大气压放电分解.docx

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大气压放电分解

大气压放电

1．必要性和优点

（a）无需真空室

（b）可批量处理，生产效率高

（c）投入运行成本

2．大气压放电的模式

3．放电模式随气压的变化

4．大气辉光放电的优点

同电晕比较：

放电强，处理速度快

同电弧比较：

放电均匀，处理均匀

放电效率高：

例：

在空气中维持1个ion-electron对

glow需81eV,Arc需要10,000eVper。

5．大气压辉光放电的困难

（1）辉光放电区域随气压减小

（2）大气压放电中的热不稳定性（正反馈效应）

正反馈效应：

放电局部增→局部气体加热增强→气体温度增加→局部气体密度降低，折合电场强度（E/n）增加,电子能谱向高能区增加

实验例子：

[高气压，负高压（充电电容）]

●放电电流和电压

实验结果：

放电模式转化时间T（GlowtoArc）随气压的变化

问题1：

放电在何处易于收缩？

问题2：

如何抑制glowtoarc的transition?

问题3:

Arcfilament放电均由glow放电转化产生？

6．大气压击穿模式

（1）预备概念：

（a）电子雪崩----击穿放电的基础模型

从阴极产生的第一个起始电子，从电场获得一定动能从阴极产生的第一个起始电子，从电场获得一定动能后，会碰撞电离出一个第二代电子，这两个电子作为后，会碰撞电离出一个第二代电子，这两个电子作为新的第一代电子，又将电离出新的第二代电子，这时新的第一代电子，又将电离出新的第二代电子，这时空间已存在四个自由电子。

这样一代一代不断增加的过程，会使带电质点迅速增加，如同发生雪崩一样。

电子崩具显圆锥形，电子集中在崩头，尾部为正离

（b）光电离

电子、离子复合过程会以光子的形式释放能量，产生能量，产生光辐射光辐射。

这种光辐射在一定条件下。

这种光辐射在一定条件下有可能成为导致电离的因素（如流柱理论中二有可能成为导致电离的因素（如流柱理论中二次电子崩的起因）

（2）汤逊击穿

●α过程：

电子在运动中碰撞电离：

电子在运动中碰撞电离：

α是一个电子是一个电子沿电场方向运动沿电场方向运动1cm平均发生的碰撞电离次数。

●γ过程：

正离子轰击阴极产生表面电离：

正离子轰击阴极产生表面电离：

γ是一个一个正离子从阴极轰击出的自由电子个数正离子从阴极轰击出的自由电子个数。

●击穿击穿过程：

上述两个过程交替重复进行，自由电上述两个过程交替重复进行，自由电子数目越来越多，最终导致击穿

●汤逊放电的自持条件：

离子轰击产生一个电子、电力电离产生一个电子，到达阳极损失一个电子。

------

=0.1-0.01。

实际上

包括光电离、潘宁电离

-------非自持放电：

（3）汤逊击穿理论适用条件

●低pd区：

pd小于4000torr•cm，P:

0.01to300torr。

高气压，大间距条件下不成立---->流注击穿理论

●低电场条件：

小

●空间电荷效应弱（仅考虑外电场的加速）

●没有电场的不均匀性

●结果：

放电击穿速度慢，timelag10-5s

●暗放电、电晕、辉光（弱放电，空间电荷的电场低于外部电场）

（4）流注击穿

●击穿仍然由电子雪崩过程解释（电子雪崩示意图如下图）

●电子雪崩对空间电场的影响

●电子雪崩的发展

发展方向：

anode-directed,orcathode—directed

与具体条件有关

发展速度：

极快（光子电离）

最终结果：

形成连接阴极、阳极的局部放电通道（10-2-10-1cm）→→streamer

StreamerBranch（原因:

streamtoolargebreakupinpartsduetoelectrostaticrepulsion）

（5）汤逊、流注击穿的不同

●适用的pd区不同

●电场强弱不同：

流注：

~20；汤逊：

~3

●空间电荷效应强弱

●电场不均匀性

●雪崩发展（击穿速度或timelag）：

汤逊击穿---依赖离子轰击阴极产生二次电子；

电子倍增速度与离子的电迁移速度有关：

10-5cm/s

流注击穿---光电离，电子倍增速度与光传播速度有关:

108cm/s.

是电子迁移速度的10倍。

●二次电子:

汤逊---离子轰击阴极；流注----光电离

●电子雪崩数量：

汤逊---许多；流注---一个or几个

●放电通道：

汤逊---在整个电极区，放电均匀

流注---一个or几个通道，放电不均匀

相同点：

两者均由电子雪崩形成

7．大面积大气压均匀放电的技术方法

（1）大面积均匀放电的基本条件

（a）均匀的汤逊击穿;

（b）均匀击穿后的均匀放电维持：

不产生glowtoarc（GTA）的transition.

（2）均匀的汤逊击穿的实现方法

（a）降低击穿电压

●选用击穿电压低的气体：

He,Ne,Ar

●减小放电间隙

（b）采用预电离

（C）放电频率（射频）

射频辉光放电

（d）快脉冲放电

（3）阻止或延迟glowtoarctransition（GAT）的方法

（a）限流电阻（分立或阻性阴极）

（b）降低阴极电位

●等离子体阴极

发展:

微空心阴极

●空心阴极

●等离子体阴极（详细内容）

放电I-V特性

空心阴极结构I-V特性曲线

第二阳极电压保持不变，空心阴极电压随电流的变化

I跳跃前、后为predischarg,MCS电压降低利于辉光放电维持

Predischarge与MCS之间的迟滞现象

辐射强度随气压增加而提高原因？

电子能谱EEDF测量结果

（c）气流冷却效应（阻止或延迟GAT的方法）

气流冷却位置的影响

问题：

首先在阴极收缩？

还是在阳极收缩？

（d）增加放电通道面积（阻止或延迟GAT的方法）

（e）介质阻挡放电（DielectricBlockedDischarge,DBD）（阻止或延迟GAT的方法）

●绝缘介质的作用

DBD的作用：

在绝缘介质表面积累电荷（（削弱外部电场（（放电结束（（不能不能形成spark（热等离子体，气体分子、原子不能充分热化）

负反馈效应

但是：

不能完全确定击穿过程（有绝缘介质不能保证汤逊击穿）

可以影响击穿后的过程（电荷积累）

●典型的电极形式

●DBD的不同模式

均匀辉光放电（不仅仅是用眼看）

类辉光放电（glowlike,在快速CCD下原形毕露）

非均匀的丝（filament，肉眼看是，实际也是）

●影响DBD的物理因素（beingfarfromconclusive）

气体种类的影响

●He,Ne中容易得到glow

●氮气中容易得到弱的均匀放电，

没有glow的典型分区

●O2（空气）电负性气体放电容易产生filament放电

不均匀径向电场分布的影响

自擦除放电（selferasingdischarge）

介质电荷的电荷积累对本次放电具有负反馈作用；

如果电荷积累不均匀，对紧邻的下一次放电具有正反馈作用。

频率的影响

低频：

不容易得到glow。

两次相邻放电之间的间隔长，亚稳态粒子彭宁电离效应降低；

高频（连续，非脉冲）：

不容易得到glow。

原因:

（1）离子不能到达电极中和电子积累电荷；

（2）频率增加，单位时间内的放电功率增加，气体加热增加；热不稳定性易于发展；（3）电压上升速度快，击穿后的过电压增加。

电极间距

电极间距增加，所需击穿电压增加，但击穿场强降低。

随电极间距增加，

值大，放电以stream方式击穿，只能得到filament。

大间距放电中，难以得到glow

不同介质（绝缘介质电导率）

介质电导率增加，glow可以在更高电场强度下维持

电导率高（积累电荷移动（内建电场降低、均匀（后续放电均匀（glow）

__

低导电率高导电率

扼流线圈

扼流线圈：

U=-Ldi（t）/dt,降低快放电过程（filamemt）的电压慢速、均匀放电（glow）

丝网电极：

有助于产生glow

快脉冲DBD

缺点：

放电重复频率低、成本高

气流对潘宁效应的影响

在产生A*的过程中，快电子被消耗，电离速度降低；电子雪崩在空间的横向尺寸增加趋于汤逊击穿。

潘宁电离产生种子电子击穿电压降低利于汤逊击穿

自组织放电pattern的产生

现象本质：

当电压反向时，新的filament在同一地方产生。

原因：

空间有潘宁电离产生的电子，介质表面有积累电荷空间记忆

filament之间有排斥力：

同种电荷（正电荷）

频率很低：

自组织消失，在整个电极表面filament随机产生。

原因：

空间电荷消失，表面电荷迁移。

频率很高：

没有Pattern:

绝大多数带电粒子被束缚在gap中，积累电荷降低，空间记忆作用降低。

电压幅值：

增加时，在新spot产生filament,看似均匀。

金属电极的缺点：

没有电荷沉积的负反馈作用，不能抑制glowtoarc发展；

金属表面不稳定，容易形成不均匀的氧化物，氧化物局部击穿后容易产生arc;DBD典型过程、物理量的时空尺度

（f）glidingarc滑动弧

（阻止或延迟GAT的方法反其道：

将arc转变为glow）

工作原理：

在电极小间隙处放电产生ArcArc被气流吹向大间隙区，弧长增加，弧能量损失大于吸收能量transition:

Arctoglow新Arc在电极小间隙处产生循环

（f）射频大气压放电（阻止或延迟GAT的方法：

降低放电电压）

●维持电压与频率的关系

●射频段击穿电压与频率的关系

●射频段击穿电压与pd的关系（帕邢曲线：

高pd段为什么得到此段？

）

●极窄间隙（70微米）射频击穿电压与pd的关系（帕邢曲线：

完整pd段）

射频放电的模式（glow,arc）及I-V特性

●射频glow放电的时空特性（金属电极，非间歇放电！

！

）

●射频大气压glow放电的自偏压

●射频大气压空心阴极放电－存在放电模式跳变

●射频大气压放电应用

上图：

Ar放电；下图：

Ar+O2放电；

处理后：

PVC表面层引入新化学健：

O–H,C–OandC–Ox（e.g.C=O,O=C-O）。

有极分子，可以和其他分子、原子强烈作用亲水、粘结

实验例子1—表面处理：

8．微波大气压放电