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直流輝光放電
直流輝光放電是最常用的一種放電方式,在真空室內壓強小于1Pa的條件下,給兩電極間施加電場,當電場強度達到50-1000V/cm時,即可產生
等離子體
。常見的直流輝光放電實驗原理如圖1-1所示。在玻璃放電管兩端封裝放電電極,放電管內建立低氣壓環境,兩端電極加直流高壓,當極間電壓達到幾百伏時,放電開始并形成等離子體,放電電流一般為幾百個毫安培。直流輝光放電的電子溫度約為幾個電子伏左右,并且電子的溫度遠遠大于離子溫度,所以稱之為
低溫等離子體
。直流輝光放電的電子密度約10
9
cm
-3
~10
11
cm
-3
,由于粒子在電場作用下直接從一個極板運動到另一極板,移動距離短,與氣體分子撞擊的機率很低,因此等離子密度低,且分布不均勻。
在直流輝光放電管中,按照放電區域粒子的能量、電壓和外部表現的特征,一般可分為四個區域:分別是陰極區、過渡區、正柱區和陽極區。從圖1-1可以看出,在陰極區,電場的分布是不均勻的,陰極區的光層可劃分成阿斯頓暗區、陰極輝區和陰極暗區(克洛克斯暗區);過渡區介于陰極區和正柱區之間,又可細分為兩個區:負輝區和法拉第暗區,其中負輝區是放電空間光強最強的區域,也是正負電荷濃度最大而且最接近的區域,所以稱為等離子體區域;過渡區后就是正柱區,正柱區的長度是由放電管的極間間距決定的,正柱區均勻放電時,電場分布是均勻的,如電荷濃度、電位梯度等沿軸向都是均勻分布的。陽極區不是放電的主要區域,其作用僅僅是保證陽極接受到足夠的電子而形成電流,在接近陽極處,電子受陽極吸引加速運動,而離子則被排斥。
圖1-1 直流輝光放電裝置示意圖
直流輝光放電裝置簡單,容易實現,工業應用廣泛。其缺點主要有三點:一是粒子受電場作用在電極間運動,移動行程短,與氣體分子發生碰撞的機率小,氣體的電離度不高,等離子密度低;二是等離子的能量大部分轉化成了溫升,能量轉換效率不高;三是由于電極(陽極)位于真空室內,持續受到電子的高速轟擊,電極消耗過快,壽命較短,同時極板在電子轟擊時容易發生二次濺射,會對被處理的零件造成污染,因此只適合于要求較低的工業處理中應用。
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