辉光放电
辉光放电
辉光放电（Glow discharge）辉光放电是放电等离子体中最常见的一种放电形式，应用也最广泛。
比如，一般的气体激光器（He-Ne 激光器、CO2激光器等）、常用光源（荧光灯）、空心阴极光谱灯等。
同时辉光放电也是放电形式中放电最稳定的放电形式，所以有必要对辉光放电进行较为详细的讨论。
§6.1 辉光放电的产生及典型条件最简单的辉光放电的结构如图6.1（a）。
调节电源电压E或限流电阻R，就会得到如图6.1（b）的V-A特性曲线。
管电压U调节到等于着火电压U b时，放电管内就会从非自持放电过渡到自持放电，此时，放电电流I会继续增大，管压降U下降，进入辉光放电区。
放电管发出明亮的辉光，其颜色由放电气体决定。
限流电阻R应比较大，以保证放电稳定在辉光放电区。
如果限流电阻R很小，放电很容易进入弧光放电区。
辉光放电的特点：比较高的放电管电压U(几百~几千V)，小的电流I（mA量级）；弧光放电的特点：很低的放电电压U（几十V），大电流放电I（A量级甚至更大）。
辉光放电的典型条件：①放电间隙中的电场分布比较均匀，至少没有很大的不均匀性；例如He-Ne激光器的放电管内电场近似均匀。
②放电管内气体压强不是很高，要求满足（Pd）Ubmin＜Pd＜200Kpa cm（巴邢曲线的右支），d---放电管内电极间距，（Pd）Ubmin--巴邢曲线最低点U bmin对应的Pd值。
一般P=4Pa~14Kpa时，可出现正常辉光放电，而Pd＞200Kpa cm时，非自持放电通常会过渡到火花放电或丝状放电；③放电回路中的电源电压和限流电阻准许放电管的放电电流工作在mA量级，且电源电压应高于着火电压U b，否则不能起辉。
§6.2 辉光放电的组成区域和基本特征对于一对平行平板放电电极，典型的辉光放电外貌如图6.2(a)。
从阿斯顿暗区到负辉区称为阴极位降区或阴极区。
下面对各放电区一一进行介绍。
1、阿斯顿暗区（Aston Dark Space）：它是仅靠阴极的一层很薄的暗区，是有Aston首先在H2、He、Ne放电中观察到的放电暗区，所以称为阿斯顿暗区。
辉光放电原理
辉光放电原理
辉光放电是一种在气体中产生的放电现象，其原理是通过在两个电极之间加上
足够的电压，使得气体分子发生电离，产生等离子体，从而产生可见的光。
辉光放电在许多领域都有重要的应用，比如荧光灯、氖灯、等离子体显示器等。
在本文中，我们将深入探讨辉光放电的原理及其应用。
辉光放电的原理主要包括以下几个方面：
1. 电离和复合过程。
当两个电极之间的电压足够大时，电场会加速气体分子，使得它们发生电离。
这些电离的正负离子会在电场的作用下向两个电极移动，当它们再次相遇时，会发生复合过程，释放出光子。
这些光子就是我们所看到的辉光。
2. 离子化和激发态。
在辉光放电中，气体分子被电场离子化后，产生的离子和电子会在电场的作用
下获得能量，从基态跃迁到激发态。
当它们返回基态时，会释放出光子，形成辉光。
3. 电子碰撞激发。
在辉光放电中，电子和气体分子碰撞后会获得能量，使得气体分子跃迁到激发态。
当气体分子返回基态时，会释放出光子，形成辉光。
辉光放电在实际应用中有着广泛的用途。
比如在荧光灯中，通过辉光放电产生
的紫外线激发荧光粉发光；在氖灯中，氖气被放电后产生的红色光线被用于广告招牌和指示灯；在等离子体显示器中，通过辉光放电产生的等离子体来显示图像。
总的来说，辉光放电是一种重要的放电现象，其原理包括电离和复合过程、离
子化和激发态、电子碰撞激发等。
它在荧光灯、氖灯、等离子体显示器等领域有着
广泛的应用。
通过对辉光放电原理的深入理解，我们可以更好地应用这一现象，推动科技的发展和进步。
辉光放电的特征
辉光放电的特征辉光放电是一种在气体中产生的电放电现象，具有独特的特征和表现形式。
以下将详细介绍辉光放电的特征。
一、起始电压和电流特征辉光放电的起始电压是指在特定条件下，气体中发生辉光放电所需的最低电压。
起始电压取决于气体种类和气体压力。
当电压达到起始电压时，气体中的电子会被加速，从而导致电离和电子的碰撞。
辉光放电的起始电流是指在起始电压下，气体中开始出现辉光放电的最低电流。
起始电压和电流是判断辉光放电是否发生的重要指标。
二、辉光颜色和亮度特征辉光放电的颜色和亮度取决于气体种类和气体压力。
不同的气体在辉光放电时会产生不同的颜色，如氮气放电呈现出紫色，氧气放电呈现出蓝绿色。
辉光放电的亮度也会随着电压和电流的变化而改变，较低的电压和电流通常会产生较暗的辉光，而较高的电压和电流则会产生较亮的辉光。
三、放电形态特征辉光放电的形态多种多样，常见的形态有均匀辉光、不均匀辉光和闪烁辉光。
均匀辉光指的是整个放电区域均匀发光，没有明显的亮暗区域。
不均匀辉光指的是放电区域呈现出明显的亮暗变化，可能形成条纹、斑点或环状等图案。
闪烁辉光指的是放电区域的亮度会快速变化，呈现出明暗交替的效果。
四、声音和气味特征辉光放电在发生时通常会伴随着声音和气味的产生。
声音是由于放电过程中气体分子的碰撞和振动所产生的，不同的气体放电会产生不同的声音。
气味则是由于放电过程中产生的化学反应和物质释放所引起的。
例如，臭氧放电会产生一种特殊的气味。
五、放电路径特征辉光放电通常会沿着特定的路径传导，这条路径被称为放电通道。
放电通道的形态和位置取决于电极的形状和排列方式，以及气体的性质和压力。
在辉光放电发生时，放电通道会呈现出明显的亮度和形状变化，如放电通道可能会呈现出分支、弯曲或扩散的形态。
辉光放电具有起始电压和电流特征、辉光颜色和亮度特征、放电形态特征、声音和气味特征以及放电路径特征等独特的特点。
通过对这些特征的观察和分析，可以更好地理解和研究辉光放电现象，为相关领域的应用和发展提供基础和指导。
辉光放电的原理和特点
辉光放电的原理和特点
辉光放电是指当高电压施加在两电极之间时，使气体电离并形成带有辉光的放电现象。
其原理和特点如下：
原理：
1. 电离：当电场强度达到一定程度时，电子可以从原子或分子中获得足够的能量，从而使原子或分子发生电离，形成自由电子和带正电的离子。
2. 加速：在电场的作用下，自由电子受到加速，形成高速电子束。
3. 碰撞电离：高速电子束与气体分子碰撞，导致更多的电离发生。
4. 电荷并重新组合：电子束与正离子重新组合，从而形成带有辉光的电流。
特点：
1. 显著的辉光：辉光放电具有明显的辉光现象，使得放电区域呈现出明亮的光辉，有时还伴随着闪烁或变色。
2. 电场强度高：辉光放电需要较高的电场强度，使得气体达到电离的状态。
3. 电流密度低：辉光放电通常具有较低的电流密度，不会使电极过热或引发火花放电。
4. 稳定性好：辉光放电相对稳定，具有较长的寿命，因为形成的辉光电流可以持续流动。
5. 用途广泛：辉光放电可以应用于灯泡、气体放电显示器、气体激光器、电子显微镜等领域，具有重要的实际应用价值。
辉光放电
E 4 d 2U 4( ) 0 dx2
• 空间复合0
乱向运动为主
无雪崩式电离过程
快电子碰撞电离带电粒子
电子温度 快电子碰撞电离双极性扩散引起 的带电粒子损耗
发光:
• 靠激发原子而不是复合
• 发光强度 I
第五章：辉光放电
5.4 正柱区 : 传导电流
5.1 辉光放电的产生 典型条件： • 电场是均匀的 • 气压适中: 200kPacm>pd>(pd)min ----一般辉光放电：p=4-14kPa ----pd>200kPacm, 弧光或火花放电 • 足够容量的电源(电源电压, 限流电阻): I >mA， Us>Ub
外貌和参量分布
第五章：辉光放电
Ws-e<Ue
或
Ui
激发或电离
• E 很弱 缓慢加速电子
阴极部分
5.2 组成及特性—定性分析 正柱区: 均匀光柱或层状光柱 • 等离子区 n+=n• 正离子速度慢, 电子速度快 电子流 >>正离 子流
正离子和电子的负空间电荷达到平衡
• E: 远小于阴极区(几个数量级) • 当E/p很小时，乱向速度 >>um 阳极区: • 阳极附近负空间电荷 E 阳极位降 • 慢电子 电子速度 激发或电离
f
(E)
B
AeE/ p
p
0
1)阴极区带电粒子的产生 C 与正离子速度无关
和消失
电子和正离子没有空间复合
( E很大 ue 和 u很大)
带电粒子的消失主要在电极上
2) 阴极区带电粒子运动
u KE (仅当E在大范围均匀时才正确)
3) 阴极区电场分布
辉光放电
谢谢观看
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.
正常辉光放电和异常辉光放电的特征
正常辉光放电和异常辉光放电的特征1.正常辉光放电(1)透明管内光辉的显示。
正常辉光放电的主要特点是管内有明亮的辉光显示。
在辉光放电状态下，气体会发出各种颜色的辉光，如黄色、绿色、橙色等。
(2)放电管两侧发亮。
正常辉光放电时，放电管两侧的电极会发亮，其中一个电极发出的辉光更为明亮，称为主放电电极，另一个电极发出较暗的辉光，称为副放电电极。
(3)放电产生的声音。
正常辉光放电时，会伴随着放电的声音。
辉光放电时，气体分子和原子在电场的作用下发生激发和离解，产生一系列能量和声音。
(4)放电形成的景观。
正常辉光放电时，会产生一系列会聚、分支、扩展、螺旋等形态的景观。
这是由于电场分布的特性和辉光放电过程中激发和离解的微观过程所决定的。
2.异常辉光放电异常辉光放电是指在特定条件下，气体放电形成的一种非正常的放电形态。
它的特征如下：(1)发光颜色非正常。
异常辉光放电发出的光辉表现为非正常颜色，如紫色、青色、红色等。
与正常辉光放电不同的是，其颜色比较明亮且多是较单一的颜色。
(2)放电电流异常。
异常辉光放电时，放电电流较大并且极不稳定。
一般而言，辉光放电过程中是有规律的电流变化，但在异常辉光放电中，电流变化幅度大，可能在很短的时间内产生剧烈的波动。
(3)放电伴随噪音。
异常辉光放电与正常辉光放电一样，也会产生声音。
而与正常辉光放电不同的是，异常辉光放电的声音通常更大、更嘈杂。
这是由于放电过程中产生的电流突变或电弧出现等造成的。
(4)放电形态不规则。
异常辉光放电的形态往往呈现出一些不规则的特征，如分支的辉光放电、电弧等。
这是由于电压、气体组分、电极材料等因素导致的。
总结起来，正常辉光放电和异常辉光放电的特征可以区分为：正常辉光放电显示透明管内光辉、管内两侧电极发光、有声音、放电形成各种景观；而异常辉光放电颜色非正常、电流异常、放电伴随噪音、放电形态不规则。
这两种放电形态的不同特征是由气体组分、电压、电流等因素所决定的。
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。
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λD = (
kTe∑ 0 1/ 2 ) nee 2
κi + κe ωi = ( ne 2 ) 1/ 2 mi∑ 0
ne 2 1/ 2 等离子体振荡 ωe = ( meε 0 ) ≈ 9000 n ( Hz )
(for the typical DC glow discharge plasma, e is in Gigahertz order while i is in megahertz order)
射频辉光放电的特点
击穿电压低，放电气压低，放电 易自持，电极可以放在放电室外 面等。
实际用于气体放电的射频源频率统一 为13.56 MHz，以避免干扰正常通讯。
射频辉光放电>射频电极的自偏压（产生过程一）
t=0
Vb Η -1000 V，
C‘
t = 0 时，Va = -1000 V, ∵ C >> C‘, Vb Η Va，气体击穿放电。
电流密度
直流辉光放电>放电区的结构和分布>Faraday暗区 暗区
与负辉区相比，该区电子和 离子密度较小，电场很弱，激发 和复合的几率都比较小。
电流密度
直流辉光放电>放电区的结构和分布>正柱区
正柱区电子和离子浓度相等， 接近理想等离子体。
电流密度
直流辉光放电>放电区的结构和分布>阳极区
阳极区包括阳极暗区和阳极 辉区。阳极暗区实质上是阳极与 正柱区等离子体间的鞘层；阳极 辉区由阳极加速电子引起激发和 电离而产生。
射频辉光放电>交流放电的一般规律
临界频率f1和f2 (f1<f2)
f1和f2 (f1 < f2) 分别相应于离子和电子到达电极所需时间。f > f1 时，电极间 存在正空间电荷，对电离起增强作用，击穿电压比直流时低； f > f2 时，电子随 电压的交替在电极间振荡，与气体分子碰撞的几率增加，击穿电压降低。
射频辉光放电>射频电极的自偏压（产生过程二）
0 < t < T/2
Vb
-800 V，
+++
C‘
0 < t < T/2 区间， 由于离子运动慢，C 充电速度不高，Vb 缓慢升至 -800 V, 相 应地 Vb – Va = 200 V
射频辉光放电>射频电极的自偏压（产生过程三）
Va = 1000 V，
t = T/2
Vb = 1200 V，
C‘
t = T/2 时，Va 跳变为 +1000 V, 由于 C 上存有 –200 V电压（下正上负）, Vb = 1200 V。
射频辉光放电>射频电极的自偏压（产生过程四）
T/2 < t < T
Vb
+100 V，
eee
C‘
T/2 < t < T 区间， 电子迅速中和C 上正电荷，Vb 快速下降至 +100 V， 相应地 Vb – Va = -900 V。
气体放电的分类
பைடு நூலகம்
击穿电压
无规则脉冲电流
气体的击穿—帕邢定律
Vs =
BPd APd ) ln( 1 ln
γ
上式称为帕邢定律， 表示击穿电压 Vs 是气压 P 与极间距离 d 乘积的函 数。其中A和B为常数，γ 表示一个正离子撞击阴极 表面时平均从阴极表面逸 出的电子数目（二次电子 发射）。 图示为实验测得的曲线。注意对应不同 Pd，Vs 有一极小值。
Electrons within this plasma are constantly being repelled when approaching the hollow cathode walls : An oscillatory motion of the electrons results yielding greatly improved ionization rates and thereby higher plasma densities
电流密度
直流辉光放电>放电区的结构和分布>短间隙放电
极间距离缩短时，正柱区和 法拉第暗区将缩短直至消失，而 阴极暗区和负辉区不受影响，这 种情况称为短间隙辉光放电。
直流辉光放电>放电区的结构和分布>brief summary
阴极区：阴极与a之间，这里有很大 的电场强度。 负辉区：ab之间，这里电离和激发主 要是由在阴极位降加速下的 快速电子碰撞气体原子而引 起的 法拉第暗区：bc之间，这里电子的能 量太低，不足以激发气体原 子，在ac间的电子流主要是 扩散性电子流。 正柱区： cd之间，这里电场强度为常 数。 阳极区：阳极附近的发光区及阳极鞘 层。 最后三个部分可以不存在。
射频辉光放电>射频电极的自偏压（产生过程五）
V阿 Η -1000 V，
t=T
Vb Η -1900 V，
C‘
t = T 时，Va跳变为 -1000 V，由于 C 上存有 900 V电压（上正下负）, Vb = -1900 V。
如上所示每经历一周期， Va都将更负一些。到若干周期以后，电压波形趋于稳定，整体向负 电位偏移而产生负的直流分量，即负的自偏压。
*徐学基等，气体放电物理，复旦大学出版社。
射频辉光放电>交流放电的一般规律
电压频率与放电行为的关系
100 ~ 104 Hz 每个半周期都经历一次击穿、维持和熄火的过程，放电不连续，相当于正负电 极交替的直流放电 ~ 1 MHz 极性变换的连续放电 1 ~ 100 MHz 电子在放电空间不断来回运动，增加了与气体分子碰撞的次数，使电离能力显 著提高，击穿电压明显降低，放电比直流条件下更易自持。 由于射频下放电由电子在放电空间的往复运动碰撞电离引起，电极上的 过程 变得不重要，因此电极可以放在放电室外面。
直流辉光放电与射频辉光放电 DC and RF glow discharges
By WenQi LU 9/19/2005
Contents in last lecture
等离子体及其温度 (for cold plasma, the temperatures are different for ions, electrons and neutral particals) 德拜屏蔽，鞘层，德拜长度 Bohm鞘层判据 u (0) > ( kTe )1/ 2 双极性扩散 Dd =
射频辉光放电>射频电极的自偏压（六）
实用中采用的正弦波电压及所产生 的直流自偏压。
summary
气体放电的伏安特性与分类 气体的击穿电压与气压的关系—帕邢定律 直流辉光放电 （放电区结构和分布、放电过程，空心阴极放电） 射频辉光放电 （射频放电的特点、自偏压的产生）
Appendix: 弹性碰撞界面与电子速度的关系
直流辉光放电>放电的损耗过程
直流辉光放电>空心阴极放电*
A为环形阳极，C1和C2为阴极。若C1和 C2间的距离d缩短到一定长度时，两个 负辉区合并在一起，发生空心阴极放电 现。 特点：对比正常辉光放电，阴极位降变 化条件下，电流密度大大提高，阴极溅 射强烈。负辉区中电子能量分布非常适 于激励金属蒸气离子激光系统。
直流辉光放电>放电区的结构和分布>阴极区
阳极暗区
阴极区由Aston暗区， 阴极辉区和阴极暗区（或 称克罗克斯暗区）三部分 组成。极间电压大部分加 在这里，电子被加速与气 体原子碰撞，使原子激发 或电离。
电流密度
直流辉光放电>放电区的结构和分布>负辉区
负辉区是电极间发光最强的 区域，阴极出发的电子到达这里 时大部分已经因碰撞损失了能量， 而阴极暗区中电离的低速电子也 进入该区，形成负空间电荷区。 电子速度的减慢加大了激发与复 合的几率，使发光特别强。
不同频率下击穿电压与气体压力的关系
关于第二极小值的解释 气压降低时电子振幅增加，使一些电 子跑上电极，这些电子的损失只能靠 提高电场强度和电离率来补偿，以维 持气体击穿。提高频率时，第二极小 值向低气压处移动。
射频辉光放电>射频辉光放电的特点
采用射频电压的必要性
利用辉光放电等离子体进行溅射、刻 蚀或沉积时，电极上经常会有绝缘覆 盖层存在，因此利用直流不能实现持 续放电。