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輝光放電

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輝光放電(glow discharge)是指低壓氣體中顯示輝光氣體放電現象,即是稀薄氣體中的自持放電(自激導電)現象。由法拉第第一個發現。它包括亞正常輝光和反常輝光兩個過渡階段。輝光放電主要應用於氖穩壓管、氦氖激光器等器件的製造。
中文名
輝光放電
外文名
glow discharge
定    義
稀薄氣體中的自持放電現象
應    用
氖穩壓管、氦氖激光器等器件製造
發現者
法拉第
性    質
低壓氣體中顯示輝光的氣體放電現象

輝光放電物理原理

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輝光放電是種低氣壓放電(Low pressure discharge)現象,工作壓力一般都低於10 mbar,其基本構造是在封閉的容器內放置兩個平行的電極板,利用產生的電子將中性原子或分子激發,而被激發的粒子由激發態降回基態時會以光的形式釋放出能量。

輝光放電放電階段

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輝光放電有亞正常輝光和反常輝光兩個過渡階段,放電的整個通道由不同亮度的區間組成,即由陰極表面開始,依次為:①阿斯通暗區;②陰極光層;③陰極暗區(克魯克斯暗區);④負輝光區;⑤法拉第暗區;⑥正柱區;⑦陽極暗區;⑧陽極光層。其中以負輝光區、法拉第暗區和正柱區為主體。這些光區是空間電離過程及電荷分佈所造成的結果,與氣體類別、氣體壓力、電極材料等因素有關,這些都可以從放電理論上作出解釋。輝光放電時,在兩個電極附近聚集了較多的異號空間電荷,因而形成明顯的電位降落,分別稱為陰極壓降和陽極壓降。陰極壓降又是電極間電位降落的主要成分,在正常輝光放電時,兩極間的電壓不隨電流變化,即具有穩壓的特性。
簡單的輝光放電示意圖 簡單的輝光放電示意圖
輝光放電時,在放電管兩極電場的作用下,電子和正離子分別向陽極陰極運動,並堆積在兩極附近形成空間電荷區。因正離子的漂移速度遠小於電子,故正離子空間電荷區的電荷密度比電子空間電荷區大得多,使得整個極間電壓幾乎全部集中在陰極附近的狹窄區域內。這是輝光放電的顯著特徵,而且在正常輝光放電時,兩極間電壓不隨電流變化。
在陰極附近,二次電子發射產生的電子在較短距離內尚未得到足夠的能使氣體分子電離或激發的動能,所以緊接陰極的區域不發光。而在陰極輝區,電子已獲得足夠的能量碰撞氣體分子,使之電離或激發發光。其餘暗區和輝區的形成也主要取決於電子到達該區的動能以及氣體的壓強(電子與氣體分子的非彈性碰撞會失去動能)。

輝光放電發展歷史

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1831~1835年,M.法拉第在研究低氣壓放電時發現輝光放電現象和法拉第暗區。1858年,J.普呂克爾在1/100託下研究輝光放電時發現了陰極射線,成為19世紀末粒子輻射和原子物理研究的先驅。

輝光放電放電研究

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大氣壓下輝光放電(APGD)
經過近20年的發展,低氣壓低温等離子體已取得了很大進展。但由於其運行需抽真空、設備投資大、操作複雜、不適於工業化連續生產,限制了它的廣泛應用。低氣壓下的輝光放電雖然可以處理這些材料,但存在成本、處理效率等問題,無法規模化應用於紡織品的表面處理。長期以來人們一直在努力實現大氣壓下的輝光放電(APGD)。
1933年德國Von Engel首次報道了研究結果 ,利用冷卻的裸電極在大氣壓氫氣和空氣中實現了輝光放電,但它很容易過渡到電弧,並且必須在低氣壓下點燃,即離不開真空系統。1988年,Kanazawa等人報道了在大氣壓下使用氦氣獲得了穩定的APGD的研究成果,並通過實驗總結出了產生APGD要滿足的三個條件:(1)激勵源頻率需在1kHz以上;(2)需要雙介質DBD;(3)必須使用氦氣氣體。此後,日本的Okazaki、法國的Massines和美國的Roth研究小組分別採用DBD的方法,用不同頻率的電源和介質,在一些氣體和氣體混合物中宣稱實現了大氣壓下“APGD”。1992年,Roth小組在5mm氦氣間隙實現了APGD,並聲稱在幾個毫米的空氣間隙中也實現了APGD, 主要的實驗條件為濕度低於15% 、氣體流速50l/min、頻率為3kHz的電源並且和負載阻抗匹配。他們認為“離子捕獲”是實現APGD的關鍵。Roth等人用離子捕獲原理解釋APGD,即當所用工作電壓頻率高到半個週期內可在極板之間捕獲正離子,又不高到使電子也被捕獲時,將在氣體間隙中留下空間電荷,它們影響下半個週期放電,使所需放電場強明顯降低,有利於產生均勻的APGD。他們在實驗室的一台氣體放電等離子體實驗裝置中實現了Ar、He和空氣的“APGD”。1993年Okazaki小組利用金屬絲網(絲直徑0.035mm,325目)電極為PET膜(介質)、頻率為50Hz的電源,在1.5mm的氣體(氬氣氮氣空氣)間隙中做了大量的實驗,並宣稱實現了大氣壓輝光放電。根據電流脈衝個數及Lisajous圖形(X軸為外加電壓,Y軸為放電電荷量)的不同,他們提出了區分輝光放電和絲狀放電的方法,即若每個外加電壓半週期內僅1個電流脈衝,並且Lisajous圖形為兩條平行斜線,則為輝光放電。若半週期內多個電流脈衝,並且Lisajous圖形為斜平行四邊形,則為絲狀放電。法國的Massines小組、加拿大的Radu小組和俄羅斯的Golubovskii小組對APGD的形成機理也進行了比較深入的研究工作。Massines小組對氦氣和氮氣的APGD進行了實驗研究和數值模擬 ,除了測量外加電壓和放電電流之外,他們用曝光時間僅10ns的ICCD相機拍攝了時間分辨的放電圖像,用時空分辨的光譜測量記錄了放電等離子體的發射光譜,並結合放電過程的一維數值模擬,他們認為,氮氣中的均勻放電仍屬於湯森放電,而氦氣中均勻放電才是真正意義上的輝光放電,或亞輝光放電。他們還認為,得到大氣壓下均勻放電的關鍵是在較低電場下緩慢發展大量的電子雪崩。因此,在放電開始前間隙中必須存在大量的種子電子,而長壽命的亞穩態及其彭寧電離可以提供這些種子電子。根據10ns暴光的ICCD拍攝的放電圖像,Radu小組發現,在大氣壓惰性氣體He、Ne、Ar、Krypton的DBD間隙中,可以實現輝光放電。
從上個世紀末,國內許多單位如科羅納實驗室、清華大學、大連理工大學華北電力大學西安交通大學華中科技大學、中科院物理所、河北師範大學等先後開始了對APGD的研究。由於APGD在織物、鍍膜、環保、薄膜材料等技術裏域有着誘人的工業化應用前景,在大氣壓下和空氣中實現輝光放電產生低温等離子體一直是國內外學者探尋的研究重點和熱點。2003年,國家自然科學基金委員會將“大氣壓輝光放電”列為國家重點研究項目。APGD的研究也取得了一些進展,如He、Ne、Ar、Krypton惰性氣體在大氣壓下基本實現了APGD,空氣也已經實現了用眼睛看上去比較均勻的準“APGD”。
對APGD的研究結果和認識是仁者見仁,智者見智。APGD的研究方興未艾,已經受到國內外許多大學和研究機構的廣泛重視。由於大氣壓輝光放電還沒有一個認可標準,許多實驗所看到的放電現象和輝光放電很相似即出現視覺特徵上呈現均勻的“霧狀”放電,而看不到絲狀放電,但這種放電現象是否屬於輝光放電還沒有共識和定論。
次大氣壓下輝光放電(HAPGD)
由於大氣壓輝光放電技術雖有報道但技術還不成熟,沒有見到可用於工業生產的設備。而次大氣壓輝光放電技術則已經成熟並被應用於工業化的生產中。次大氣壓輝光放電可以處理各種材料,成本低、處理的時間短、加入各種氣體的氣氛含量高、功率密度大、處理效率高。可應用於表面聚合、表面接枝、金屬滲氮、冶金、表面催化、化學合成及各種粉、粒、片材料的表面改性和紡織品的表面處理。次大氣壓下輝光放電的視覺特徵呈現均勻的霧狀放電;放電時電極兩端的電壓低而功率密度大;處理紡織品和碳纖維等材料時不會出現擊穿和燃燒並且處理温度接近室温。次大氣壓輝光放電技術可用於低温材料、生物材料、異型材料的表面親水處理和表面接枝、表面聚合、金屬滲氮、冶金、表面催化、化學合成等工藝。由於是在次大氣壓條件下的輝光放電,處理環境的氣氛濃度高,電子和離子的能量可達10eV以上。材料批處理的效率要高於低氣壓輝光放電10倍以上。 可處理金屬、非金屬、(碳)纖維、金屬纖維、微粒、粉末等。

輝光放電應用領域

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輝光放電的主要應用是利用其發光效應(如霓虹燈日光燈)以及正常輝光放電的穩壓效應(如氖穩壓管)。 利用輝光放電的正柱區產生激光的特性,製做氦氖激光器
近年來,輝光放電在污水處理、滅菌消毒、聚合物材料表面改性、分析儀器離子源等方面也多有應用。 [1] 
由於其特點,輝光發電應用於發射光譜分析,用作氣體分析和難激發元素分析的激發光源。在玻璃管兩端各接一平板電極,充入惰性氣體,加數百伏直流電壓,管內便產生輝光放電,其電流為10-4~10-2A。放電形式與氣體性質、壓力、放電管尺寸、電極材料、形狀和距離有關。利用其在發射光譜中的應用,可以檢測鉛的濃度等。
參考資料