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。
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.
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。
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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
Monte Carlo 模型
一种动力学模型，以大量独立电子的行为 为基础，运用超电子代替真实电子，可以 得到很好的数据，详细的描述电子行为 超电子的轨迹是时介函数，可用牛顿定律 计算 时阶内的电子的碰撞概率可由下列方程和 时阶内的电子的碰撞概率可由下列方程和 随机数字处理得到
研究操作条件
对两个常用的APGDs设计进行研究 对两个常用的APGDs设计进行研究 1大气压的He气，10ppm的纯N2 ，650V直流 大气压的He气，10ppm的纯N 650V直流 放电电压，He和 放电电压，He和N2离子的二次电子发射系 数分别为0.092和0.01，气体温度为1350K 数分别为0.092和0.01，气体温度为1350K
创新点和发展方向
创新点：流体模型和Monte Carlo模拟两个模 创新点：流体模型和Monte Carlo模拟两个模 型互补使用，流体模型克服了能量损失和 型互补使用，流体模型克服了能量损失和 时间长的困难，而Monte Carlo模拟则互补了 时间长的困难，而Monte Carlo模拟则互补了 流体模型中电子能量不真实的弱点，使得 流体模型中电子能量不真实的弱点，使得 计算出来的结果更为全面和准确，能很好 的表征分析光谱中常压辉光放电的性能 发展方向：将该法用于描述流动余辉放电 和其他的辉光放电设计
常压辉光放电
Hieftje和Andrade等人在这方面研究的比较 Hieftje和Andrade等人在这方面研究的比较 多，也提出了很多的新设计 已被提出的类型：微型直流辉光放电 微空心阴极辉光放电 介电质放电等
APGDs等离子源 APGDs等离子源
流动常压余辉源：可用于气相化合物的离 子化和固相化合物的解吸— 子化和固相化合物的解吸—离子化，可作 为有机质谱的化学离子源 其他等离子源：直接实时分析，介电质放 电离子化，辅助等离子体解吸离子化等。 它们可以对大范围样品进行解吸和离子化， 它们可以对大范围样品进行解吸和离子化， 不需要预处理 优点：高输出，易操作，低消耗，价格便 宜
分析光谱中常压辉光 放电的理论表征
作者：Tom Martens等人 作者：Tom Martens等人 报告人：彭丽英
辉光放电
低压气体中显示辉光的气体放电现象，即 低压气体中显示辉光 现象，即 是稀薄气体中的自激导电现象 减压辉光放电：通常在50～500Pa的压力运 减压辉光放电：析 行，广泛用于固体样品的分析 常压辉光放电（APGDs）：在大气压力下 常压辉光放电（APGDs）：在大气压力下 运行，可用于气相和液相样品的测定，在 运行，可用于气相和液相样品的测定，在 分析应用，材料加工和环境，生物药物分 析应用上具有重要的意义。 目前，常压辉光放电的研究是一个热点
亚稳态Hem*和激发态He2*的二维数密度图
等离子体产率和损失过程
APGDs与减压辉光放电的比较 APGDs与减压辉光放电的比较
含有一个更薄更小的阴极暗区域CDs和一个 含有一个更薄更小的阴极暗区域CDs和一个 大的正柱区PC 大的正柱区PC 电子的平均能量更低只有50ev左右 电子的平均能量更低只有50ev左右 电子碰撞离子化速率高出几个数量级 两者有相似的等离子体物质数密度分布