辉光放电等离子体

辉光放电又称高频放电，是低压气体中显示辉光的气体放电现象，目前广泛采用的低温等离子体产生方式之一。辉光放电所需要的压强一般在10Pa~104Pa，电压约为0.4kV~8.0kV。在一定范围内，放电电流的波动不会造成电压的改变。因此，辉光放电具有特有的稳压特性。

辉光放电的产生机制为空气或惰性气体在两极电压较高时，气体中电子在电场的作用下获得足够动能被加速，不断碰撞气体分子，将中性原子和分子激发，在放电空间引起电子雪崩其特点为电流强度仅为几毫安，放电气体温度低。

辉光放电是迄今为止被研究的最多的一种放电形式，由于其放电过程中存在特殊的柔和光辉，因此称为辉光放电。低气压下气体放电的典型的伏安特性曲线如图1-1所示。随着放电电流的增加，对应出现了暗流区(AB)、汤生放电区(BC)、辉光放电区(CF)、辉弧转换区(FG)及电弧放电区(G以后)。其中，暗流区由于电离较弱，电流不稳定没有持续流动，为非自持放电。辉光放电区(CF)包含前期辉光放电(CD)、正常辉光放电(DE)及反常辉光放电(EF)。其中正常辉光放电(DE)的维持电压较低，电流大小皆为mA级别。辉光放电作为居于电晕放电和电弧放电的中间过程，具有电流密度小、维持电压稳定、放电均匀稳定的特点，其放电电流的大小一般在几毫安到几百毫安之间，放电的温度较低，不会对被处理样品造成电损伤和热损伤，是最为理想的放电状态。

图1-1低气压下气体放电的伏安特性曲线

1831年，法拉第在低气压的条件下，第一次发现了辉光放电的现象。辉光放电可分成正常辉光放电、准辉光放电、反常辉光放电三种类型，图1-2为低气压条件下典型辉光的放电形态。正常辉光的明显特征就是存在明暗交错、按规律分布的辉光区与暗区，主要分为四个部分，分别为阳极区、阴极区、正柱区和过渡区。

图1-2 低气压下典型辉光的放电形态

阳极区包括阳极辉光与阳极暗区，阳极区的主要作用是贯通放电的正柱区和阳极，使电子能够运动至阳极从而在回路中形成电流，使放电持续进行。由于正离子逐渐远离阳极，且运动速度较慢，电子被阳极吸收后，从而降低阳极附近的电场强度、增强空间内的电场强度，从而形成阳极辉光与阳极暗区。正柱区又称作阳光柱，是放电通道中体积最大的区域，正柱区内电场强度沿轴向近似相等，压降几乎为零，内部为典型的等离子体区域，电子密度与正极性离子密度几乎相等，对外呈电中性。在低气压的条件下，正柱区为均匀柔和的辉光，而在大气压的一定条件下，可能表现为明暗相间的光层，而在大气压等离子体射流中缺少阴极，放电几乎全部为正柱区。过渡区分为负辉区与法拉第暗区，过渡区是辉光放电中压降最高的地方，大部分的能量损失聚集在这里，因此负辉区也是整个放电区域中发光亮度最强的地方，由于在负辉区损失较多能量，电子损失能量，而在法拉第暗区积累能量加速，因此出现暗区。阴极区包含阿斯顿暗区、阴极辉区和阴极暗区三个区域。阴极区的电场分布非常不均匀，在阴极表面电场最强，随着到阴极距离的增大而减小。其中阴极辉区会产生大量的激发原子，阴极暗区中有显著的γ过程，在阴极发射大量的二次电子，可以维持放电，所以阴极区是维持放电的重要区域，更是必不可少的区域。

辉光放电等离子体是一种新型、环保且适用性强的表面处理方法，具有放电均匀性好、放电效率高、活性粒子丰富和等离子体密度高等优点，且不存在明显的电流脉冲。目前在污水处理、灭菌消毒、表面改性和分析仪器离子源等领域多有应用。