，较低的处理比率经常会造成多薄片或成批处理，这会产生薄片间再现能力的损失。
为了克服这些问题，平均离子冲击能应该独立控制离子和中性助溶剂。
辉光放电的特征
辉光放电的特征
辉光放电的特征
什么是辉光放电？
辉光放电是一种电离气体放电现象，即在低压情况下，电极间的
气体发生放电现象。
它具有一些独特的特征，以下是辉光放电的主要
特征：
特征一：发出柔和而持久的光线
•辉光放电会产生柔和而持久的光线，呈现出明亮而通透的特点。
•光线的颜色可以根据气体的种类和电压的变化而改变，常见的颜色有蓝色、绿色、橙色等。
特征二：在暗处更加明显
•辉光放电在明亮的环境中很难被观察到，但在暗处，其光线将变得更加明显。
•这是因为辉光放电只会在电压达到一定程度时才能发生，而在暗处，由于外界光线的干扰较少，所以辉光放电更容易
被观察到。
特征三：电极附近有明显的闪光现象
•在辉光放电的过程中，电极附近会产生明显的闪光现象。
•这是因为辉光放电时，电极表面的气体被电离，产生大量自由电子和阳离子，它们在电场的作用下高速运动，撞击气
体分子并引起发光现象。
特征四：伴随着轻微的声音
•辉光放电通常伴随着轻微的声音，类似于电流流动时的嗡嗡声，但音量较小。
•这是因为辉光放电时，气体分子的碰撞产生了震动，导致声音的产生。
特征五：可通过调节电压和气体种类来变化效果
•辉光放电的特征可以通过调节电压和气体种类来改变。
•电压的大小决定了辉光放电的亮度和稳定性，而不同的气体种类则决定了发光的颜色。
结论
辉光放电作为一种特殊的电离现象，具有柔和持久的光线、在暗
处明显、电极附近闪光、伴随轻微声音等特征。
通过调节电压和气体
种类，可以改变辉光放电的效果。
对于研究和应用该现象具有重要意义。
辉光发电质谱仪工作原理
辉光放电质谱法（GDMS）辉光放电质谱仪是直接分析导电材料中的固态痕量元素的最佳工具，能在一次分析过程中测定基体元素(~100 %)、主体元素(%)、微量元素(ppm)、痕量元素(ppb)和超痕量元素(ppt)。
一、仪器结构及基本原理：辉光放电（GD）属于低压下气体放电现象，放电产生的大量电子和亚稳态惰性气体原子与样品原子频繁碰撞，使样品得到极大的溅射和电离，是一种有效的原子化和离子化源用于分析。
在辉光放电质谱的离子源中被测样品作为辉光等离子体光源的阴极，在阴极与阳极之间充入惰性气体（一般为氩气），并维持压力为10—1000Pa。
在电极两端加500—1500V的高电压时，Ar电离成电子和Ar+，Ar+在电场的作用下加速移向阴极。
阴极样品的原子在Ar+的撞击下，以5—15eV的能量从阴极样品上被剥离下来（阴极溅射），进入等离子体，在等离子体中与等离子体中的电子或亚稳态的氩原子碰撞电离，变成正离子：M +e-—M++2e-, M+ Ar* —M++ Ar +e-。
已经证实在GD源中碰撞离子化是居于主导地位的电离过程。
正离子通过离子源上的小出口进入离子光学系统中进行聚焦，然后进入质量分析器按离子具有不同的质荷比进行分离，最后由离子检测器进行检测。
二、制样方法：辉光放电质谱仪采用直接取样技术，需测试的导电样品经过简单的机械处理和表面清洁，无需要样品转化为溶液，即可进行元素定量分析，分析样品为平面或针状固体。
平面块状固体直径：15～70mm，厚度10um～50mm,针状固体样品长度：20mm，直径：0.5～7mm1.块砖金属：分析时，块状金属几乎不需要样品制备，仅简单的切割或加工成适合的形状（如针状或圆盘状），固定于离子源中即可。
2.粉末样品：把待测样品与导体材料混合后，采用特制的压模制成针状或片状进行分析。
三、用辉光放电质谱仪进行高纯材料分析有以下优点：1.直接分析固体样品，样品的制备和处理非常简单；而不需要将样品处理成水溶液进行分析。
辉光放电质谱应用和定量分析
２０１２年２月Ｆｅｂｒｕａｒｙ２０１２岩 矿 测 试ＲＯＣＫＡＮＤＭＩＮＥＲＡＬＡＮＡＬＹＳＩＳＶｏｌ．３１，Ｎｏ．１４７～５６收稿日期：２０１１－１０－２４；接受日期：２０１１－１０－２９基金项目：中国计量科学研究院基础科研项目（ＡＫＹ１０３１）作者简介：徐常昆，硕士研究生，核燃料循环与材料专业。
Ｅ ｍａｉｌ：ｃｈａｎｇｋｕｎｘｕ＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｍ。
通讯作者：周涛，博士，副研究员，从事化学计量与无机质谱研究工作。
Ｅ ｍａｉｌ：ｚｈｏｕｔａｏ＠ｎｉｍ．ａｃ．ｃｎ。
文章编号：０２５４５３５７（２０１２）０１００４７１０辉光放电质谱应用和定量分析徐常昆１，周 涛２ ，赵永刚１（１．中国原子能科学研究院，北京 １０２４１３；２．中国计量科学研究院，北京 １０００１３）摘要：辉光放电质谱（ＧＤＭＳ）是利用辉光放电源作为离子源的一种无机质谱方法。
ＧＤＭＳ采用固体进样，样品准备过程简单、分析速度快、基体效应小、线性范围宽，是痕量分析的一种重要分析手段，在国外已经成为高纯金属和半导体分析的行业标准方法。
ＧＤＭＳ可以进行深度分析，选择合适的放电条件，可以在样品表面获得平底坑，深度分辨率可以满足对微米量级的层状样品进行测量。
目前商业化的ＧＤＭＳ都是直流放电源，这些仪器需要用第二阴极法或混合法才能对非导电材料进行测量，从而限制了ＧＤＭＳ在非导体材料分析方面的应用。
ＧＤＭＳ放电源和单接收方式并不能满足同位素丰度精确测量的要求，在精确度要求不高的情况下，ＧＤＭＳ在固体样品同位素丰度的快速测量方面还是有一定的应用价值。
文章总结了近几年国内外ＧＤＭＳ在各领域的应用进展和定量分析技术发展方向。
ＧＤＭＳ已经成为一种高纯导电材料分析的重要方法；在深度分析、非导电材料分析、固体同位素丰度快速测量中有一定的应用前景。
在定量测量方面，由于受到基体、测量条件等影响因素较多，缺乏合适的基体匹配的标准物质用于校正，ＧＤＭＳ主要停留在定性和半定量分析阶段。
辉光放电实验报告
辉光放电实验报告引言辉光放电是一种在低压下将气体通过电离而产生的激发态和离子态的现象。
本实验将通过搭建简单的辉光灯实验装置，观察和分析辉光放电的特性。
材料和方法材料：•玻璃管：用于装载气体的容器•电极：提供电流的金属导体•气体：用于实现放电的介质，例如氩气、氖气等•电压源：提供辉光放电所需的电压方法：1.准备实验装置：在玻璃管的两端固定电极，并将电极与电压源连接。
2.装载气体：将所选气体注入玻璃管中，确保气体的纯度和稳定性。
3.开始实验：通过调节电压源的输出电压，使得辉光放电能够在玻璃管中发生。
4.观察和记录：注意观察辉光放电的颜色、形状和亮度，并记录下实验条件和观察结果。
结果和讨论在本实验中，我们选择了氩气作为辉光放电的介质，并进行了一系列实验观察。
实验一：调节电压首先，我们逐渐增加电压源的输出电压，以观察辉光放电的起始电压。
结果显示，当电压达到一定值时，辉光放电才开始发生。
这表明辉光放电具有一定的启动电压。
实验二：气体浓度对辉光放电的影响我们进一步探究了氩气浓度对辉光放电的影响。
通过改变气体的注入量，我们观察到辉光放电的亮度和形状发生了变化。
当氩气浓度较低时，辉光放电呈现出弱亮度和不稳定的特征。
而当氩气浓度增加时，辉光放电的亮度增加，并呈现出更稳定的形态。
实验三：电极间距对辉光放电的影响为了研究电极间距对辉光放电的影响，我们改变了电极的距离。
当电极间距较小时，辉光放电呈现出较亮的特征，并且电弧在电极之间非常显著。
当电极间距增加时，辉光放电的亮度减弱，电弧逐渐消失。
结论通过辉光放电实验的观察和分析，我们得出以下结论：1.辉光放电具有一定的启动电压，只有当电压达到一定值时，辉光放电才能发生。
2.气体浓度对辉光放电的亮度和形态具有影响，浓度较低时辉光放电呈弱亮度和不稳定的特征，而浓度较高时辉光放电更亮且较为稳定。
3.电极间距对辉光放电的亮度和电弧的存在与否有影响，电极间距较小时辉光放电更亮且电弧显著，电极间距增大则亮度减弱且电弧消失。
辉光放电
模型中的反应
结果与讨论
电势和电场分布
由流体模 型计算得 到
平均电子能
由Monte Carlo 模拟计算得到
电子碰撞速率
由Monte Carlo 模拟 计算得到
等离子体物质数密度
由Monte Monte Carlo 模拟 和流体模 型共同得 到
He+ (a), He2+ (b), N2+ (c), 和N4+ (d)离子的二维数密度图
流体模型
适用于高压下高密度和有大量碰撞的各种等离子 体物质 能用电场能来弥补由碰撞引起的能量损失，得到 准确的表征结果 模型中用的方程：
∂ni + ∇ ⋅ Ji = Si ∂t J i = ± µ in iE − D i∇ n i ∇ ⋅(Eε ) = ρ
连续方程 传质方程 泊松方程
产率， 产率，损失率 扩散， 扩散，混合 均匀的电场分布
总结
用流体模型和Monte Carlo模拟，对两种常用 用流体模型和Monte Carlo模拟，对两种常用 的APGDs设计进行研究，可以得到等离子 APGDs设计进行研究，可以得到等离子 体的电势和电场分布，等离子体的密度和 平均电子能等结果，另外，讨论了APGDs 平均电子能等结果，另外，讨论了APGDs 与减压辉光放电的差别 该方法可用于所有的APGDs模式 该方法可用于所有的APGDs模式
APGDs等离子体的性能表征 APGDs等离子体的性能表征
全面了解APGDs等离子体的性能对于 全面了解APGDs等离子体的性能对于 APGDs的应用具有重要的意义 APGDs的应用具有重要的意义 常用方法：电化学表征，光发射光谱， Langmuir探针，激光解吸和切割技术等 Langmuir探针，激光解吸和切割技术等 计算机建模：使用了流体模型和 计算机建模：使用了流体模型和离子模拟 Monte Carlo技术，可用于等离子体的内部测 Carlo技术，可用于等离子体的内部测 量和其中各类物质密度的测量，可得到较 全面的信息
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２ 实验条件及方法
实验在金属腔体反应容器中，５０Ｐａ～ ２５０Ｐａ低气压［４］下，以空气为反应气体， 采用平行极板电极，利用频率为数十千赫 的可调高频脉冲电源，生成了辉光放电等 离子体。
［２］ ＭａｓａｋａｚｕＴａｎｉｎｏ，ＷａｎｇＸｉｌｕ，ｅｔ ａｌ． Ｓｔｅｒｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｂａｒｒｉｅｒｄｉｓｃｈａｒｇｅａｔ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅ．ＩＥＥＥＣＮＦ Ｖｏｌｕｍｅ ２，２－６ Ｏｃｔ． ２００５ Ｐａｇｅ（ｓ）：７８４ ７８８．
Te
=
Ii0 dI
dV V =0
（１）
４ 测量结果分析讨论
电源频率为 ３２ＫＨｚ时，图 ５（ａ）（ｂ）（ｃ） 所示分别是 ５０Ｐａ、１００Ｐａ、２００Ｐａ气压时 探针电流－电压特性曲线。
图 ２（ａ）１８０Ｐａ时两极板之间辉光较 亮，而两级周围变暗，辉光主要集中在两 级中间。
图 ２（ａ）３００Ｐａ以上辉光放电明显收 缩与两极板之间，电极辉光减弱。 ３ 测量方法 双探针法
０．０４
０．０２
－５０
－４０
－３０
－２０
０ －１－００．０２ ０
－０．０４
－０．０６
－０．０８
－０．１
１０ ２０ ３０ ４０ ５０
图 ５（ｂ）１００Ｐａ
０．４
０．３
０．２
０．１
０
－８０
－６０
－４０
－２０ －０．１０
－０．２
－０．３
－０．４
－０．５
２０
４０
６０
图 ７（ｂ） ５０Ｐａ
０．０２
０．０１５
０．０１
低气压高频辉光放电等离子体的特性
李沛 刘文正 李成柳 崔杰 （北京交通大学 电气工程学院，北京 １０００４４）
摘要 生成了低气压高频辉光放电等离子体，利用探针法测量了等离子体的电子温度， 分析了压强、频率对等离子体电子温度的影响。
关键字 低气压，等离子体，辉光放电，双探针法
１ 引言
等离子体灭菌是一种新型的灭菌手 段。与传统灭菌方法相比具有许多优越性 －等离子体消毒过程中的气体温度不高， 这使得它能够被用于不耐高温产品的消 毒 ， 具 有 良 好 的 应 用 价 值 。 ２００２ 年 ， Ｉ．Ａ．Ｓｏｌｏｓｈｅｎｋｏ等人，在约 ３０Ｐａ低气压 下生成了辉光放电等离子体，对枯草杆菌 杀灭率可高达 ９９．９％［１］。等离子体对大肠 杆菌、金黄葡萄球菌等多种病菌也有基本 相同的消毒效果［２］，［３］。
０．００５
０ －５０ －４０ －３０ －２０ －１０ ０
－０．００５
１０ ２０ ３０ ４０ ５０
－０．０１
－０．０１５
－０．０２
图 ５（ｃ）２００Ｐａ
可见，以上曲线基本与典型的双探针 特性曲线相一致。
０．８ ０．６ ０．４ ０．２
０ －５０ －４０ －３０ －２０ －１０ ０ １０ ２０ ３０ ４０ ５０
［４］ 菅井秀郎．张海波，张丹译．等离 子体电子工程学．科学出版社 ＯＨＭ社，２００２．
［５］ ［美］迈克尔 Ａ．力伯曼，阿伦 Ｊ． 里登伯格．蒲以康等译．等离子体 放电原理与材料处理．科学出版 社，２００７．
同样由图 ６可知，５０Ｐａ时等离子体 的饱和电流明显较大，其它的相差不太 大，并且他们的饱和电流值较小。同时 由图 ６和图 ８对比频率可知，在同一气 压下，３２ＫＨｚ时的电子饱和电流比 ５０ＫＨｚ 时大。 根据式（１）计算出以上各种情况 时等离子体的电子温度见表 １。
电等离子体的一些特性。 （１）气压越高并不一定等离子体的
［３］ Ｋｉｍｂｅｒｌｙ Ｋｅｌｌｙ－Ｗｉｎｔｅｎｂｅｒｇ， ＤａｎｉｅｌＭ．Ｓｈｅｒｍａｎ，ｅｔａｌ．Ａｉｒ Ｆｉｌｔｅｒ Ｓｔｅｒｉｌｉｚａｔｉｏｎ Ｕｓｉｎｇ ａ Ｏｎｅ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ Ｕｎｉｆｏｒｍ Ｇｌｏｗ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｐｌａｓｍａ （ｔｈｅ Ｖｏｌ ｆｉｌｔｅｒ）．ＩＥＥＥＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳＯＮ ＰＬＡＳＭＡＳＣＩＥＮＣＥ，ＶＯＬ．２８，ＮＯ．１， ＦＥＢＲＵＡＲＹ２０００．
电子温度可由式（１）得出［４］
图 ３ 双探针的原理图
,
,L , L,
, ,L
9
,L
图 ４ 典型的电流－电压特性曲线
０．８ ０．６ ０．４ ０．２
０ －５０ －４０ －３０ －２０ －１０－０．２０ １０ ２０ ３０ ４０ ５０
－０．４ －０．６ －０．８
图 ５（ａ） ５０Ｐａ
０．１
０．０８
０．０６
０．０６ ０．０５ ０．０４ ０．０３ ０．０２ ０．０１
０ －５０ －４０ ຫໍສະໝຸດ ３０ －２０ －１０－０．０１０ １０ ２０ ３０ ４０ ５０
－０．０２ －０．０３ －０．０４ －０．０５
图 ７（ｂ） １００Ｐａ
０．０２ ０．０１５ ０．０１ ０．００５
０ －５０ －４０ －３０ －２０ －１－００．００５０ １０ ２０ ３０ ４０ ５０
实验装置图如图 １所示。主要由气体 放电室、脉冲电源和测量设备三部分组 成。图 ２（ａ）（ｂ）（ｃ）是不同气压下辉光
放电的形态。
阻抗匹配
A
D
放电室
B
C
电源
Ａ送气系统 Ｂ抽真空系统 Ｃ压力计 Ｄ测量系统
图 １ 实验装置图
图 ２（ａ） ５０Ｐａ时平行电极之间有明 亮的辉光产生，电极周围比较亮，等离子 体扩散性好一些。
探针法是向等离子体中插入一根极
小的电极（探针），然后加上电压VB ，测
定流过探针的电流 Ｉ，可得到探针的电压－ 电流特性曲线。从测量数据可以求得等离
子体的密度 n0 、电子温度Te 、等离子体空
间电位VP 和悬浮电位VF 。 ［４］
双探针通常用在没有合适的接地电 极的等离子体中。图 ３示出了双探针的原 理图，图 ４示出了一个典型的双探针特性 曲线。此探针系统的优点是其净电流值绝 不会超过离子饱和电流，所以能能最大程 度地减低对放电的干扰［４］。
－０．０１ －０．０１５ －０．０２
图 ７（ｃ） ２００Ｐａ 可见，以上曲线基本与典型的双探针 特性曲线相一致。
０．４ ０．３ ０．２ ０．１
０ －５０ －４０ －３０ －２０ －１０－０．１０ １０ ２０ ３０ ４０ ５０
－０．２ －０．３ －０．４
图 ８同一坐标下不同气压下探针的电流－
电压特性曲线
－０．２ －０．４ －０．６ －０．８
图 ６ 同一坐标下不同气压下探针的电 流－电压特性曲线
由图 ６可知，５０Ｐａ时等离子体的饱和 电流明显较大，其它的相差不太大，并且 他们的饱和电流值较小。
电源频率为 ５０ＫＨｚ时，图 ７（ａ）（ｂ）（ｃ） 所示分别是 ５０Ｐａ、１００Ｐａ、２００Ｐａ气压时 探针的电流－电压特性曲线。
５ 总结
通过对低气压辉光放电等离子体的 测量、分析，我们得到了低气压辉光放
［１］ Ｉ．Ａ．Ｓｏｌｏｓｈｅｎｋｏ，Ｖ．Ｖ．Ｔｓｉｏｌｋｏ， ｅｔ ａｌ． Ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ Ｓｔｅｒｉｌｉｚａｔｉｏｎ ＵｓｉｎｇＬｏｗ－ＰｒｅｓｓｕｒｅＤＣ－Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ－Ｐｅｒｏｘｉｄｅ Ｐｌａｓｍａ． ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＰＬＡＳＭＡ ＳＣＩＥＮＣＥ，ＶＯＬ．３０，ＮＯ．４，ＡＵＧＵＳＴ ２００２
电子温度越大、消毒效果越好； （２）频率变化的高频放电对低气压
辉光放电等离子体的电子温度的影响并 不太明显。
今后我们还要有许多的研究工作要 做：如选用氦气作为反应气体与空气作 对比，对生成的等离子体的特性参数对 比与讨论，并进行消毒效果实验。
气压 ５０
频率
Ｐａ
３２ＫＨｚ 6.12
１００ １５０ １８０ ２００ ２５０ Ｐａ Ｐａ Ｐａ Ｐａ Ｐａ 6.11 5.06 4.79 4.85 5.50
参考文献：
５０ＫＨｚ 3.42 4.02 3.71 3.80 4.08 4.28
表 １不同条件的等离子体电子温度
由以上数据可做出等离子体的电子 温度－气压曲线图，如图 ９所示。
７ H9
６
５
４
３
２
１
０
０
５０
. +]
. +]
１００
１５０
２００
SD
２５０
３００
图 ９不同频率下的电子温度－气压曲线
可见，同一频率时在气压较低时电 子温度相对较大，而气压升到 １８０Ｐａ左 右时电子温度下降了，但气压升到 ２５０Ｐａ 时电子温度又升高了。这种情况可能是 由于在 １８０Ｐａ时放电区域向极板收缩， 由于探针放在极板中间，以至吸收电子 量减少；而 ２５０Ｐａ时由于气压升高使反 应气体密度增大，从而使电子密度增大 的而引起的。