高气压下的辉光放电分解
空气中大气压下均匀辉光放电的可能性
用于工业生产的是大气压下空气中放电产生的等离 子体 - 虽然大气压下空气中电晕、 电弧、 介质阻挡放 电都能产生等离子体， 但电晕放电太弱因而处理效 率低； 电弧放电太强将损坏试品； 介质阻挡放电通常 是由一些具有较高能量密度的放电细丝组成的， 它 难以对材料进行均匀处理， 并可能损坏试品 - 因此， 最佳选择是功率密度适中 （ !" .0 ・1.
明亮的辉光层； 而间隙中间部分是相对暗层 ! 这与辉 光放电中阴极区是明亮的负辉光区， 其余部分是相 对较暗的正柱区的现象是一致的 ! 由于外加电压是 交变电压， 上下电极随时间交替为阴极， 因此， 图/ 所示的时间积分放电图像中靠近上下电极处均呈现
［1］ 出明亮的负辉光层 ! 另外， 法国的 9:;;<=*; 等 对大 气压下氦气在介质阻挡电极中的放电过程进行了数
图 & /%% 空气间隙中的大气压下似辉光放电
我们还对美国 @ABC 教授提出的离子捕获 （ <A=D ［5］ 机理 进行了实验验证 ! @ABC 认为： 如果选 B):’’<=>） 择合适的工作电压频率， 使间隙中放电产生的离子 来不及在外加电压的半周期 $ % / 时间内 （即外加电 场改变极性之前） 全部抵达阻挡介质， 这将在气体间 隙中留下空间电荷， 下一个半周期放电过程将受此 空间电荷的影响， 所需的放电场强将明显降低， 有利 于避免流注放电的形成 ! 对于产生大气压下辉光放 电而言， 合适的电压频率是使电场只捕获离子而不 捕获电子， 即
值模拟， 结果表明放电通道中各种参量 （电场、 电荷 密度等） 分布与低气压下辉光放电很相似， 同样存在 相对高场强的阴极位降区和等离子体的正柱区 ! ! ! $" 空气放电实验 实验表明空气中实现大气压下辉光放电的难度 很大 ! 当空气间隙为 /%% 时， 以肉眼观察， 间隙中放 电是均匀的， 我们称之为似辉光放电， 如图 & 所示 ! 增大空气间隙长度， 间隙中开始出现放电细丝 ! 当空 气间隙为 1%% 时， 放电已经是明显的丝状 （流注） 放 电， 如图 0 所示 ! 此时， 将放电时空气间隙上外加电 压的峰值 ! >， %:+ 除以间隙长度 " 所得到的平均电场 ・$% 7 " ， 大大高于氦气中放电的平均场 约为 &0?1,6 强 ! 因此， 当 #" 逐渐增大时， 必然出现流注放电 !
等离子体表面处理与大气压下的辉光放电_李成榕
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实现大气压下辉光放电的技术难点
’’ $A2BC 的物理机制还不是很清楚 "有人仍怀
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8.69
度为 ’6( EI$ " 表 面 处 理 时 间 为 A’ $ " 这 需 要 7 E& 的 电极和 &L KH 的电源 " 这种估算还不包括电源可能 的其它功率损耗 )
注 ( 表中的 !’ 和 !! 分别是活体减少到第 ’ 个 ) 第 ! 个的 ’8H 所 需的时间 %
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大气压下的气体放电等离子体
上述的等离子体表面处理均可利用低气压放电 产生的低温等离子体来进行 " 但对于大规模的工业 生产而言 " 低气压等离子体存在以下两个重要的缺 点 ( 放电和反应室处于低气压状态 " 真空系统是必不 可少的 % 而工业化的真空系统所需的投资和运行费
性粒子 " 它们比通常的化学反应器所产生的活性粒 子种类更多 ’ 活性更强 ’更易于和所接触的材料表面 发生反应 " 因此被用来对材料表面进行处理 * 和传统 的方法相比 " 等离子表面处理具有显著的优点 - 更有 效 ’成本低 ’无废弃物 ’ 无污染 " 有时可以得到传统的 化学方法难以得到的处理效果 * 目前 " 等离子体表面处理在表面改性和灭菌消 毒方面应用的比较多* 等离子表面处理中所涉及的表 面改性主要是指改善纸张 ’薄膜 ’纺织品以及纤维的 某些表面性质 "主要包括 -可湿性 ’吸水性 ’可印性 ’可 染性等 * 上述性质与材料表面性能紧密相关 * 此外还 有粘着性和导电性 "后者是和抗静电性紧密相关的 * 我国作为世界上纺织品生产和出口大国 "纺织品 的表面改性具有特殊的意义 * 用低温等离子体对纤维 及纺织品进行表面改性是一种新兴的处理方法 "在处 理过程中可能引起表面清洁 ’表面刻蚀 ’聚合 ’自由基
大气压下空气间隙的辉光放电及对无纺布表面改性-中国电机工程学会
大气压下空气间隙的辉光放电及对无纺布表面改性的研究关志成，郝艳捧清华大学深圳研究生院（深圳518055）摘要：重点论述了大气压下辉光放电的研究现状和诊断方法，探讨了大气压下空气间隙辉光放电的可行性，通过试验，对比研究了大气压下3mm空气间隙的辉光放电和均匀的丝状放电，并对比研究了辉光放电和均匀的丝状放电处理聚丙稀无纺布的表面亲水性。
结果表明，在一定条件下，大气压下3mm空气间隙的均匀的丝状放电可以转化为辉光放电；用大气压下空气间隙的均匀的丝状放电处理聚丙稀无纺布时容易烧蚀材料，而用辉光放电不会损坏材料；经大气压3mm空气间隙辉光放电处理过的无纺布，其表面水滴的接触角可由处理前的120°变为60°。
关键词：大气压辉光放电等离子体表面改性工业等离子体工程气体放电1 引言目前，化学纤维已成为国际纺织生产中的主体原料。
但是由于化学纤维结构紧密、结晶度高，是典型的疏水性纤维，难以染色，穿着舒适性差，因此必须对纤维表面进行改性才能扩大其应用领域。
气体放电产生的低温等离子体中存在着大量种类繁多的活性粒子，可以用来对聚合物材料进行表面改性，例如，提高薄膜、无纺布和纺织品的亲水性、可湿性、吸水性、可印性、可染性和粘着性等。
和传统的化学方法相比，用等离子体改善纺织品的可染性具有突出的优点：它不需要使用表面活化剂和大量的水，无废弃物或有毒的副产品，因而具有很好的经济效益和环保效益。
低温等离子体通常是由低气压下的辉光放电产生的，但对于工业生产而言，真空系统的使用难以实现流水线连续生产。
介质阻挡放电（Dielectric Barrier Discharge: DBD）在一定条件下转变为均匀的丝状放电（Uniform Filamentary Discharge: UFD），能够在大气压下产生低温等离子体，目前，已在高聚物塑料的印刷、粘合或涂装等工序前的表面处理上实现了工业化应用，而在化纤无纺布和纺织品工业中尚属空白。
大气压辉光放电降解番红花红T染料废水的光谱研究
第４０卷，第１０期 光谱学与光谱分析Ｖｏｌ．４０，Ｎｏ．１０，ｐｐ３１１－３１２２ ０ ２ ０年１ ０月 Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ａｎｄ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｏｃｔｏｂｅｒ，２０２０ 大气压辉光放电降解番红花红Ｔ染料废水的光谱研究高爱华１＊，李 茜１，吴 蒙１，李天舒１，周紫薇１，姜振益２１．西北大学物理学院，陕西西安 ７１０１２７ ２．西北大学现代物理研究所，陕西西安 ７１０１２７摘 要 采用大气压辉光放电等离子体对阳离子染料番红花红Ｔ模拟废水进行降解，用发射光谱法对放电通道进行光谱在线测量，同时对处理前后的番红花红Ｔ模拟废水的紫外－可见吸收光谱进行分析。
实验结果表明：在大气压辉光放电过程中，放电通道存在大量活性物种，如·ＯＨ，Ｎ＋２，Ｏ＋２，·Ｈ等活性粒子；用氢原子发射光谱计算得到电子激发温度在６ ５００～８ ５００Ｋ范围，用Ｓｔａｒｋ展宽理论计算的电子密度数量级为１０１７～１０１８ ｃｍ－３；用番红花红Ｔ在紫外－可见最大吸收波长５５４ｎｍ处的吸光度计算降解率，在降解２０ｍｉｎ后其降解率达９８．９９％。
说明辉光放电可以有效降解水中的番红花红Ｔ，该方法操作简单、对有机废水处理高效彻底、无二次污染，可作为有机废水处理的终端设备实现达标排放。
关键词 大气压辉光放电；番红花红Ｔ；发射光谱；紫外－可见光谱文献标识码：Ａ 文章编号：１０００－０５９３（２０２０）１０－０３１１－０２ 收稿日期：２０２０－０３－３０，修订日期：２０２０－０７－１０ 基金项目：国家自然科学基金项目（５１８７２２２７），西北大学本科教学工程项目（ＪＸ１７０７４）资助 作者简介：高爱华，１９６４年生，西北大学物理学院光电信息科学与工程系教师 ＊通讯联系人 ｅ－ｍａｉｌ：ｇａｏａｉｈｕａ＠ｎｗｕ．ｅｄｕ．ｃｎ 实验装置详见文献［１］。
实验时，钨棒阳极针尖与液面保持５ｍｍ，当给阴阳两极加上高压时就会产生气－液辉光放电。
气体放电物理 5 辉光放电
B
(Eeff / P)b
1 P
2
K K
e
kTe e
/
Eeff P
b
高频击穿条件
A
exp
(
Eeff
B /
P)b
Eeff P
b
1 P
2
K K
e
kTe e
高频击穿的帕邢定律
①当特征扩散长度一定 击穿场强随P有一极小值；
② 特征扩散长度越小
击穿场强越大。 没有极值。 电子损失机制的差别所致。
i
Da
1/ 2
1 k
k
d
1 2k 1
d /
边界条件
• 两电极表面处的第一类边条件 即电子密度为零，这是不计电极表面电子
迁移损失的假设所要求的。
高频气体放电的击穿
• 高频放电的等效场强，如何证明？
Eeff
E0
1 ( / )2 1/ 2
电子在一个自由程内的平均加速电场
电子等效迁移速度
辉光放电的典型电路
辉光放电的典型电场分布
气体汤森放电的典型伏安曲线
气体放电的不同模式
• 由于不同的放电状态下，发生的电离和电 荷消失过程不同，呈现不同的放电模式
1. 第一阶段：暗放电阶段，背景电离为主， 线性伏安曲线。
2. 第二阶段：汤森放电阶段，电子碰撞电离 为主。电流指数增加
3. 第三阶段：汤森放电阶段，阴极二次电子 发射和电子雪崩电离。电流指数增加，零 电阻特性。
d 2ne dx 2
ne i
d 2ne dx 2
i
Da
ne
高频气体放电的击穿
n (x) c e c e i
i Da
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.
辉光放电
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
大气压电解液阴极辉光放电发射光谱技术的研究进展及应用
大气压电解液阴极辉光放电发射光谱技术的研究进展及应用张真;汪正;邹慧君;施鹰【摘要】近十多年来,大气压电解液阴极辉光放电系统在原子光谱分析中作为一种新兴的检测工具而备受关注.大气压电解液阴极辉光放电发射光谱技术兼具了光谱测量的稳定性、分析元素选择性和传感器测量方便、简洁性等优点.本文综述了基于等离子体的大气压电解液阴极辉光放电发射光谱技术的机理研究、仪器构建及改进和最新应用研究,并总结了该技术的优势及存在的问题,展望了其应用前景.【期刊名称】《分析化学》【年(卷),期】2013(041)010【总页数】8页(P1606-1613)【关键词】大气压;电解液阴极;辉光放电;等离子体;综述【作者】张真;汪正;邹慧君;施鹰【作者单位】上海大学材料科学与工程学院,上海200072;中国科学院上海硅酸盐研究所,上海200050;中国科学院上海硅酸盐研究所,上海200050;中国科学院上海硅酸盐研究所,上海200050;上海大学材料科学与工程学院,上海200072【正文语种】中文1968年,Grimm[1]提出了一种结构特殊的辉光放电光源,这种光源的结构特点是阳极离固体样品作为的阴极非常近(阴阳极间距离小于阴极暗区的长度),因此能够有效限制放电面积,使放电处于异常辉光放电状态,大大增强了阴极溅射作用。
其辉光放电原理是在放电池中通入氩气,两极之间施加足够高的电压,被电场加速的氩离子使样品产生均匀的溅射,溅射出来的样品原子离开样品表面,在阳极区与氩离子碰撞而被激发,产生样品组成元素的特征光谱。
Grimm辉光放电光源的主要特点是除了能进行固体样品的直接分析,还能稳定地逐层剥离样品,进行表面和逐层分析[2～5]。
相比于固态电极,采用液态电极可以降低气体放电电压。
而且大气压电解液阴极辉光放电发射光谱检测金属离子具有一系列优点。
将样品试液作为电极,可在常压常温下产生等离子体,大大简化检测装置,易于小型化,减小进样量的同时,也减少了样品所需的分析时间及操作成本;另外,等离子体所具有的放电发光特性通过光谱技术可得到准确可靠的分析结果,相比电化学分析方法具有更好的选择性和稳定性[6]。
高气压下的辉光放电
Thomson散射法
带电粒子在电磁波电场下振荡，形成以电 子振荡为主的散射波，散射波中包含了电 子温度和等离子密度等信息。但在大气压 条件下，中性粒子对激光散射不可忽略， 无法使用
1、光学热性
• 高速照相机拍照 • 利用空间光强分布 2、电学特性 • 利用电压—电流曲线 • 利用Lissajous图
五、参数诊断
• 朗缪尔探针
• 微波干涉 • 光谱法 • Thomson散射法
谢谢！
两个不稳定性
• 电子的不稳定性:
它通常会在APGD的阴极位降区域出现，伴随着比较强烈 的电场波动。强烈的电场波动容易造成电子崩的急剧发展， 从而引起放电向电弧转化。通过使用大的镇流电阻，这种 电场的波动能够极大的削弱。
产生均匀大气压辉光放电等离子体的工作 频率的关系为：
采用冲击电源
• 电压在瞬间提升时，由于强电场产生电子 崩 • 电场随电压降低而减弱，抑制电子崩发展 成流注 • 大量电子崩相互影响发展成弥散状的辉光 放电 • 优点
控制电极
• 阴极串联大电阻
• 介质阻挡放电 • 采用金属丝网电极 • 电极一端串联电容或扼流线圈……
离子捕获机制
• 在变化的电场中,频率和间隙的长短都可能对放电产生影 响。如果间隙中的离子不能在外加电压的半周期T/2时间 内(即外加电场改变极性之前)完全进入电极(或扩散离开间 隙)，在间隙中形成空间电荷，放电过程将受前一时期空 间电荷的影响，这些空间电荷将随电场极性的变化在电极 之间振荡、增加并累积,直至击穿。此时，击穿电压明显 低于静态击穿电压。
微波干涉
1、诊断等离子体密度 2、利用微波相位的变化 3、良好的稳定性、灵敏度和精确度高，时间分辨率好，但 空间分辨率不太好，且与相位改变成比例
大气压介质阻挡辉光放电中放电电流的测量与分析
果表明壁电荷 主要是在放 电电流脉冲持续 期间积累的 ， 但电流脉冲结束 后 ，由于气隙电压 没有改变极性 ，壁
电荷还会 逐渐 积累，气隙电压改 变极性后 ，壁电荷量 随时间减小 。这些结果对 壁电荷在介质阻挡辉光放电中 作用的深 入研究和大气压介质阻挡辉光放电的工业应用具有重要意义 。 关键词 介质 阻挡放 电；大气压辉光放 电；壁电荷
样 测 量 的放 电 电流 一 般 叠 加 在 正 弦 波 形 的 位 移 电流 上 。因 此
尾气中的有害气体 ， 从而也表现 了很好 的环保效 益ｌ 。 对 ２ 但 ］ 于大规模工业生产而言，使用低气压放 电产生等离子体存在
着致命 的弱点 ： 电必须维持在低气压状 态 ， 以实现流水 放 难 线 连续生产 。 显然 ， 工业 应用角度 而言 ，人们更需 要在 大 从 气 压条件产生低温等离子体 。在高气压下 放电一般会过渡 到 弧 光放 电或者电火花 ， 这样 产 生的等离 子体也 是不均匀 的， 因而如何实现在大气 压下 的均匀辉 光放 电（ 即大气 压辉光放
课题开展 了更为广泛 的理论和实验研究工作Ｌ ６。 ５ ］ ．
目前利用介质 阻挡放 电装置 已经在 氦气 、氖气 、氮 气 、
收稿 日期：２ ０～９０ 。修订 日期 ： ０ ６１—６ ０ ６０ —２ ２ ０—２１
基金项 目：国家 自然科 学基金项 目（ Ｏ ４ １３ ，河北省教育厅项 目（ ０ ６０ ） １ ６ ７ ２） ２０ １ ６和河北大 学 自然科学基金项 目（０ ６６ ） ２０ ０ １资助 作者简介：李雪 辰，１ ７ 年生 ， ９６ 河北大学物理科学与技术学 院副教授 ｅｍａ ： ｄ ｍａｌｈ ｕ ｅｕ ｃ － ｉｘ囝 ｌ ｉ ｂ ．ｄ ．ｎ ．
辉光球放电实验报告实验总结(3篇)
第1篇一、实验背景辉光球放电实验是一种基础的物理实验，通过观察辉光球在高频高压电场中的放电现象，了解气体分子的激发、碰撞、电离、复合等物理过程，以及低压气体中伴有辉光出现的自激导电现象。
本实验旨在帮助学生掌握相关物理知识，提高实验操作技能。
二、实验目的1. 了解气体分子的激发、碰撞、电离、复合的物理过程。
2. 了解低压气体中伴有辉光出现的自激导电现象。
3. 探究低气压气体在高频强电场中产生辉光的放电现象和原理。
4. 培养学生的实验操作能力和观察能力。
三、实验原理实验采用辉光球作为实验装置，球内充有稀薄的惰性气体（如氩气等）。
玻璃球中央有一个黑色球状电极，球的底部有一块震荡电路板，产生高压高频电压并加在电极上。
通电后，震荡电路产生高频电压电场，球内稀薄气体受到高频电场的电离作用而光芒四射，产生神秘色彩。
四、实验过程1. 实验前，首先连接好电源，确保电源稳定。
2. 闭合辉光球前面板上的开关，观察辉光球在正常工作状态下的放电现象。
3. 调节强度旋纽，观察不同强度下的放电现象，并记录观察结果。
4. 用手指接触球面并在球面上移动，观察球内辉光变化现象，并记录观察结果。
5. 改变球内气体的种类，观察放电现象的变化，并记录观察结果。
6. 实验完毕，断开开关并关掉电源，将仪器摆放整齐。
五、实验结果与分析1. 观察到辉光球在正常工作状态下，球内气体受到高频电场的电离作用，产生光芒四射的辉光现象。
2. 通过调节强度旋纽，发现放电强度与辉光亮度成正比，即放电强度越大，辉光亮度越亮。
3. 当用手接触球面并在球面上移动时，观察到辉光在手指周围处变得更为明亮，产生的弧线顺着手的触摸移动而游动扭曲。
4. 改变球内气体的种类，发现不同气体在相同条件下产生的辉光颜色不同，说明不同气体对高频电场的电离能力不同。
六、实验结论1. 辉光球放电实验验证了低压气体在高频强电场中产生辉光的放电现象，以及气体分子的激发、碰撞、电离、复合等物理过程。
实验研究大气压多脉冲辉光放电的模式和机理
2. 实验装置
实验装置如图 1 所示. 电源在 3 —47 kHz 范围 内连续可调， 输出电压为 0 —30 kV. 放电室中上下 60 mm 的圆形不锈钢电极， 厚度 635 μm、 电极为 Φ 纯度 96% 的 Al2 O3 片材作为阻挡介质分别覆盖在 面积分别为 100 mm × 120 mm 和 100 上下电极表面， mm × 100 mm. 放电间隙为 4 mm. 为了观察放电的 径向演化， 本实验电极稍不平行. 放电室被抽真空 之 后 充 入 纯 度 99. 999% 的 He 气 至 大 至 2. 5 Pa， 气压. 外加电压用 1 ∶ 1000 的 Tektronix P6015A 型高 压探头测得， 放电电流通过回路中串连 50 Ω 的无感 电阻 r 获 得. 测 量 信 号 由 1 GHz，5 GS / s 型 号 为 Tektronix DPO4104 的数字存储示波器采集. 气隙放 MAX2 ：1003 型 电发射的光经 Nikon 镜头聚焦到 PIICCD 相机. 相机由型号为 DPO4104 示波器测量的 外加电压或回路电流触发， 通过调节触发电平和相 机门延迟 时 间， 实现对电流脉冲上某时刻的放电 曝光.
. 本 文 采 用 稍 不 平 行 电 极， 通过
ICCD 相机拍摄多脉冲辉光放电脉冲各时刻的短时 曝光照片， 研究各个放电电流脉冲以及脉冲之间的 结合气隙放电电流、 阻挡介质表面电荷 放电模式， 分析阻挡介质表面电荷、 空间电荷、 外加 仿真计算， 电压与气隙电场强度的关系， 研究大气压多脉冲辉 光放电的演化过程.
2611
电后， 减小了气隙电压， 放电熄灭； 随后， 气隙电压 第二次击 随外加电压升高. 只要外加电压足够高， 出现第二个电流脉冲. 穿就会发生， 大气压多脉冲辉光放电的放电模式和形成机 理仍没 有 定 论
大气压脉冲放电辅助射频辉光放电段起辉过程
大气压脉冲放电辅助射频辉光放电段起辉过程申亚军;郭颖;韩乾翰;王晓东;石建军【摘要】在大气压脉冲调制射频辉光放电的两个射频放电段之间引入脉冲放电,研究脉冲放电对射频放电段的起辉动力学过程和稳态放电特性的影响.通过试验测量时间分辨的放电图像,获得了脉冲放电和射频放电段的放电时空演变过程,发现脉冲放电电流峰值从0.4A增加到0.6A时,射频放电段的起辉时间从0.8 μs降低到0.5 μs,而放电空间分布也经历从双峰形到钟形再到双峰形的动力学演变过程.射频放电段达到稳态放电后的电流和电压特性也说明了脉冲放电有助于提高射频放电段稳态放电强度.【期刊名称】《东华大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(044)003【总页数】5页(P462-466)【关键词】大气压脉冲辉光放电;射频放电段;放电起辉【作者】申亚军;郭颖;韩乾翰;王晓东;石建军【作者单位】东华大学理学院,上海201620;东华大学理学院,上海201620;东华大学理学院,上海201620;东华大学理学院,上海201620;东华大学理学院,上海201620【正文语种】中文【中图分类】O531大气压辉光放电产生的低温等离子体可应用于功能薄膜材料的表面改性和沉积以及生物医学处理等[1-3]，并且其发生装置不需要真空系统，适合连续化处理，因此，近年来大气压辉光放电的基础和应用研究成为低温等离子体方向的研究热点之一[4]。
在大气压的射频辉光放电中利用振荡射频电场对放电空间电子的限制作用，在较低的射频电压下形成密度较高的等离子体[5-6]，但由于放电功率和气体温度也较高，容易导致放电的不稳定，并也限制了其在温度敏感材料处理中的应用[7]。
采用脉冲调制射频放电技术实现了在时间上控制射频放电段的打开和关闭，可以有效调控放电稳定性和等离子体特性，但每个射频放电段都将经历起辉过程[8]，其对射频放电段的动力学过程和产生的等离子体特性都具有重要影响。
试验研究发现，射频放电段的起辉过程会受到上一个射频放电段中的残余等离子体粒子的辅助作用[9]，表现为射频放电段在更短的起辉时间内达到稳定放电状态，而减小两个相邻射频放电段的时间间隔，即增加调制射频脉冲的重复频率或者占空比都会限制对放电稳定性和等离子体特性的调控范围，因此在两个相邻射频放电段间增加高压脉冲放电，利用其产生的等离子体实现对射频放电段起辉过程的辅助作用[9]。
辉光放电的原理
辉光放电的原理
辉光放电是一种气体放电现象，主要发生在低压气体中，如氖气、氩气等。
当高压电场作用于气体时，电子会被加速并与原子和分子相撞。
这些碰撞使得原子和分子失去电子或电子被激发到更高的能级。
当这些电子重新回到基态时，会释放出能量，产生光。
这种光就是辉光。
此外，当气体中的电子数密度很高时，多种反应会发生，比如电子与离子复合，发生二次辉光等等。
这些都会进一步增强辉光放电的强度和持续时间。
总的来说，辉光放电的原理主要涉及到气体分子的电离、激发和复合过程，以及电子在电场中的加速和撞击作用。
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微波干涉
1、诊断等离子体密度 2、利用微波相位的变化 3、良好的稳定性、灵敏度和精确度高，时间分辨率好，但 空间分辨率不太好，且与相位改变成比例
光谱法
• 测量电子密度。 • 氢的谱线展宽主要是外 加电场导致，因此可以 用来测量外加电场的分 布；氩的谱线展宽主要 由于发光原子同等离子 体中电子和离子的相互 作用，因此可以用来测 量电子密度。
• 采用合适的电极形状
• 采用等离子体电极 • 采用水冷电极 • 采用横向气流和辅助气流……
(a) APGD
(b) DBD
U-I特性
（a）APGD
(b) DBD
Lissajous图
（a）APGD
(b) DBD
朗缪尔探针
1、探测等离子体浓度 2、测量前提：电子平均自由程应当大 于等离子体鞘层厚度
二、APDG实现的难点
• 辉光放Leabharlann 向电弧放电的转化电流由毫安级突变到安培级
• 气体放电的不稳定性
电子的不稳定性 热不稳定性
三、实现APGD的可能途径
• 1、在低电场下放电
选用低击穿场强的气体，如氦气 选用合适的电压频率
• 2、限制电流密度的自由增长
• 3、抑制放电不稳定性，使放电均匀
四、APGD的检测
离子捕获机制
• 在变化的电场中,频率和间隙的长短都可能对放电产生影 响。如果间隙中的离子不能在外加电压的半周期T/2时间 内(即外加电场改变极性之前)完全进入电极(或扩散离开间 隙)，在间隙中形成空间电荷，放电过程将受前一时期空 间电荷的影响，这些空间电荷将随电场极性的变化在电极 之间振荡、增加并累积,直至击穿。此时，击穿电压明显 低于静态击穿电压。
产生均匀大气压辉光放电等离子体的工作 频率的关系为：
采用冲击电源
• 电压在瞬间提升时，由于强电场产生电子 崩 • 电场随电压降低而减弱，抑制电子崩发展 成流注 • 大量电子崩相互影响发展成弥散状的辉光 放电 • 优点
控制电极
• 阴极串联大电阻
• 介质阻挡放电 • 采用金属丝网电极 • 电极一端串联电容或扼流线圈……
Thomson散射法
带电粒子在电磁波电场下振荡，形成以电 子振荡为主的散射波，散射波中包含了电 子温度和等离子密度等信息。但在大气压 条件下，中性粒子对激光散射不可忽略， 无法使用
1、光学热性
• 高速照相机拍照 • 利用空间光强分布 2、电学特性 • 利用电压—电流曲线 • 利用Lissajous图
五、参数诊断
• 朗缪尔探针
• 微波干涉 • 光谱法 • Thomson散射法
谢谢！
两个不稳定性
• 电子的不稳定性:
它通常会在APGD的阴极位降区域出现，伴随着比较强烈 的电场波动。强烈的电场波动容易造成电子崩的急剧发展， 从而引起放电向电弧转化。通过使用大的镇流电阻，这种 电场的波动能够极大的削弱。
• 热不稳定性：
发电的过程总是伴随着电极及等离子体本身的发热。
彭宁效应
• 亚稳原子有很长的平均寿命（10-3秒或更长）。在混合气 体中,当一种气体的亚稳原子同另一种气体的原子或分子 碰撞时，即使它们的动能较低，只要前者的激发能大于后 者的电离能，后者将被电离，前者则返回基态。多余的能 量就转变为电子的动能，或使离子激发。这种过程称彭宁 电离或称彭宁效应。由于惰性气体的亚稳原子有较大的激 发能，在含有惰性气体的混合气体放电中，彭宁电离比较 有效。彭宁效应可以使放电管的点火电压降低
4|、从图中可 以看到辉光放 电典型的分层 现象，例如靠 近阴极的法拉 第暗区。
APGD优越性
• 低中气压下辉光放电条件要求苛刻，等离 子体能量较低 • 同其它放电形式的比较 电晕放电：产生活性粒子效率低，不均匀 电弧放电：能量密度太高 DBD放电：持续时间段，电流密度大 APGD： 均匀性好，能量效率高，不需要真空系统
高气压下的辉光放电
魏宁 2002.10.31
一、基本概念
• 高气压下的辉光放电 • APGD——Atmospheric Pressure Glow Discharge
APGD结构示意图
APGD
1、氮气中， 间距1cm的直 流大气辉光放 电 2、上面是阳 极， 下面为阴极 3、20mA， 1350V