低压气体放电：原理与应用探究

1.气体放电

等离子体热处理采用的是低温等离子体，最简单获得低温等离子体的方法是低气压气体放电，通过低压气体放电我们可以了解等离子体中发生的基本过程，并对放电特性有所认识。

（1）气体放电的伏安特性曲线 由中性原子、分子组成的气体，一般情况下是不导电的。由于自然界存在的各种辐射（宇宙射线、紫外线、放射性元素产生的γ射线等）使气体电离，出现了微量原始电荷。在直流高压电场下，低压气体中的电子被加速向阳极运动，并碰撞气体原子、分子，使之不断被电离产生新电子、离子。上述过程产生的正离子在电场加速下轰击阴极，造成二次电子发射并维持放电过程，于是，气体就具备了导电性能。

1）伏-安特性曲线。放电管是研究低压气体放电常用的试验装置，如图11-1所示。将放电管抽空至1～1000Pa。在两个金属电极上加以直流可变电压，通过调节电源电压逐渐改变管压或管流。这样就可以测得放电管各种放电形式下的电压与电流的关系，最后综合成一个难以用欧姆定律表达的全伏-安特性曲线。因管内气体性质、气压、电极及放电管形状不同，上述曲线略有差异。图11-2所示为氩气放电管的伏-安特性曲线。

图11-1 低压气体放电装置

1—阳极 2—电流表 3—开关 4—电源 5—限流电阻 6—阴极 7—电压表 8—放电管

图11-2 氩气放电管的伏-安特性曲线

增加电源电压，放电管电流随管压上升极缓慢地增长，此时极间电压很低，不可能发生电子与气体间的碰撞电离。这只能是一种靠外电离源维持的非自持放电。OB段叫做无声非自持放电、BC段叫做非自持暗放电。当电压增至C点（V_s）后，正离子获得足够的能量轰击阴极后产生二次电子，放电过程由非自持放电过渡到依靠二次电子发射维持的自持放电阶段，CD段为自持暗放电。继续增加电源电压时，管压迅速下降，管流加大（dV/dI<0），DE段则为自持的正常辉光放电前的过渡阶段。进入正常辉光放电阶段（EF段）后，管内开始呈现出明暗相间的柔和辉光，管压降基本保持不变（dV/dI=0），管电流随着回路电源电压的增加而加大，阴极表面电流密度恒定，阴极有效放电面积随电流成比例扩大，直至辉光覆盖整个阴极表面。从F点开始，管压随电流增加反而上升，电流密度也成比例加大，dV/dI>0，即进入了异常辉光放电区的FG段。

在特性曲线的GH段又出现了新的突变，管电压突然大幅度下降至H点约30伏，电流剧增，即过渡到了另一种自持放电-弧光放电HK阶段。在弧光放电状态下，小面积局部的强烈的弧光取代了大面积柔和的辉光。

2）辉光点燃电压。低压气体放电时，由非自持放电到自持放电的过渡电压称为点燃电压，用V_s表示。它与气体压力（p）、气体种类成分、温度、电极间距（d）、阴极材料及表面状态有关。研究表明，V_s与电压和电极间的距离的乘积pd有关，并有一最小值，图为11-3所示为几种气体的点燃电压与pd之间的关系^[1]。最小值的存在是因为在pd较小时，则或是因气压低、分子自由程太长，或是极间距太短，使电子到达阳极前与气体碰撞电离几率太小，而达不到需要的体积电离次数。只有提高极间电压，以加大电子动能，使电离系数增大、离子能量升高，正离子在轰击阴极时造成充分的二次电子发射才能维持自持放电，于是V_s就增高了。如果pd较大，则或是因为气压高气体自由程太短，或是极间距太长，频繁的非弹性碰撞，使电子不足以获得产生电离的动能，又因正离子也得不到产生足够二次电子发射的能量，故需提高极间电压以增大每个自由程中的电场强度方可维持自持放电。这样，V_s便得到提高。

（2）辉光放电特性

1）辉光放电两极间各种特性分布。气体放电进入辉光放电阶段后，产生较强的激发与电离过程，因此可以看到辉光。仔细观察会发现辉光从阴极到阳极的分布是不均匀的，如图11-4所示。图11-4a中，a为阿斯顿暗区，b为阴极辉区，c为阴极暗区，d为负辉区，e为法拉第暗区，f为等离子体正柱区，g为阳极暗区，h为阳极辉区。从图11-4中还可以看出辉光放电辉光本身不均匀，极间电压、电荷分布也不均匀。

图11-3 几种气体的点燃电压与pd之间的关系

注：1Torr=133.3Pa。

图11-4 辉光放电的发光分布及各种特性

a）电极间的各区域 b）辉光强度分布 c）极间电压分布 d）极间正电荷分布

图11-4中有辉光的区域是产生激发和电离的区域，辉光暗的区域是电子加速的区域。从阴极到阳极的光层顺序已在图中标明，其形成过程可作以下解释：

①阿斯顿暗区。紧靠阴极表面约1mm厚，电子从阴极发射出来立即进入高电场强度区并被加速，但刚离开阴极时速度还很小，不能产生激发，所以没有发光现象。

②阴极辉区。电子被加速到足以产生激发。

③阴极暗区。电子经阴极辉区后，速度进一步增加，足以产生电离，而激发很少，所以为暗区。

以上三区与阴极之间具有很大的电位降落，总称为阴极位降区。三区宽度之和即所谓阴极位降区d_k，其厚度与电压、气体压强有关。

④负辉区。在阴极暗区电离的电子多数是慢电子，它们因受到多次非弹性碰撞能量降低小于电离能，但可产生激发碰撞和电子与离子间的复合，故在此区产生大量的激发发光和复合发光，负辉区的光最强和阴极暗区有明显的界限。

⑤法拉第暗区。大部分电子已在负辉区损失了能量，此区电场很弱，电子已无足够的能量进行明显的激发和电离，所以光强很弱。

⑥正柱区。此区正、负离子数相等，又称等离子体区，带电粒子密度一般为10⁹～10¹²个/cm³。正离子迁移率很低，电子迁移率高，因此等离子体区是一强导体。它在气体放电中的作用就是传导电流。正柱区的电场强度比阴极区小几个数量级。故在等离子体区主要是无规律的混乱运动，其运动速度比迁移速度大几个数量级，产生大量的非弹性碰撞。

⑦阳极辉区。在等离子体区的阳极端，电子被阳极吸收，离子被阳极排斥，所以阳极前形成负的空间电荷，电位急剧升高，形成阳极电位。电子在阳极区被加速，足以在阳极前产生激发和电离，形成阳极辉区。阳极电位有时正，有时负，当从阴极跑到阳极端的电子数大于等离子体区由于混乱运动而打到阳极上去的电子数时，阳极电位为正，电子被加速，否则阳极电位为负。

2）辉光放电的特点。辉光放电时，发光的颜色因气体而异，电流密度10^-1～10^-2mA/cm²，放电电压为300～500V，在正电荷的轰击作用下，阴极发射二次电子，维持辉光放电的进行。

3）等效阳极和阴极位降区。在真空容器中，若无空间电荷存在时，两极间电位呈线性分布，电场强度分布均匀。从图11-4中可以看出，当辉光放电存在时，空间电荷的分布状态发生了变化，从而造成电场强度不均匀分布，引起电位偏离线性关系。放电后空间产生的正离子数量和电子数差不多，由于电子质量小，运动速度大，向阳极迁移速率大，正离子则相反，质量大、运动速率小，所以堆积在阴极附近，这种正的空间电荷产生的效应，使两极间的电场发生畸变，相当于使阳极向阴极移动，形成等效阳极，由于正柱区的导电能力很强，电压降低很少，两极间的电压主要分布在阴极和等效阳极之间，也可以近似为直线分布，叫阴极位降，作用的结果使局部场强增加，形成阴极位降区。(www.xing528.com)

阴极位降区是辉光放电中的重要参数，因为主要电压都集中在此区域，该区场强很大。阴极位降区的电压降由阴极材料、放电气体离子种类、放电气压、阴极电流密度来决定。

如前所述，辉光放电时气压与阴阳极之间的距离的乘积pd可以作为一个变量考虑，由于阴极位降区的宽度d_k由阴极位降区中电子与气体分子碰撞电离的效果决定，尽管pd_k的大小实际上会依放电条件的变化有一些变化，但变化较小，因此pd_k也可视为常数，此时阴极位降区的宽度d_k仅与气压有关。

下面分别讨论阴阳极距离d和气压p对辉光放电的影响。

首先考虑气压的影响。当气压较高时，由于pd_k为常数，d_k值很小，两极之间距离d很容易大于d_k，此时辉光放电的各区域都可以存在，放电正常进行；当气压降低时，d_k逐渐增大，当d_k大到等于d时，则阴阳极间除阴极位降区外，其他各区都不存在，放电仍能进行；若p进一步减小，使d_k>d时，放电立即熄灭。因此，在一般放电装置中，真空度高于1.33Pa时便很难发生辉光放电。

其次，考虑电极间距离的影响。若其他条件不变，仅改变极间距离d，无论把阴极移向阳极或把阳极移向阴极，阴极位降区d_k始终不变，其他各区相应缩短，一旦d<d_k，电子无法被加速到第一次产生电离的能量，放电立即熄灭。因此常用此原理对阴极进行间隙保护，以实现阴极的局部起辉放电，保护阴极输电电极结构，一般间隙宽度0.8mm左右。

4）空心阴极辉光放电。两个平行阴极在真空容器中，当满足气体点燃条件时，这两个阴极都产生辉光放电，在两个阴极附近都可以产生阴极位降区。设两阴极之间距离为d_c，当d_c>2d_k时，两极板各自产生辉光，当d_c<2d_k时，两阴极之间形成一个等效阳极，两极的负辉光区合并，合并后的负辉区极为明亮，放电电流也急剧增大。这种现象称为空心阴极辉光放电现象。产生空心阴极后，阴极位降区的电压比普通值低100V左右，导致其他部位放电减弱，能量集中到空心阴极处，电流密度高出普通值100倍到1000倍。位于空心阴极内的电子来回振动，伴随离子参与过程。从第一个阴极发射出来的电子被等效阳极加速，向另一阴极飞去，又被减速，当速度减小到零时又被反向加速，这样电子来回振荡，显著增加碰撞几率，可以引起更多的激发和电离，电流密度增加，负辉光区强度增加，产生空心阴极效应。在大量电离的同时，能量在两阴极之间集中，使电极温度升高。在气压一定的条件下，两阴极之间距离在合适的条件下可以产生空心阴极辉光放电，在阴极距离固定的情况下，也可以通过调整气压，使两阴极之间产生空心阴极效应。由于空心阴极辉光放电产生大量的电离，若能引出将成为等离子体源，但同时也会带来电极温度的升高，因此要避免烧伤电极。

（3）其他形式的辉光放电 以上以直流辉光放电为例介绍了辉光放电的特性，除了直流辉光放电以外，还可以采用很多其他方法产生辉光放电现象。常用的方法有直流脉冲辉光放电、交流辉光放电、射频辉光放电、微波辉光放电等。

对于大功率辉光放电的场合，采用直流辉光放电往往由于功率大导致参数调整比较困难，另外直流辉光放电的灭弧问题也存在一定的难度。目前一种选择是采用直流脉冲辉光放电。在阴、阳电极间加一个直流脉冲电压，当电压高于直流脉冲放电点燃电压时，气体被点燃，并在随后高电压期间产生辉光放电。当脉冲消失后，放电自然熄灭。直流脉冲电源一般可分为矩形和非矩形两类，以矩形脉冲更为理想，但比尖脉冲线路复杂。

对脉冲放电能量的调节有三种制式：一是频率固定，调整脉冲宽度；第二种是脉冲宽度固定调整脉冲频率；第三种是频率和脉冲宽度混合调整。

（4）弧光放电 在图11-2中，当放电管两极之间的电压超过伏安特性曲线的G点以后，电流增长使正离子进一步向阴极附近集中，这里电场强度不断升高，又使轰击阴极的离子获得了更高能量。高熔点材料的阴极在其轰击下升至很高的温度，于是除了二次电子发射外又产生了强烈的热电子发射，热电子发射集中于温度相对较高的表面区域。强烈的热电子发射使阴阳极之间的阻抗降低，导致电流增加，电压降低，并引起热电子发射部位的温度进一步升高，促使热电子的发射电流密度的进一步提高，表现出电压急剧降低，电流急剧增加的特性。当极间电压降至40V以下时，形成稳定的放电，即弧光放电。

弧光放电的电位分布与辉光放电相似，如图11-5所示。其差别仅在于因空间电荷更趋近阴极，使d_k窄到几个自由程之内，以致分不出层次，负辉区、法拉第暗区消失了，阴极位降区直接过渡到正柱区（等离子体区或弧光区）。该区与辉光放电的性质相像，不过与之相比大量高能粒子引起了更多的激发和电离，蕴藏了更大的能量和电荷密度，具有更高的温度。在温度高、电场强、逸出功小的局部，这样的热电子发射形成了明亮的弧斑，其电流密度可高达每平方厘米数百安培。

图11-5 弧光放电的各区分布

弧光放电的类型通常有以下几种类型：

1）热电子发射引起的弧光放电。由于正离子轰击阴极，使阴极温度升高到足以产生强烈的热电子发射。特别是阴极上的狭缝，小孔在离子轰击时容易过热，极易从辉光放电转变为弧光放电。热电子发射与二次电子不一样，数量多，空间电阻小，直接相当于短路，电压突然下降，产生弧光。另外，若阴阳极先接触，加电压后把两电极分开，在分开过程中接触处发生局部过热，也引起弧光放电。以上均为自持热阴极弧光放电。当采用高熔点金属，如W、Mo、Ta等难熔金属，加热到很高温度时，可以发射出热电子，利用空心阴极效应，即两阴极相距十分近时，阴极的负辉区重叠，电子在中间往复振荡，产生大量正离子，同时正离子被加速轰击极板产生热电子发射，产生弧光，这种形式的弧光放电为空心阴极弧光放电。

2）场致电子发射引起的弧光放电。当阴极温度较低时，阴极自身难以发射电子，这时如果在阴极表面或附近形成很强的电场，在强大的电场作用下，阴极表面的电子被电场拉出表面，这种现象称为场致电子发射。

有两种主要因素可以产生场致电子发射。第一，阴极表面存在绝缘层。在阴极表面由于绝缘层的存在使正电荷容易在表面附近堆积，当电荷累计到一定程度后，使局部电场强度增加，产生场致电子发射。第二，阴极附近局部出现高密度空间电荷层。

场致电子发射时，出现了电子发射中心即阴极斑点，并伴随局部气体的蒸发引起局部高气压。阴极斑点发射的电子在强电场的作用下，经过很短距离的加速就有足够的动能，局部的高气压使自由程变短，电子容易碰撞气体使气体发生大量的电离，而电离产生的大量正离子则在阴极前堆积可以再次建立起强电场，维持场致电子发射，因而维持了弧光放电。这种弧光放电又可以称为自持冷阴极弧光放电。

辉光放电时，如果工件表面存在绝缘层，放电电流密度越大，正离子越容易在绝缘层上堆积，因此越容易转变成弧光放电。在工件孔洞、沟槽处，由于离子的聚集作用，电流密度比平整表面高，因此，在该处容易形成弧光放电。

弧光放电时，阴极斑点处产生强烈的阴极材料汽化，在工件表面留下了微小的凹坑，同时汽化使堆积的离子层偏离电子发射中心，从而使阴极斑点不断地偏移，造成弧光斑点在工件表面的无定向运动，并容易固定在工件的洞孔缝隙处。所以弧光放电后，在工件平整表面上留下由微坑造成的花纹，而在洞孔缝隙处可能由于弧光持续时间长，因温度升高而使工件局部熔化，这时场致弧光也可能转变成热电弧光。

弧光放电发生需要有初始电弧存在，对于污染物的表面，正电荷累计即可产生；对于洁净的表面，有两种主要的方法可以产生初始电弧，一是接触短路并快速使接触点分离，二是瞬间高压击穿，如采用连续的高压脉冲等。弧光放电要靠大量正离子在阴极前堆积才能维持，因此将电源中断一下就可以熄灭电弧。

2.带电粒子与表面的作用

来自辉光放电阴极暗区的高能正离子在阴极位降区一个自由程里可获得1～1000eV的能量。这远高于通常热运动粒子的能量。带电粒子轰击阴极表面将发生一系列作用，如图11-6所示。

图11-6 带电粒子与固体表面的作用示意图

在图11-6中，具有一定能量的带电粒子与阴极表面可能产生的效应有二次电子发射、中性粒子、正离子、负离子、中性原子、气体解吸与分解、入射离子反射、光子和X射线辐射、被溅射粒子的返回背散射、加热基体、产生晶格缺陷、引起材料内部扩散和离子注入等多种，但并不是所有效应都能同时出现的。这里主要介绍以下几种：

1）二次电子发射。气体放电中的荷能粒子碰撞阴极使之逸出电子的过程，叫做二次电子发射。一个击中阴极的正离子，所引起的二次电子发射数，叫做正离子二次电子发射系数。二次电子的发射系数与阴极材料、气体电离能、电场强度和气压有关。二次电子发射是维持辉光放电进行的必要条件。

2）阴极溅射。阴极溅射是发生在异常辉光放电下一个很实用的主要物理现象。一般认为，一个被阴极位降加速的高能正离子碰撞晶格中原子时，除造成二次电子发射外，还将动能传给表面原子，使表面原子脱离表面的束缚形成溅射原子或离子。一个入射粒子溅射出的平均粒子数为溅射系数。溅射系数与入射粒子的原子序数、能量、气压、靶材等参数有关。应该注意的是，并不是粒子的能量越高，溅射系数越大，对于一定的入射粒子和靶材组成的体系，在合适的能量下，溅射系数最大。另外，不同入射方向的溅射产额也不相同。

3）加热阴极。带电粒子与阴极碰撞，除产生溅射等效应损失能量以外，剩余的能量绝大部分都传递给了阴极，引起阴极升温。同时，位于等离子体中的其他粒子也与固体表面作用，也将引起温度升高。温度的升高有利于扩散的进行，也有利于组织形成。如果需要对阴极的温度进行控制，需有冷却装置。