第六章、辉光放电(Glow-discharge)

1第六章、辉光放电（Glowdischarge）辉光放电是放电等离子体中最常见的一种放电形式，应用也最广泛。比如，一般的气体激光器（He-Ne激光器、CO2激光器等）、常用光源（荧光灯）、空心阴极光谱灯等。同时辉光放电也是放电形式中放电最稳定的放电形式，所以有必要对辉光放电进行较为详细的讨论。§6.1辉光放电的产生及典型条件最简单的辉光放电的结构如图6.1（a）。调节电源电压E或限流电阻R，就会得到如图6.1（b）的V-A特性曲线。管电压U调节到等于着火电压Ub时，放电管内就会从非自持放电过渡到自持放电，此时，放电电流I会继续增大，管压降U下降，进入辉光放电区。放电管发出明亮的辉光，其颜色由放电气体决定。限流电阻R应比较大，以保证放电稳定在辉光放电区。如果限流电阻R很小，放电很容易进入弧光放电区。辉光放电的特点：比较高的放电管电压U(几百~几千V)，小的电流I（mA量级）；弧光放电的特点：很低的放电电压U（几十V），大电流放电I（A量级甚至更大）。辉光放电的典型条件：①放电间隙中的电场分布比较均匀，至少没有很大的不均匀性；例如He-Ne激光器的放电管内电场近似均匀。②放电管内气体压强不是很高，要求满足（Pd）Ubmin＜Pd＜200Kpacm（巴邢曲线的右支），d---放电管内电极间距，（Pd）Ubmin--巴邢曲线最低点Ubmin对应的Pd值。一般P=4Pa~14Kpa时，可出现正常辉光放电，而Pd＞200Kpacm时，非自持放电通常会过渡到火花放电或丝状放电；③放电回路中的电源电压和限流电阻准许放电管的放电电流工作在mA量级，且电源电压应高于着火电压Ub，否则不能起辉。UG弧UbBC辉光放电光RED区放EF电I(a)最简单的放电结构（b）V-A特性曲线图6.1辉光放电的结构及V-A特性曲线2§6.2辉光放电的组成区域和基本特征一、辉光放电的外貌、参数分布及定性分析对于一对平行平板放电电极，典型的辉光放电外貌如图6.2(a)。从阿斯顿暗区到负辉区称为阴极位降区或阴极区。下面对各放电区一一进行介绍。1、阿斯顿暗区（AstonDarkSpace）：它是仅靠阴极的一层很薄的暗区，是有Aston首先在H2、He、Ne放电中观察到的放电暗区，所以称为阿斯顿暗区。阿斯顿暗区的厚度与气体压强P成反比（正常辉光放电的Pdn值为常数）。为什么是暗区呢？我们知道，发光是自发辐射现象。电子从阴极出来，进入电场很强的区域被电场加速，但在阴极附近，电子速度很低，电子能量低于气体的最低激发态的激发能，还不能产生碰撞激发，所以该区域没有辐射发光存在，故为暗区。有人已从实验上证明了阴极到阴极光层的电位差相当于激发电位（5~10V），样品气体的最低激发电位不同，阿斯顿暗区的厚度也不同，激发电位↑，阿斯顿暗区厚度↑。2、阴极光层（CathodeLayer）:仅靠阿斯顿暗区是一层很薄、很弱的发光层。当放电气体压强P很大时，阿斯顿暗区与阴极发光层几乎分不清楚。在阴极发光层区，由阿斯顿暗区过来的电子能量已经达到气体粒子的激发电位所对应的激发能（在He气体中测量此处的电子能量正好等于He的第一激发态的激发能），所以该区域气体会发出微弱的荧光，呈现为发光较弱的发光层。3、阴极暗区（CathodeDarkSpace）:紧靠阴极光层是一发光极弱的阴极暗区，阴极暗区与阴极发光层没有明显的界限。前面讲过，进入阴极发光层的电子能量刚好达到第一激发电位，碰撞激发效率比较高，而进入阴极暗区的电子，由于电场的继续加速，电子能量超过激发函数最大值对应的电子越来越多（1.5~2倍激发能），所以碰撞激发几率降低，导致发光减弱，特别是被明亮的负辉区衬托，成为阴极暗区。在阴极暗区，电子能量已超过第一电离能，所以在这个区域内产生大量的碰撞电离，雪崩放电就集中在这一区域内。由于阿斯顿暗区到阴极暗区的区间，是放电管内电场强度最强的区域，所以此区域内电子运动是以定向运动为主。阿斯顿暗区法拉第暗区阳极暗区阴极暗区-+阴极光层负辉区正柱区阳极辉光（a）辉光放电外貌UEUaUEUcx(b)各放电区域电场强度E及电位U分布ρρ＋xρ-(c)各放电区域空间电荷分布jj-j＋x(d)正、负带电粒子流密度分布图6.2辉光放电外貌及U、E、ρ、j分布34、负辉区（NegativeGlow）:在辉光放电中，负辉区是发光最强的区域。因为负辉区亮度大，所以看起来与阴极暗区有明显界限。电子经过前面各区域的加速，进入负辉区的电子基本上可分成两大类：第一类是快电子，这部分电子从阴极附近产生后，一直被电场加速到负辉区，这部分电子占一小部分；第二类是慢电子，这部分电子从阴极发射出来，虽然经过电场加速，经历了多次非弹性碰撞，电子能量小于电离能，但可以大于或接近激发能，这部分电子占大部分，这些电子在负辉区产生许多碰撞激发，所以会有明亮的辉光。该区域的电场强度E~0，所以快电子少，慢电子多，由于电子的速度相对比较小，空间复合的几率会有所增大。由阿斯顿暗区到负辉区是辉光放电不可缺少的区域，主要的管压降（70~400V）就集中在该区域内，所以被称为阴极位降区或阴极区。5、法拉第暗区（FaradayDarkSpace）：穿过负辉区，就是法拉第暗区。一般法拉第暗区比上述各区域都厚。大部分电子在负辉区经历了多次非弹性碰撞，损失了很多能量，且负辉区E~0，电子无加速过程，所以从负辉区进入法拉第暗区的电子能量比较低，不足以产生激发和电离，所以不发光，形成一个暗区。从电场分布可以看出，进入法拉第暗区后，电场强度又开始E＞0，但比较弱，电子又被加速，这样慢电子通过法拉第暗区加速成快电子，进入正柱区。由阿斯顿暗区---法拉第暗区五个区域组成的放电部分称为阴极部分。6、正柱区（PositiveColumn）：又称为正光柱（细放电管内充满光柱）。在低气压情况下，正柱区为均匀的光柱；当气压较高时，会出现明暗相间的层状光柱（辉纹），条件不同，辉纹状态不同。有时辉纹还会在放电管内滚动。正柱区内，电场E沿管轴方向分布是均匀的，即电场强度E近似为一常数值。因此在正柱区内空间电荷等于0，即在正柱区的任何位置电子密度与正离子密度都相等，对外不呈电性，所以又称为等离子体区。由于正离子迁移速率很小，所以放电电流主要是电子流，正离子的作用主要是抵消电子的空间电荷效应。从电场强度上看，正柱区的场强比阴极位降区场强小几个量级，所以正柱区的电子运动主要是乱向运动，电子的能量分布符合Boltzman-Maxwell热分布。7、阳极区（AnodeSpace）：位于正柱区与阳极之间的区域为阳极区。有时可以观察到阳极暗区(AnodeDarkSpace)和阳极表面处的阳极辉光（AnodeGlow）。对于阳极区，放电电流较大时，在靠近正柱区一端，电子被阳极吸引，而正离子被阳极排斥，使得阳极区产生负的空间电荷电场强度，电位，阳极位降。这样从正柱区出来的电子在阳极暗区加速，在阳极前产生碰撞激发和电离，阳极表面形成一层发光层----阳极辉光层。总结：从外观上看：各发光区中，以负辉区最亮，正柱区居中，阳极光层最弱；电场分布：阴极位降区最强，正柱区为稳定场强区，该区域轴向场强为均匀分布；电位降分布：放电管的压降主要集中在阴极位降区；4空间电荷：正柱区内电子密度与正离子密度处处相等，对外不呈电性，故称为等离子体；电子雪崩：从阴极发射出来的初始电子，仅在阴极区引起电子雪崩；电离增长在阴极暗区最强。因此阴极位降区是辉光放电中最重要，也是必不可少的部分，且在这一区域应满足自持放电条件。二、辉光放电的基本特征①辉光放电在电极间的光强分布是明、暗相间的有规律分布；②管压降U明显低于着火电压Ub。正常辉光放电的管压降不随放电电流的变化而改变；③阴极电子的发射主要是过程，即正离子、亚稳态原子、光子和高速运动的中性粒子打到阴极上产生次电子发射；④阴极位降区是维持辉光放电必不可少的区域，具有大约70~400V的阴极位降（大小与气体种类、阴极材料有关）。在这一区域产生电子雪崩放电，满足维持自持放电条件，净余空间电荷为正电荷；这与罗果夫斯基的空间电荷分布假设很相近。⑤辉光放电的电流密度大约为2/~cmmAA。在辉光放电中，必不可少的是阴极位降区，而应用主要是正柱区，现就阴极位降区和正柱区进行详细讨论。§6.3辉光放电的阴极位降区一、阴极位降区的实验规律1、辉光放电的阴极位降Uc正常辉光放电开始时，放电电流很小，辉光放电仅发生在阴极表面的一小部分，在阴极表面只有星星点点的阴极亮斑出现；随着放电电流的增大，阴极放电面积与放电电流呈正比增大，阴极表面的放电斑点开始增大，直至充满整个阴极表面；在正常辉光放电条件下，阴极电流密度cj保持常数nj，阴极位降cU也保持常数nU；当阴极放电充满整个阴极表面后，再增大放电电流（cj），阴极位降cU才随之增大（反常辉光放电区）。在正常辉光放电中，阴极位降cU保持不变，为一常数nU，Un值大小与气体的电离电位、阴极材料的系数有关。常用阴极材料及气体的辉光放电的正常阴极位降见表6-1。表6-1常用阴极材料及气体的辉光放电的正常阴极位降气体阴极空气ArHeH2HgNeN2Al229140170170245120180Ni226131158211276140197Ag280130162216318150233Cu370130150250298150215可见正常辉光放电的阴极位降nU与阴极材料、气体种类相关。52、阴极位降区厚度nd与气压P的关系当放电的其它条件均保持不变，正常辉光放电的阴极位降区厚度nd随放电气体压强P成反比变化，且保持ndP为常数，ndP大小与阴极材料、气体种类有关。Al、Fe两种阴极材料正常辉光放电的ndP值见表6-2。表6-2Al、Fe两种阴极材料正常辉光放电的ndP值（cmPa）阴极HeNeArHgH2N2空气Al17685.138.643.995.841.233.3Fe17395.343.945.212055.969.23、正常辉光放电的阴极电流密度nj当放电气体气压P改变时，正常辉光放电的阴极电流密度nj随气压P的平方成反比变化，即tconsPjntan/2。实验发现仅Ne气tconsPjntan/5.1。4、正常辉光放电各区域的发光颜色放电气体不同，各发光区域的颜色不同，常用气体辉光放电各区域颜色见表6-3。表6-3常用气体辉光放电各区域颜色气体种类阴极光层负辉区正柱区空气桃色兰色桃红色H2红褐色淡兰色桃色N2桃色兰色桃色O2红色黄白色淡黄色有桃色中心He红色绿色红发紫Ar桃色暗兰色暗紫色Ne黄色橙色橙红色Hg绿色绿色绿色对上述实验进行必要的数学分析，发现阴极位降cU是阴极电流密度cj函数，既有)(ccjfU，且与气压P、阴极位降区厚度cd有关。下面就阴极位降与阴极电流密度之间的关系进行分析。（对应V-A特性曲线）二、阴极位降cU与阴极电流密度cj关系的理论推导1、理论上的假设为了建立阴极位降cU、阴极电流密度cj及阴极位降区厚度cd之间的关系，必须确定带电粒子运动速6度与电场强度的关系、电离几率与速度之间的关系、空间电荷密度与电场的关系，再加上维持辉光放电的稳定性条件及阴极表面的边界条件（过程），从而推导出阴极位降cU与阴极电流密度cj的关系。为此做如下假设（这些假设是以实验结果为依据的）：①阴极位降区内带电粒子的产生与消失的假定：假定在阴极位降区内，电子的碰撞电离系数仅决定于所在位置处的电场强度E（实际上，当电子在多个自由程内E为常数时，与E才是单值函数）有关，关系式为：)/exp(PEBAP（6-3-1）在此忽略了正离子的碰撞电离作用（0，因为正离子动能很小，碰撞电离几率很小），正离子轰击阴极的次电子发射系数为常数。因为阴极位降区内，电子与正离子的相对运动速度很大，空间复合过程可以忽略，带电粒子的消失主要发生在电极表面上。②正离子在阴极位降区内运动的假设：正离子的运动速度可以用电场强度E和迁移速率K表示：EKu（6-3-2）③阴极位降区内电场分布的假设：取阴极表面处电场强度为E0，电场强度从阴极