引---言

1引言一、应用前景气体放电等离子体是所有等离子体中最常见的等离子体，放电等离子体的应用也遍布物理学、工农业生产及我们的日常生活中。例如照明用的日光灯，就是日常生活不可缺少的，日光灯管中充以水银(Hg)蒸汽，加以市电电源（220V，50Hz，将一起辉器和扼流线圈串入电路中，起辉器的通断，线圈产生高压，使日光灯管起辉）形成辉光放电等离子体。高能快电子碰撞Hg原子是其激发到激发态（Hg*），激发态的Hg*发射253nm的荧光而返回到基电子态。)253(***nmhHgHgeHgHge253nm的光子照射到日光灯管壁上的荧光粉，发出明亮的白光。若在日光灯管壁上涂以其他颜色的荧光粉，可以发射不同颜色的光。日光灯的发光效率可达80%，而白轵灯的发光效率仅为30~40%；在工业上有放电等离子体材料表面改性，比如汽车发动机的汽缸，由于工作过程中温度太高，汽缸壁磨损严重，而采用N2环境下放电等离子体N化处理后，可以大大提高耐磨性，从而提高使用寿命和效率；在模具制造中，采用电火花放电，完成复杂模具的制造；在大气污染日益严重的今天，大气污染治理倍受关注，在大气污染治理中，多采用电晕放电、介质阻挡放电方式，放电等离子体中的快电子与污染气体（NO、SO2）发生非弹性碰撞，达到污染气体脱除的目的；大气污染粉尘治理中，采用直流电晕放电，使粉尘粒子带电，带电粉尘粒子在电场作用下按人为确定的方向运动，从而达到粉尘脱出目的。在物理学中，我们要研究原子、分子的微观结构，这就对应光谱结构，而光谱中最常用的就是发射光谱，大多采用气体放电等离子体激发；激光器是20世纪60年代发展起来的强单色相干光源，其中气体激光器(He-Ne激光器632.8nm，CO2激光器10.6m，Ar+激光器488nm等等)，激发方式都是气体放电等离子体。这种放电等离子体的应用非常广泛，举不胜举。放电等离子体为什么会有如此广泛的应用呢？这和放电等离子体的过程是分不开的，我们学习这门课的目的，就是要弄清楚放电等离子体的物理过程，并将所学知识应用到实际工作中去。参考书：1.气体电子学胡志强等编电子工业出版社19852.气体放电杨津基编科学出版社19833.气体电子学丘军林编研究生教材1999.1021S0碰撞能量转移2p55s3.39μm632.8nm2p54p23S12p54s1.15μm2p53p电子碰撞激发自发辐射2p53s11S01S0HeNe2为了实现气体放电，首先需对放电气体加一驱动电场，驱动电场的实施需要一对放电电极来实现。放电电极的形状不同、电极间距不同、电极间所加驱动电场强度不同，气体放电的特性亦不同。所以在分析气体放电特性前，有必要介绍几种常用的放电电极间的电场分布。二、常用的放电电极及电场强度分布在气体放电中，放电电极的形状决定了放电电场强度的分布，也就影响了气体放电的均匀程度。为了实现大面积均匀放电，一般采用平行平板电极。利用横向激励的各种气体激光器（TEACO2激光器、N2激光器、准分子激光器等），均采用的是平行平板放电电极；在大气污染治理的电晕放电脱硫脱硝（治理SOX、NOX）中，常用同轴圆筒电极、尖-板电极或尖-尖电极；在其他应用方面常用针-板放电电极和针-针放电电极等。下面介绍几种常用的放电电极间的电场分布情况。1）平行平板放电电极在两平行平板电极之间，中心部分电场强度分布比较均匀，几乎处处相同，电场强度为：E=U/d。但边缘部分电场分布极不均匀，从而导致边缘极易出现尖端放电，影响放电的均匀性和稳定性。为了解决这种放电电场的不均匀性，实现大面积均匀放电，要求放电均匀性比较高的放电一般采用儒科夫斯基（Rogowski）电极，AB----平面平滑段，CD----圆弧段，圆弧半径OC=a2=0.46a(a1≈30.67a)，a3=0.88a；BC----正弦段，满足下列关系式：2sinOBxOCy21212321)88.0(aaaaOB一般是先按上式做出一个样板，按样板加工儒科夫斯基（Rogowski）电极极板。2）同轴圆筒电极该种电极形式属于非均匀电场分布，内电极表面电力线最密，场强最强，离内电极越远，场强越弱，在外圆筒电极表面场强最弱。在离圆筒轴线x处的电场强度为：rrxhxQAQE002内外电极间的电压为：rRhUQrRhQdrEUrrRrxln2ln200rREr0rRhUadABa1a2a3OCD3)/ln(rRxUEx，内电极表面场强最大为：)/ln(maxrRrUEErr在同轴圆筒电极结构中，当外圆筒电极的半径R及所加电压U均保持不变，改变内电极的半径r，内电极处的电场强度Er将出现极小值Ermin（无感同轴电容内电极制作依据），极小值出现的r值应满足：eRrrRrRrdrd1ln0)ln(即在r=R/e时，出现极小值；RUeEemin。由上可以得到同轴圆筒电极结构中，外电极R一定时，外加电压U一定情况下，最大电场强度Er随r的变化曲线如右图。在以上两种放电电极结构中，电场强度可以用数学表达式描述，但一般的电极结构的场强分布很难用数学表达式描述，常用的针--板电极、针--针电极结构就是如此。3）针--板电极结构针--板电极结构中的电场强度分布是极不均匀的，针电极处电场最强，板电极处最弱。针电极处电场最强，可用下式描述：2/1sincosmaxtgdUE,其中drtg214）针-针电极结构两针电极顶端电场最强，强度为：)2/()2/(lnsin)cos(cos12121maxtgtgdUE，其中1211,2drtg三、气体粒子的不同能态及相应能量气体粒子包括原子和分子，每一种气体粒子都具有不同的能态（能级）。例如，原子有基电子态、激发电子态，激发电子态又包括具有偶极跃迁的激发电子态(谐振电子态)和没有偶极跃迁的激发电子态—亚稳态（能级寿命比偶极跃迁的激发电子态寿命长得多），原子失去一个或多个电子，就形成了电离态—离子。分子也具有基电子态、激发电子态或亚稳态、电离态。下面分别简单介绍基电子态、激发电子态、亚稳态及电子态的概念。1）基电子态---能量最低的电子态基电子态就对应原子、分子的最低能量态。任何粒子都满足最低能量原理，就像重力势能量一样，将其定位零能量。一般情况下，气体粒子都处于最低能量，即基电子态。例如H原子，在常温情况下，H原子都处于1s轨道上---基电子态。Er0R/errEmaxdrdEmaxr4对于分子，比较复杂，除了有电子态以外，每个电子态还有一系列的振动态和转动态，气体分子可以处于不同电子态的不同振、转能级上。常温情况下，分子一般处于基电子态的基振动能级上。2）激发电子态—能量高于基电子态的电子态①原子的电子态描述对于原子量比较小的原子，其外层电子的角动量符合L-S耦合，电子态的光谱项JSLn12，其中n—主量子数，代表激发的最外层的电子主量子数，以便区分光谱项符号相同主量子数不同的电子态；L—电子的总的轨道角动量，ilL，L=0、1、2、3、4、5…，对应光谱态S、P、D、F、G、H…il为第i电子的轨道角动量，....3,2,1,0il，对应称为s,p,d,f电子；S—电子的总的自旋角动量，isS，S=0、1/2、1、3/2等，2S+1—态重数（单重态、双重台、三重态等），is第i个电子的自旋角动量，2/1is；J—电子总角动量，SLJ。例如He原子，有两个电子，基电子态1s2（n=1—主量子数；s—对应空间角动量，l=0,上标2---指两个电子）。其基电子态的电子特征为：n=1,2/1,2/1,02121ssll(l≤n-1)He原子符合L-S耦合，00,02121SLJssSllL电子态的光谱项JSLn12，为：基电子态101S若将两个电子中的一个电子激发到n=2（主量子数为2）（第二个电子l2可取0或1，例如l2=0，L=l1+l2=0，对应S态；l2=1，L=l1+l2=1，对应P态），s2可能为+1/2或-1/2。激发电子态的光谱项不再是01S。由于s2可取+1/2或-1/2，则S就可能等于0或1，这样2S+1就可能等于1或3，即可能为单态或三态。单（重）态激发态的光谱项为：2JL1，对基电子态有偶极跃迁（偶极自发辐射，自发辐射寿命短~ns量级），例如：若取l2=1，L=l1+l2=1，s2取-1/2，对应112P为偶极跃迁态；若取l2=0，L=l1+l2=0，s2取-1/2，对应012S（亚稳态）。三（重）态激发态的光谱项为：2JL3，对基电子态没有偶极自发辐射（寿命远比具有偶极自发辐射的能级寿命长~ms量级），所以称为亚稳态。例如：l2=0，L=l1+l2=0，s2取+1/2，对应132S为三重态。我们知道，L-S耦合原子的跃迁选择定则为：10,0LS，同时需满足1l，即单态单5态，三态三态，单态不能向三态跃迁。而基电子态为单态，所以三态为亚稳态。对于He原子的激发电子态，132S为亚稳态，而012S（满足0,0LS，但不满足1l，02l）亦为亚稳态。②分子的电子态描述与原子电子态光谱项表示类似，在双原子分子和线型小分子中，外层电子也会相互耦合，各个电子的空间角动量为il，则总的空间角动量为ilL。但在双原子分子和线型多原子分子中，总的空间角动量ilL已没有实际意义（因为有分子轴存在—特定方向性），只有L在分子核间轴或分子轴方向的投影lM才有意义，L在分子核间轴或分子轴方向的投影用lM表示。与原子的L-S耦合类似，双原子分子和线型小分子电子耦合适用于S耦合，光谱项表示为：12S。下面分别描述各项的物理意义。a)--电子总的空间角动量在分子轴上的投影，L...3210，，，，对于每个L，可取2L+1个值。对应3210，，，，对应的分子电子态分别用Σ、Π、Δ、Φ来表示；b)S—总的自旋角动量，isS，由于si的取值为±1/2，所以S可以取值为0，1/2，1…。同样总的自旋角动量S也不是好量子数，但其在分子轴上投影是好量子数，用sM描述。c)2S+1----电子态重数（简并度）。若S=0，2S+1=1---单（重）态；若S=1/2，2S+1=2---双（重）态；若S=1，2S+1=3---三（重）态，依次类推。d)Ω---总角动量，，依据Λ、Σ的取值确定。e)选择定则：在气体放电中，一般监测的是荧光辐射，属于单光子过程，所以只介绍单光子跃迁选择定则。单光子跃迁选择定则：010S；。重数相同的态才可以跃迁。单（重）态只能向单（重）态跃迁，双（重）态只能双单（重）态跃迁，三（重）态只能向三（重）态跃迁。例如，01与1并合，但不能与2、3并合。不能向基电子态跃迁的激发电子态称为亚稳态。对于同核双原子分子，除了角动量选择定则外，还应满足对称性选择定则，单光子跃迁应满足u←→g(g—gerade-偶对称，就是将-x,-y,-z代x,y,z,波函数不变---心对称；u---ungerade-奇对称，就是将-x,-y,-z代x,y,z,波函数的函数值的大小不变，只改变符号)。3）电离态—原子或分子失去一个或多个电子----电离态例如：H+，He+，He2+，H2+。基电子态的气体粒子失去一个电子所需的能量称为电离能或离化能。原子型离子和分子型离子与对应的原子、分子一样，同样具有能级结构，其跃迁选择定则与原子、分子的选择定则一样。