1、1电棒单线直流放电 直流放电二、直流放电典型放电位形放电电压- 电流特性放电特征区间（1） 暗放电区（A） 本底电离：宇宙射线和其它形式的电离。弱，但可以测量。电流形成：没有电场加速电子产生的电离，辐射电离产生的2离子、电子被电场加速。验证方法：测量辐射放电的中和作用。（B）饱和区： 电子仍然没有得到产生电离的足够能量。但所有的电子、离子被收集。典型饱和电流值在 pA 或 nA 数量级上，与辐射强度成正比，可以用于辐射计数器。（C）汤生区： 电子可以电离中性本底气体。电子来源：光电子或二次电了发射，电子碰撞电离 电流增加过程：电子雪崩倍增，指数增加（CE 段）汤森第一电离系数英国物理学家汤生(
2、JSTowsend)20 世纪初提出第一个定量的气体放电理论，即电子雪崩理论。适用范围：非自持到自持的转变，仅仅考虑外部电场，没有考虑等离子体带电粒子对电场的影响。汤森第一电离系数 ，是一个电子沿电场走过单位长度时平均电离碰撞的次数。3推导说明：(a)电子不是每次碰撞都能产生电离(b)能电离的碰撞- 电子在两次碰撞间从电场加速获得的能量 eEi 电离能 Vi，即自由程足够大。(c) N 次碰撞中，自由程大于 i的碰撞次数为Nexp(-i/e) e 为平均自由程。 （d）单位长度内的电子碰撞次数 N：1N=e(e) 汤森第一电离系数 =exp(-)ee1(f) 换成放电参数：气压、电场Vi= i
3、eEi4B=Aexp(-) pEpB=AVi参数 A、B 必须由实验来确定。每 种气体的 A、B 不同。不同气体的汤森第一电离系数 B=Aexp(-)pEp低折合电场下，He 的第一汤森第一电离系数 最大 He最容易击穿放电-最佳的大气压辉光放电气体。汤森判据-自持放电条件考虑离子轰击阴极产生的二次电子，忽略离子碰撞电离，分析自持放电条件：自持放电:不需要其他辅助电离，因靠自身能量维持，产生的电子数与损失的电子数相同。汤森判据-放电电压与 pd 值的关系5将 的表达式带入自持放电条件得 Bpd1Apdexp -=ln1+ Vb两边再取对数得帕邢公式Vb=cpd1lnApd 1+ 曲线特性理解
4、高 pd 值；低 pd 值。 应用 屏蔽- 小 d 值- 低 pd 值将 Vb 视为 pd 的函数，可得最小 Vb 对应的 pd 值(pd)min=e 12.7181 ln 1+=ln1+ A A最小击穿电压为：6应用指导 ：(1)降低等离子体彩电微腔放电电压MgO: 大，溅射产额低。(2)降低照明放电电源的工作电压充入杂质气体- 杂质气体的电离电位低于基本气体的亚稳态激发电位，潘宁效应使放电气压降低。 电负性气体对放电电压的影响（D）电晕区： （电晕：单极放电，不完全放电）生条件及特征：在高气压或电极距离较大等条件下，不能产生自持击穿（！）放电。当一个或两个电极表面曲率半径很小时，电极间的存
5、在极不均匀的电场，在局部强电场区（电极尖端、线、电极边缘）产生不完全击穿的自持放电。电晕层在局部强电场区，中性气体被电子激发和电离，产生发出微光的薄层-晕(晕之本意: 日月周围形成的光圈)。由点产生的晕-电晕层。电晕外区电晕层以外的区域，电场强度小，不能引起激发和电离，时不发光的暗区，称为电晕外区。7若电晕电流比较高，电晕发出眼睛可见的辉光。(2)典型放电位形电场径向分布：E=U-（内半径处场强最大） b20)ra问题电晕空间电荷对电场的影响？放电体积（活性体积）：活性半径处场强击穿场强（3）典型放电电压、电流：电压大于辉光放电；电流低于辉光放电，典型值：微安-毫安级（4）电晕分类按电压分：直
6、流、交流电 按极性：正电晕、负电晕 按电极：单电晕，双电晕正电晕：放电产生（电晕存在）极性为正的电极附近。8在电晕区，电子被加速获得足够能量，激发、电离中性原子。正离通过电晕区向阴极运动。由于电晕外区的电场强度弱，离子不能被加速获能而产生电离（问题: 离子原始能量？）-电晕外区只存在正离子。,临界电极半径：半径阳极电极半径处的电场Ea=Ub20)aaba当电压和接地极半径 b 一定时，阳极半径 a 增加，ln 减小-Ea 存在极值dEU=(dab2b920ln()alnaab/a=2.7121-lnb)=0为电晕放电的临界值。b/a2.712, dEa/dab/a2.712 是稳定电晕放电条件
7、：电流增加-电晕厚度增加 -等效阳极半径增加-Ea 下降-电流降低（负反馈）b/a负电晕：小电极作负极，大直径圆筒。放电发生在阴极附近，离子轰击阴极，产生二次电子，维持放电进行。电晕外区的电场强度弱，电子不能被加速获能而产生电离（问题:电子原始能量？） ，电子可以电负性气体俘获，形成负离子。该区域内，负离子、电子为传导电流。10（5）放电电极种类尖针-平面电极 丝-丝电极丝筒电极 丝阵列比较：丝比尖针好。（6）电晕应用 静电除尘器干式复印技术表面改件 - 湿润 粘着性 染色 抗静电 臭氧- 消毒、灭菌、水处理化学合成 （7）电晕的危害高压输电损合成有害物质：臭氧、NO2 、硝酸。 电晕放电电磁
8、辐射干扰（2） 辉光放电辉光解释：该区内电子能量和电子数密度已足够高，等离子体发光足够强。照明用传统放电荧光管就是辉光放电。电源特性对电晕-辉光跃迁的影响:电源内阻很高，放电管电晕区。电源内阻低，放电将从暗放电区跃迁到低压正常辉光放电 辉光放电分区与特征： （F-G）正常辉光放电：放11电电流增加由等离子体面积增大产生。 电流密度、放电电压近似不变。（G-H） 反常辉光放电：在 G 点，等离子体覆盖了整个阴极表面。 导电面积没有增加的余地，放电电流增加只能来源于电流密度增加，要求对应的放电电压也增加。辉光强度增加。E-F 为非连续变化。F : 辉光放电的滞后点，由此点跃迁返回汤生区辉光放电参数
9、辉光光强度、等离子体电位、电场和净电荷密度的轴向分布，不同放电模式下辉光强度的径向分布放电电压与二次电子发射系数的关系有辉纹的辉光放电（动辉纹、不动辉纹（几 Hz-几十kKz） ）12阻碍放电-短间隙放电放电的 pd 小于帕邢最小值，放电电压高于最小电压，等离子体密度相对较高。优点：工作于高电压下，离子轰击基片的能量高。-刻蚀、表面改性。相似放电-放大、缩小（等离子体彩电微腔放电） 相似放电条件：d1=d2 D1=D2 p1=p2放电相同点：击穿电压、电子温度，折合电场 直流辉光放电等离子体源 圆筒形辉光放电源应用：照明器件，如荧光管和“氖”广告牌。 运行范围：正常、反常辉光放电状态。 平行板
10、源应用：等离子体加工和等离子体化学。运行范围：无阻碍放电区（图（a） ）-等离子体化学-等离子体体积大。 阻碍放电区（图（b） ）-等离子体加工- 阴极偏置电压高。13 简单直流辉光放电的优、缺点： 优点：设备简单、易于大面积均匀 氮化处理缺点：放电气压高等离子体密度低有溅射污染（尤其是反常辉光区） 溅射沉积速率低改进方法：（如下） 电子轰击等离于体源通常名称：考夫曼(Kaufman)源，196l-1963 为研制高强度离子源而发明。放电条件: 电子发散磁场约束，磁场强度：5 至 15mT。 放电位形：柱对称特点：功率利用高（90） ，高于其他大部分辉光放电。电子被个数值约为 5 至 15mT
11、 的发散磁场磁化 彭宁（Penning, ）放电等离子体源 彭宁放电:Penning,1936，1937 。放电条件: 轴向磁场： 0.05B0.2 特斯拉，阳极电压：05Va d5kV；阴极接地。放电气压：10-6P10-2torr。特点: 运行气压低（轴向磁场约束电子、离子） ；等离子14体密度高（轴向静电场捕获电子） ；离子能量高（？离子磁化判据） 。强磁场作用：阻止电子被阳极捕获，电子在阴极之间往复反射，增加电离几率，保证低气压放电。不同电极形式的彭宁放电：（见图）应用：科研、军事。大规模的商业应用较少（？） 。 “磁控管”（交叉场）放电磁控管：能产生微波的一种真空管。“磁控管”（交叉
12、场）放电位形：（见图）E B电子、离子状态：电子被磁化，做封闭漂移运动。离子为磁化。优点：运行气压低；等离子体密度高；基片加热小。 缺点：放电局域化，等离子体空间均匀性差。靶材利用率低。应用：薄膜的溅射沉积、等离子体刻蚀（离子铣）补充介绍 二次离子质谱 SIMS(Secondary Ion Mass Spectrory) -薄膜成分分析-不同厚度处。15不同的交叉场放电位形：平面形：圆柱形： 多极磁场： 溅射枪：空心阴极放电结构：阴极：一个直径为数毫米的金属园筒或平行板电极。 空心阴极放电的气压条件：改变压强，当阴极压降区的厚度达到筒的半径 特征：筒部将发出极强的光。 应用:光源、离子源、溅射
13、沉积。空心阴极放电电流（增强作用）空心阴极放电电流 Vs.的关系（与正常辉光放电比较） J/j 与空心阴极的 pd 只有关J/jpd空心阴极放电的负阻性（B-C 段）16空心阴极放电成因- 电子的阴极加速：- 负辉区的电子激发、电离。 -电子的往复运动： 增强作用：- 电子约束 -紫外线典型辉光形式：不同辉光放电的比较辉光放电的控制变量运行电压: 影响轴向和径向电场，影响等离子体中的带电粒子能量功率: 功率控制每秒每单位体积的电离数气体压力: 控制电子碰撞频率，所有粒子的平均自由程。扩散输运、运动的方向性。气体种类: 电离电位、电子温度、等离子体密度。 磁场：控制等离子体的扩散。降低横向输运，
14、降低运行气压。 电极几何形状：改变了电场，影响输入能量。17阴极特性：影响二次电子发射系数，热电子发射能力。 气流量：（3） 电弧放电 电弧名称的由来：arc: 原意为几何圆弧。在高气压电弧放电时，空气被加热，放电通道在热空气流的吹动下成为向上的弧形，故称之为电弧。低气压电弧放电的形状不是“弧”形)放电由异常辉光向电弧放电跳跃的原因：正反馈：电流-阴极温度-热电子(场致)发射-电流 电弧放电分区与特征：（H-I）辉光至弧光的过渡区（如下图所示） ，实际放电不能在该区域运行。（I-J）非热电弧：放电状态：I 为稳定放电点，由放电特性和电源内阻决定。 电子、离子和气体温度不同，通常运行在低气压范围
15、，称为真空电弧。也可以运行于大气压下。伏安特性：电流随电压下降而增加，负阻抗，为正反馈区： 电压-电流-等离子体电阻-电压 放电不稳定。18（J-K ）热电弧：伏安特性：电流随电压增加，为稳定运行区域。热动力学平衡，所有粒子的温度近似相等。总是于运行高气压区，为高气压（大气压）电弧。电弧放电典型参数：大电流电流密度：几 A/cm2-1000A/cm2 (辉光电流密度: 放电电压: 十几 V几十 V（辉光放电电压: 100V几百 V）电弧粒子温度与气压的关系。注意点 上图为电弧放电，不是辉光放电。电弧的研究历史、进展 最早的研究：1808 年由戴维（Davy）进行电池串并实验时发现。也是人类最早
16、的大电流实验。早期应用：20 世纪初期，大多数电弧被用于发光（？）器件，运行于非热电弧区。爱迪生第一次提出真空弧沉积薄膜，并于 1892 年获得专利。问题“真空”电弧， “非真空”电弧19研究进展：(1) 放电机理（仍在研究之中）在非热电弧（放电强度低）中，放电靠热阴极发射热电子维持。在热电弧（放电强度高）中，放电靠热场致发射热电子维持。比较辉光放电的电子发射：离子轰击 (2) 阴极斑点在阴极上，放电电流集中在能发射发射热电子的一个、几个微小高热点。问题放电电流为什么集中？比较 辉光放电电流：在阴极上均匀分布。（3）阴极斑点特性阴极斑点内电流密度：非热电弧 500A/cm2-10000A/cm
17、2 热电弧 105 A/cm2-108 A/cm2电流强度 I:几十-几百安培阴极斑点内面功率密度：109W/cm2 -10 亿瓦/厘米 2 阴极斑点大小：微米量级斑点状态：高熔点阴极（金属钨） ，工作于热电子发射区: 阴极斑点固定20原因：阴极上某微区温度高最高-此处热电子发射最强-电子的加热功率密度最高（P=j2）-温度最高-阴极斑点固定。低熔点阴极： 阴极斑点在阴极表面无规运动原因阴极斑点出温度高- 阴极材料蒸发-（1） 、（2）（1） 阴极斑点前的蒸汽密度增加至高值-阴极斑点电流密度增加，电子自由程降低至低值，电离和电压降发生在 10-410-5 厘米区域，阴极斑点处的电场强度很：逸出
18、功；：电场强度；：表面温度问题 场致发射对电子发射电流的影响（2）温度下降-原斑点处热场致电子发射电流下降-出现电子发射电流大的新斑点-阴极在表面运动。无规：逸出功表面结构、成分密切相关。金属阴极的晶界处的电子逸出功小。斑点寿命： 亚微秒、纳秒21问题 1电弧等离子体不均匀？问题 2Ti,（1） 高速蒸气流电离 （2） 电离区为高气压 （3） 电荷交换 （4） 多重电离态离子在阴极场中加速问题 3 高能离子的结果- 离子轰击阳极（4）阴极整体温度远低于阴极斑点温度，由放电气体种类、压强、电流决定。需要水冷。（5）低电流非热电弧电流范围：110A，问题：电流不能将阴极斑点加热到足够高的温度， 发
19、出的热电子不能维持放电。需要外部加热。-非自持电弧。（6）真空电弧、高气压（大气压）电弧的表观区别 真空电弧：阴极射流在大的空间体积内扩散，形成均匀等离子体。高气压（大气压）电弧：阴极射流狭窄的通道内向阳极运动，等离子体参数的径向梯度空大。22（7）电弧的应用分类：薄膜沉积： 需要阴极材料蒸发；热、光、化学反应等：阴极材料是污染源，需要控制。电弧电源交流、直流均可交流频率：50Hz,几 KHz-MHz(射频)，GHz（微波） 功率：Kw-Mw电弧放电的稳定化镇流：解决负电阻造成的放电不稳定性。电源电压 V0 和弧电压 V1 之间的关系为： V1= V0-IR 电弧放电方程： V1=C1+C2L
20、+C3-C4LI两式联立，得两电流解（图）其中 C工作点不稳定（？） ， C 工作点稳定（？） 。 分析：假设在 C点时有电流扰动：（1）I-电源提供的电压大23于电弧电压-电弧电流（正反馈）- 偏离 C点- 不稳定工作点。 （2）I -电源提供的电压小于电弧电压电弧电流（正反馈）-偏离 C点-不稳定工作点。假设在 C 点时有电流扰动：（1）I - 电源提供的电压小于电弧电压-电弧电流（负反馈）- 返回 C 点。-稳定工作点。 （2）I -电源提供的电压大于电弧电压电弧电流（负反馈）-返回 C 点-稳定工作点。另一角度的理解：C点：电弧负电阻率绝对值镇流电阻正电阻（dV1+R 正反馈-放电不稳
21、定。C点：电弧负电阻率绝对值 dV1+R0）-系统表现为正电阻性-负反馈 -dI放电稳定。电弧的引燃与方法 为什么存在引燃问题？ 引燃方法 （a） 放电引24燃：首先进行辉光放电，经过异常辉光过渡到电弧放电。不可行。原因：对电源的要求高，一个电源同时满足高压、低电流输出，低压、大电流输出。(b) “拉弧”开始时，电极接触。在凹凸不平处或接触点上引起起高电流密度，所产生的局部加热提供电弧放电需要的热电子发射。目前使用的改进方法：放电系统组成：引燃电源+电弧放电电源。高频引燃，磁场输运引燃不同的电弧位形（高气压、大气压电弧） 直线电弧自由水平电弧，竖直电弧壁稳电弧：应用：壁稳电弧可用于气体加热、照
22、明等转移弧：（阳极为工件）25应用：金属熔融和精炼，金属切割。气化稳定结构：降低向稳定壁的热传导。层状流稳定结构：涡旋流稳定结构; 膨胀电弧(滑动电弧) 结构：如图放电特性：放电首先在最狭窄部分击穿，然后在气流作用下沿电极向上膨胀，直到放电不能维持为止。电弧熄灭后重新起弧，然后重复上面的过程。大电流开关装置：结构同滑动电弧。工作方式（由开到关）：开始时电极接触，分开时开始起弧，电弧向上膨胀，即：吹弧。为了快速灭弧，加入电负性气体，一般使用 SF6.旋转电弧（等离子体炬）电弧以旋转辐条的形式阴阳极之间形成。气体同轴地馈26入， 被电弧加热形成高温度的电弧射流，以超声速度向喷嘴下游射出。高气压电弧应用-等离子炬切割等离子炬切割传统化学火焰切割 等离子体切割 切割能力（厚度） 差 好 切割损失 大 小切割线条 有毛刺 整齐高熔点金属切割 不能 可以 等离子喷涂（见图）等离子喷涂是进行材料表面处理的一种方法工艺过程。 工艺步骤：-待喷涂工件表面预处理: 吹钢砂- 弄粗糙-通过等离子炬熔化、雾化涂料，喷在基体材料的表面上。处理目的：耐高温、耐磨和抗腐蚀等特性，修复损害部件。优点：（1）喷涂温度高于乙快枪，可进行难熔(高镕点)金属、金属碳化物喷涂。（2）由于等离子体射流速度高，涂层结合牢固。（3）控制喷涂气氛，可以进行易氧化物喷涂。
