第5章-辉光放电
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阳极光层 • 发光(阳极辉光) 阴极发射电子 n0 阴极区电子雪崩 阴极暗区电离 阴极区应满足自持放电条件
第五章：辉光放电(GD)
5.2 组成及特性—基本特性 光强分布明暗相间 管压降<Ub, 不随放电电流变化 阴极电子发射主要是 过程 • 包括正离子，亚稳原子，光子，高速中性原 子产生的次级电子发射 • 阴极热发射不是必需的 阴极位降区是维持辉光放电所必不可少的(70-140V) • 雪崩放电 • 满足自持放电条件 • 净空间电荷为正 电流密度范围: A/cm2---mA/cm2
第五章：辉光放电
5.2 组成及特性—定性分析 阿斯顿暗区: • 无激发和自发跃迁辐射 • 电位差(阿斯顿暗区＋阴极光层)=Ue • 厚度 1/p 阴极光层: • 激发 • 发光 • P很高时, 很难区分阴极光层和阿斯顿暗区 阴极暗区: • ne(>Uex) 激发几率发光强度 • We>Ui 碰撞电离 雪崩放电. • 阴极光层与阴极暗区之间无明显界限
第五章：辉光放电
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
•Te较低: 快电子数非弹性碰撞 f=2m/M •惰性气体: pR E/p •分子气体: pR E/p但 大10倍 (非弹性碰撞 +Te较低 f > 2m/M 大几个数量级) •惰性气体或金属蒸气:I E/p (e+X* 电离 We>Ui-Uex
Qi (X*) =10Qi (X) •E/p (eEue) Te (KE)
第五章：辉光放电
5.3 阴极位降区 正常辉光放电 ---反常辉光放电阴极区的分析 • 最小值 ---Umin • 正常辉光放电: 正常电流密度jn ，正常阴极位降Un ----维持放电最佳分布; ---- Un 取决于jn 空间电荷分布 • 反常辉光放电: jc>jn 空间电荷决定的电位分布不 是最佳 dn Uc
(CGSE) (V -1 )
(A -1 )
--符合相似律 --适用于任何气体，任何阴极 右支—反常辉光放电 H点—正常辉光放电 左支—过渡区
第五章：辉光放电
5.3 阴极位降区 正常辉光放电 ---反常辉光放电阴极区的分析 • 最小值 ---Umin 左支----- jC UC : 局部: jC UC jC 总体: UC =C n + jC UC 空间电荷, jC jtotal UR UC jC较小的其它部分，电子雪崩 +SC 或 jC 放电不能维持 因此，放电集中到阴极表面的一部分
---快电子+中性粒子足够的电离 补偿带电粒子在管壁上的消失
kT e
1
eU i
ln(0.038 pU i R
1 Te ln( pR)
M) 4m
电流密度很小(j<10-4A/cm2): 带电粒子密度小, 管壁损耗为主
损耗E轴向,
j E轴向
第五章：辉光放电
5.4 正柱区 : 传导电流 肖特基正柱理论范围之外:
第五章：辉光放电
5.5 各种类型的辉光放电 正常辉光放电 • Ua和j=C 以及 AI 过渡区 • 径向扩散 带电粒子损耗 阴极电流密度j 发光 • Ua 维持放电 反常辉光放电 • j Ua 能量损失(阴极区) 阴极区厚度 ER 阴极溅射
2 2.405 2 Da R
ex
1
1.2 107 (cpR)2
x2
1
c
[
Ui
2
1
]2
Ki p
[CGSE - Torr]
第五章：辉光放电
5.4 正柱区 : 传导电流
肖特基正柱理论----轴向电场强度E
• 能量平衡关系:
eEue
f
mv2 2
ve e
• 厚度最厚
•
碰撞能量损失 变暗
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
Uc=f(jc) 假设：
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
第五章：辉光放电
5.4 正柱区 ---传导电流 ---形式和长度任意 ---不是辉光放电所必须
放电管直径激发 亮度 发光强度I 但对于负电性大管径 空间复合 较强的 E轴向 较亮的发光 当p为常数时, V/cm=E轴向=C 与气体种类无关
第五章：辉光放电
5.4 正柱区
2 3 4 5: E 由均匀场到畸变增加 电子雪崩区厚度
, Ua: 高 低 高
第五章：辉光放电
5.5 各种类型的辉wk.baidu.com放电
阻难辉光放电
• d 正柱区
• d<dn, 无正柱区 • Ua 维持放电
--d Ua=C E
第五章：辉光放电
5.4 正柱区 : 传导电流 肖特基正柱理论: --- 径向电位分布 ----双极性扩散 ----管壁表面带负电性 内电场 Er 指向管壁
Nr遵循玻耳兹曼分布 更精确的计算结果:
ua
D
N
dN dr
K Er
D
N
dN dr
K Er
Er
1 N
dN dr
--d d/e
--d<dn
为保持I不变, Ua
pd<pdn: 阻难辉光放电发生
• 阴极溅射明显比正常辉光放电严重
第五章：辉光放电
5.5 各种类型的辉光放电 高气压辉光放电 • p>1大气压, 辉光放电仍然可以发生 • p dn 法拉第暗区很难辨认 • 阴极区气体温度 T • 为避免向弧光放电过渡，必须冷却阴极 • I 很大, 轴线上气体温度可达5000-6000K 正柱区收缩成明亮细线
x E E0 (1 dc )
第五章：辉光放电
5.3 阴极位降区 Uc=f(jc)
1
1
(C1Uc )3
1
1
S (C1Uc )3 (C2
1
j)3
(C2 jc )3
C1
2A B ln(1
1
)
γ
4π ln(1 1 )
C2
γ 1
AB2(K p)( 1 γ) p2
第五章：辉光放电
5.3 阴极位降区 实验结果: • I阴极斑点面积 , jc和 Uc=常数 • 当阴极斑点盖满整个阴极: I Uc • pdn=常数 (dn—阴极位降区厚度) • jc/p2=C Uc=f(jc)---与 p 和 dn有关
第五章：辉光放电
5.3 阴极位降区
气压很高: p Te UR Er j N0 Ee (r=0),(r=R) (中间部分) Er
N(r>0) ve 空间复合 带电粒子不能到达管壁
收缩成明亮细线
外加磁场与轴线平行: 径向电流 切向电流 B NR UR Te E轴向
N0
Nr N0
U
1.7 R
e R kTe
e
R ln(
1.7e
)
Te UR E0=0 r Ur Er
第五章：辉光放电
5.4 正柱区 : 传导电流 肖特基正柱理论范围之外:
气压很低: e>R, 双极性扩散理论不成立 ---快电子管壁 表面负电荷 u正离子 + 一部分电子被拒斥回 到气体中n+=n- 管壁复合
宏观空间电荷密度=0 • 正柱区=等离子区
净空间电荷=0: • 管壁复合为主
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
---pR 非常小 e<<R不成立 ---气压很高 正柱收缩 不适用
Da
Di Ke DeKi Ki Ke
Ki
De Ke
K i kTe e
( p low, Di De )
300(
2
)
1 2
p(
e m
)
1 2
Ui
3 2
x
1
e2 x
x eU i kTe
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
肖特基正柱理论(e<<R) : • 带电粒子径向分布:
---麦克斯韦速度分布
---电子碰撞电离 带电粒子
---双极性扩散 带电粒子的消失
---平衡状态: dN消失=dN电离
零阶贝塞尔函数：
d 2N 1 dN
N 0
dr 2 r dr Da
Nr N0 J0 (1r)
1 2.405
Da
R
实验方法
冷探针----Nr 同心阳极---ja 发光强度---r
第五章：辉光放电
5.4 正柱区 : 传导电流 肖特基正柱理论
, Da-----f(Te)----电子温度Te ---pR带电粒子损耗 电子温度
第五章：辉光放电
5.1 辉光放电的产生 5.2 组成及特性 5.3 阴极位降区 5.4 正柱区 5.5 各种类型的辉光放电 5.6 空心阴极放电 5.7 阴极溅射 5.8 辉纹及带电粒子产生的不稳定性
第五章：辉光放电 辉光放电电路
第五章：辉光放电 5.1 辉光放电的产生
第五章：辉光放电
5.3 阴极位降区 正常辉光放电 ---反常辉光放电阴极区的分析 • 最小值 ---Umin 右支 ------- jC UC : 局部: jC UC 总体: UC =C n + jC UC SC, jC jtotal UR Uc-total jC jC较小的其它部分，电子雪崩 +SC 或 jC 放电能够维持 因此，放电扩散到整个阴极表面
f
3kTeve 2e
稳定状态: 基于电子迁移理论--
ue
1
f2
Te
2 3
Ee f
(e k
)
ve
更精确的计算: [CGSE-Torr]
Te
Ee 2f
e
1 p
E Te 2 f
p
1
第五章：辉光放电
5.4 正柱区 : 传导电流 肖特基正柱理论 ----轴向电场强度E
第五章：辉光放电
5.2 组成及特性—定性分析
负辉区:
• 碰撞激发 发光最强
• 快电子
慢电子(阴极暗区中经过非弹性碰撞 ) We>Ue 碰撞激发 明亮辉光
• n+ 和 n-, E0 We 复合(e 和 +ion) • 与阴极暗区分界明显
阴极位降区或阴极区
法拉第暗区:
D D K K
D D , K K , D kTe
K
e
Er
1 N
dN dr
kTe e
r 0, Nr N0 , U r 0
Ur
kTe e
ln
N0 Nr
,
r R, Nr 0,-Ur ??
e U r
N e r
k Te
第五章：辉光放电(GD)
5.2 组成及特性—基本特性 光强分布明暗相间 管压降<Ub, 不随放电电流变化 阴极电子发射主要是 过程 • 包括正离子，亚稳原子，光子，高速中性原 子产生的次级电子发射 • 阴极热发射不是必需的 阴极位降区是维持辉光放电所必不可少的(70-140V) • 雪崩放电 • 满足自持放电条件 • 净空间电荷为正 电流密度范围: A/cm2---mA/cm2
第五章：辉光放电
5.2 组成及特性—定性分析 阿斯顿暗区: • 无激发和自发跃迁辐射 • 电位差(阿斯顿暗区＋阴极光层)=Ue • 厚度 1/p 阴极光层: • 激发 • 发光 • P很高时, 很难区分阴极光层和阿斯顿暗区 阴极暗区: • ne(>Uex) 激发几率发光强度 • We>Ui 碰撞电离 雪崩放电. • 阴极光层与阴极暗区之间无明显界限
第五章：辉光放电
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
•Te较低: 快电子数非弹性碰撞 f=2m/M •惰性气体: pR E/p •分子气体: pR E/p但 大10倍 (非弹性碰撞 +Te较低 f > 2m/M 大几个数量级) •惰性气体或金属蒸气:I E/p (e+X* 电离 We>Ui-Uex
Qi (X*) =10Qi (X) •E/p (eEue) Te (KE)
第五章：辉光放电
5.3 阴极位降区 正常辉光放电 ---反常辉光放电阴极区的分析 • 最小值 ---Umin • 正常辉光放电: 正常电流密度jn ，正常阴极位降Un ----维持放电最佳分布; ---- Un 取决于jn 空间电荷分布 • 反常辉光放电: jc>jn 空间电荷决定的电位分布不 是最佳 dn Uc
(CGSE) (V -1 )
(A -1 )
--符合相似律 --适用于任何气体，任何阴极 右支—反常辉光放电 H点—正常辉光放电 左支—过渡区
第五章：辉光放电
5.3 阴极位降区 正常辉光放电 ---反常辉光放电阴极区的分析 • 最小值 ---Umin 左支----- jC UC : 局部: jC UC jC 总体: UC =C n + jC UC 空间电荷, jC jtotal UR UC jC较小的其它部分，电子雪崩 +SC 或 jC 放电不能维持 因此，放电集中到阴极表面的一部分
---快电子+中性粒子足够的电离 补偿带电粒子在管壁上的消失
kT e
1
eU i
ln(0.038 pU i R
1 Te ln( pR)
M) 4m
电流密度很小(j<10-4A/cm2): 带电粒子密度小, 管壁损耗为主
损耗E轴向,
j E轴向
第五章：辉光放电
5.4 正柱区 : 传导电流 肖特基正柱理论范围之外:
第五章：辉光放电
5.5 各种类型的辉光放电 正常辉光放电 • Ua和j=C 以及 AI 过渡区 • 径向扩散 带电粒子损耗 阴极电流密度j 发光 • Ua 维持放电 反常辉光放电 • j Ua 能量损失(阴极区) 阴极区厚度 ER 阴极溅射
2 2.405 2 Da R
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1
1.2 107 (cpR)2
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[CGSE - Torr]
第五章：辉光放电
5.4 正柱区 : 传导电流
肖特基正柱理论----轴向电场强度E
• 能量平衡关系:
eEue
f
mv2 2
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• 厚度最厚
•
碰撞能量损失 变暗
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
Uc=f(jc) 假设：
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
第五章：辉光放电
5.4 正柱区 ---传导电流 ---形式和长度任意 ---不是辉光放电所必须
放电管直径激发 亮度 发光强度I 但对于负电性大管径 空间复合 较强的 E轴向 较亮的发光 当p为常数时, V/cm=E轴向=C 与气体种类无关
第五章：辉光放电
5.4 正柱区
2 3 4 5: E 由均匀场到畸变增加 电子雪崩区厚度
, Ua: 高 低 高
第五章：辉光放电
5.5 各种类型的辉wk.baidu.com放电
阻难辉光放电
• d 正柱区
• d<dn, 无正柱区 • Ua 维持放电
--d Ua=C E
第五章：辉光放电
5.4 正柱区 : 传导电流 肖特基正柱理论: --- 径向电位分布 ----双极性扩散 ----管壁表面带负电性 内电场 Er 指向管壁
Nr遵循玻耳兹曼分布 更精确的计算结果:
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N
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为保持I不变, Ua
pd<pdn: 阻难辉光放电发生
• 阴极溅射明显比正常辉光放电严重
第五章：辉光放电
5.5 各种类型的辉光放电 高气压辉光放电 • p>1大气压, 辉光放电仍然可以发生 • p dn 法拉第暗区很难辨认 • 阴极区气体温度 T • 为避免向弧光放电过渡，必须冷却阴极 • I 很大, 轴线上气体温度可达5000-6000K 正柱区收缩成明亮细线
x E E0 (1 dc )
第五章：辉光放电
5.3 阴极位降区 Uc=f(jc)
1
1
(C1Uc )3
1
1
S (C1Uc )3 (C2
1
j)3
(C2 jc )3
C1
2A B ln(1
1
)
γ
4π ln(1 1 )
C2
γ 1
AB2(K p)( 1 γ) p2
第五章：辉光放电
5.3 阴极位降区 实验结果: • I阴极斑点面积 , jc和 Uc=常数 • 当阴极斑点盖满整个阴极: I Uc • pdn=常数 (dn—阴极位降区厚度) • jc/p2=C Uc=f(jc)---与 p 和 dn有关
第五章：辉光放电
5.3 阴极位降区
气压很高: p Te UR Er j N0 Ee (r=0),(r=R) (中间部分) Er
N(r>0) ve 空间复合 带电粒子不能到达管壁
收缩成明亮细线
外加磁场与轴线平行: 径向电流 切向电流 B NR UR Te E轴向
N0
Nr N0
U
1.7 R
e R kTe
e
R ln(
1.7e
)
Te UR E0=0 r Ur Er
第五章：辉光放电
5.4 正柱区 : 传导电流 肖特基正柱理论范围之外:
气压很低: e>R, 双极性扩散理论不成立 ---快电子管壁 表面负电荷 u正离子 + 一部分电子被拒斥回 到气体中n+=n- 管壁复合
宏观空间电荷密度=0 • 正柱区=等离子区
净空间电荷=0: • 管壁复合为主
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
---pR 非常小 e<<R不成立 ---气压很高 正柱收缩 不适用
Da
Di Ke DeKi Ki Ke
Ki
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K i kTe e
( p low, Di De )
300(
2
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1 2
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)
1 2
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3 2
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1
e2 x
x eU i kTe
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
肖特基正柱理论(e<<R) : • 带电粒子径向分布:
---麦克斯韦速度分布
---电子碰撞电离 带电粒子
---双极性扩散 带电粒子的消失
---平衡状态: dN消失=dN电离
零阶贝塞尔函数：
d 2N 1 dN
N 0
dr 2 r dr Da
Nr N0 J0 (1r)
1 2.405
Da
R
实验方法
冷探针----Nr 同心阳极---ja 发光强度---r
第五章：辉光放电
5.4 正柱区 : 传导电流 肖特基正柱理论
, Da-----f(Te)----电子温度Te ---pR带电粒子损耗 电子温度
第五章：辉光放电
5.1 辉光放电的产生 5.2 组成及特性 5.3 阴极位降区 5.4 正柱区 5.5 各种类型的辉光放电 5.6 空心阴极放电 5.7 阴极溅射 5.8 辉纹及带电粒子产生的不稳定性
第五章：辉光放电 辉光放电电路
第五章：辉光放电 5.1 辉光放电的产生
第五章：辉光放电
5.3 阴极位降区 正常辉光放电 ---反常辉光放电阴极区的分析 • 最小值 ---Umin 右支 ------- jC UC : 局部: jC UC 总体: UC =C n + jC UC SC, jC jtotal UR Uc-total jC jC较小的其它部分，电子雪崩 +SC 或 jC 放电能够维持 因此，放电扩散到整个阴极表面
f
3kTeve 2e
稳定状态: 基于电子迁移理论--
ue
1
f2
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2 3
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更精确的计算: [CGSE-Torr]
Te
Ee 2f
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1 p
E Te 2 f
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1
第五章：辉光放电
5.4 正柱区 : 传导电流 肖特基正柱理论 ----轴向电场强度E
第五章：辉光放电
5.2 组成及特性—定性分析
负辉区:
• 碰撞激发 发光最强
• 快电子
慢电子(阴极暗区中经过非弹性碰撞 ) We>Ue 碰撞激发 明亮辉光
• n+ 和 n-, E0 We 复合(e 和 +ion) • 与阴极暗区分界明显
阴极位降区或阴极区
法拉第暗区:
D D K K
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