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直流辉光放电
直流辉光放电是最常用的一种放电方式,在真空室内压强小于1Pa的条件下,给两电极间施加电场,当电场强度达到50-1000V/cm时,即可产生
等离子体
。常见的直流辉光放电实验原理如图1-1所示。在玻璃放电管两端封装放电电极,放电管内建立低气压环境,两端电极加直流高压,当极间电压达到几百伏时,放电开始并形成等离子体,放电电流一般为几百个毫安培。直流辉光放电的电子温度约为几个电子伏左右,并且电子的温度远远大于离子温度,所以称之为
低温等离子体
。直流辉光放电的电子密度约10
9
cm
-3
~10
11
cm
-3
,由于粒子在电场作用下直接从一个极板运动到另一极板,移动距离短,与气体分子撞击的机率很低,因此等离子密度低,且分布不均匀。
在直流辉光放电管中,按照放电区域粒子的能量、电压和外部表现的特征,一般可分为四个区域:分别是阴极区、过渡区、正柱区和阳极区。从图1-1可以看出,在阴极区,电场的分布是不均匀的,阴极区的光层可划分成阿斯顿暗区、阴极辉区和阴极暗区(克洛克斯暗区);过渡区介于阴极区和正柱区之间,又可细分为两个区:负辉区和法拉第暗区,其中负辉区是放电空间光强最强的区域,也是正负电荷浓度最大而且最接近的区域,所以称为等离子体区域;过渡区后就是正柱区,正柱区的长度是由放电管的极间间距决定的,正柱区均匀放电时,电场分布是均匀的,如电荷浓度、电位梯度等沿轴向都是均匀分布的。阳极区不是放电的主要区域,其作用仅仅是保证阳极接受到足够的电子而形成电流,在接近阳极处,电子受阳极吸引加速运动,而离子则被排斥。
图1-1 直流辉光放电装置示意图
直流辉光放电装置简单,容易实现,工业应用广泛。其缺点主要有三点:一是粒子受电场作用在电极间运动,移动行程短,与气体分子发生碰撞的机率小,气体的电离度不高,等离子密度低;二是等离子的能量大部分转化成了温升,能量转换效率不高;三是由于电极(阳极)位于真空室内,持续受到电子的高速轰击,电极消耗过快,寿命较短,同时极板在电子轰击时容易发生二次溅射,会对被处理的零件造成污染,因此只适合于要求较低的工业处理中应用。
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