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PVD气体放电原理
       气体放电的现象,又称气体导电。气体通常由中性分子或原子组成,是良好的绝缘体,并不导电。气体的导电性取决于其中电子、离子的产生及其在电场中的运动。加热、照射(紫外线、X射线、放射性射线)等都能使气体电离,这些因素统称电离剂。在气体电离的同时,还有正负离子相遇复合为中性分子以及正负离子被外电场驱赶到达电极与电极上异号电荷中和的过程。

       这3个过程中,电离、复合二者与外电场无关,后者则与外电场有关。随着外电场的增强,离子定向速度加大,复合逐渐减少以致不起作用,因电离产生的全部离子都被驱赶到电极上,于是电流达到饱和。饱和电流的大小取决于电离剂的强度。一旦撤除电离剂,气体中离子很快消失,电流中止。这种完全靠电离剂维持的气体导电称为被激导电或非自持导电。

       当电压增加到某一数值后,气体中电流急剧增加,即使撤去电离剂,导电仍能维持。这种情形称为气体自持导电或自激放电。气体由被激导电过渡到自持导电的过程,通常称为气体被击穿或点燃,相应的电压叫做击穿电压。撤去电离剂后,仍有许多带电粒子参与导电。首先,正负离子特别是电子在电场中已获得相当动能,它们与中性分子碰撞使之电离,这种过程连锁式地发展下去,形成簇射,产生大量带电粒子。其次,获得较大动能的正离子轰击阴极产生二次电子发射。此外,当气体中电流密度很大时,阴极会因温度升高产生热电子发射。
       气体自持放电的特征与气体的种类、压强、电极的材料、形状、温度、间距等诸多因素有关,而且往往有发声、发光等现象伴随发生。自持放电因条件不同,而采取不同的形式。见辉光放电,弧光放电,火花放电,电晕放电。

       干燥气体通常是良好的绝缘体,但当气体中存在自由带电粒子时,它就变为电的导体。这时如在气体中安置两个电极并加上电压,就有电流通过气体,这个现象称为气体放电。依气体压力、施加电压、电极形状、电源频率的不同,气体放电有多种多样的形式。主要的形式有暗放电、辉光放电、电弧放电、电晕放电、火花放电、高频放电等。20世纪70年代以来激光导引放电、电子束维持放电等新的放电形式,也日益受到人们的重视。 

1. 气体放电的基本物理过程  
       气体放电总的过程由一些基本过程构成,这些基本过程是:激发、电离、消电离、迁移、扩散等。基本过程的相互制约决定放电的具体形式和性状。 

激发  
       荷能电子碰撞气体分子时,有时能导致原子外壳层电子由原来能级跃迁到较高能级。这个现象,称为激发;被激发的原子,称为受激原子。要激发一个原子,使其从能级为E1的状态跃迁到能级为Em的状态,就必须给予(Em-E1)的能量;这个能量所相应的电位差设为eVe,则有 
eVe=Em-E1
       电位Ve称为激发电位。实际上,即使电子能量等于或高于激发能量,碰撞未必都能引起激发,而是仅有一部分能引起激发。引起激发的碰撞数与碰撞总数之比,称为碰撞几率。 
       受激发后的原子停留在激发状态的时间很短暂(约为10-6秒),便从能量为Em的状态回复到能量为E1的正常状态,并辐射出能量为hv(h为普朗克常数,v为辐射频率)的光量子。气体放电时伴随有发光现象,主要就是由于这个原因。 

       在某些情况下,受激原子不能以辐射光量子的形式自发回到正常状态,这时便称为处于亚稳状态,处于亚稳状态的原子称为亚稳原子。亚稳原子可以借助两种过程回复到正常状态:一是由电子再次碰撞或吸收相应的光量子,升到更高的能级,然后从这个能级辐射出光量子而回到常态。另一是通过与电子碰撞将能量转化为电子的动能,它本身回到常态。亚稳原子的寿命约为10-4~10-2秒;由于它寿命较长,在放电中常常起重要的作用。 
       当受激原子尚未回到基态时,如受到电子的再次碰撞就可能转入更高的激发态。这种由多次碰撞往高能级激发的现象称为累积(逐次)激发。 

电离  
       电子与原子碰撞时,若电子能量足够高,还会导致原子外壳层电子的脱落,使原子成为带正电荷的离子。与激发的情况类似,电子的动能必须达到或大于某一数值eVi,碰撞才能导致电离。Vi称为电离电位,其大小视气体种类而定。同样,即使能量高于电离能,碰撞也仅有一部分能引起电离。引起电离的碰撞次数与总碰撞次数之比,称为电离几率。如果受激原子由于电子再次碰撞而电离、则称为累积(逐次)电离。 
    在气体放电中还有一类重要的电离过程,即亚稳原子碰撞中性分子使后者电离的过程。这种过程只有在亚稳原子的亚稳电位高于中性分子的电离电位(如氖的亚稳原子碰撞氩原子)时才可能出现。这个过程称为潘宁效应。
 
消电离
       如果将一切电离因素都去掉,则已电离的气体,会逐渐恢复为中性气体,这称为消电离。消电离的方式有三种:①电子先与中性原子结合成为负离子,然后负离子与正离子碰撞,复合成为两个中性原子。②电子和正离子分别向器壁扩散并附于其上,复合后变为中性原子离去。③电子与正离子直接复合。 

迁移  
       在电场作用下,带电粒子在气体中运动时,一方面沿电力线方向运动,不断获得能量;一方面与气体分子碰撞,作无规则的热运动,不断损失能量。经若干次加速碰撞后,它们便达到等速运动状态,这时其平均速度u与电场强度E成正比 
u=KE
       系数K称为电子(离子)迁移率。对于离子,K是一个常数;对于电子,它并不是一个常数,而与电场强度E有关。 

扩散
       当带电粒子在气体中的分布不均匀时,就出现沿浓度递减方向的运动,这称为扩散。带电粒子的扩散类似于气体的扩散,也有自扩散和互扩散两种。扩散现象用扩散系数来描述,它是带电粒子扩散能力的一种量度。 

       多种带电粒子同时存在于气体时,扩散现象变得复杂。其中特别重要的一种情况是电子、正离子浓度相等(即等离子体)的情况,这时出现所谓双极性扩散。这是两种异号带电粒子相互牵制的扩散,其基本特征是:电子由于质量小、扩散得较快;离子由于质量大,扩散得较慢。结果电子走在前方,于是两种电荷间出现一个电场(约束电场),这电场牵引正离子使它跟上去。两种带电粒子的扩散速率始终一致,但电子总是在前方,离子则在其后。 

       在管壁附近,双极性扩散受到管壁的影响。此时电子运动速度快,先附于管壁,使管壁带负电位。负电位阻止后来电子的抵达,但吸引正离子,在其附近形成正电荷鞘层。在鞘层中,电子的浓度随着接近管壁而递减,最终自动调整到每秒飞上管壁的电子数恰好等于飞上的正离子数。
 
2. 气体放电的重要形式  
       早期研究的气体放电形式是低气压(1~100Pa)直流放电,即在气体中置入两个电极,通以直流电压而得到的放电。为使电流不致过大,回路中串联一个电阻(即限流电阻)。若将电源电压逐渐提高,通过气体的电流就随之增大(图1,纵坐标为跨于两电极上的电压)。当极间电压提高到us时,电流突然急剧增加,放电变为明亮的形式,这称为着火,也称为击穿。着火之后,放电转入自持放电,在开始一段(SB段)为正常辉光放电,极间电压比着火前为低,且其数值不随电流增大而变化,呈现恒电压特性。当电流增大到某一数值(B点)时,极间电压又随电流而增大,这一段(BE段)属异常辉光放电。电流增大到E点时就转入电弧放电,此时极间电压将随电流增大而下降,呈现出负阻特性(ECDF段)。 

图1 低气压直流放电的电流-电压特性

       气体放电的着火是一种突变现象。 闸流管、计数管、气体放电开关管等器件便利用这种突变特性。利用正常辉光放电的恒电压特性即可制成气体放电稳压管。 

暗放电  
       暗放电主要是非自持放电(但自持放电的某些区域中有暗放电存在)。关于暗放电的理论是英国物理学家J.S.汤生于1903年提出的,故这种放电也称为汤生放电。汤生理论的物理描述是:

       设外界催离素在阴极表面辐照出一个电子,这个电子向阳极方向飞行,并与分子频繁碰撞,其中一些碰撞可能导致分子的电离,得到一个正离子和一个电子。新电子和原有电子一起,在电场加速下继续前进,又能引起分子的电离,电子数目便雪崩式地增长。这称为电子繁流(图2)。 

图2 电子繁流示意图

       汤生根据上述物理描述,推导出抵达阳极的电子数目nu为式中n0为阴极发射的电子数;d为阴极阳极间距离;α为汤生第一电离系数。 

       电子数目随距离d指数增长。在一些光电器件中,特意充入一些惰性气体,使光电阴极发射的电子在气体中进行繁流,以得到光电流的放大,提高器件的灵敏度。 

       放电中产生的正离子最后都抵达阴极。正离子轰击阴极表面时,使阴极产生电子发射;这种离子轰击产生的次级电子发射,称为r过程。r过程使放电出现新的特点,这就是:r过程产生的次级电子也能参加繁流。如果同一时间内,由于r过程产生的电子数,恰好等于飞抵阳极的电子数,放电就能自行维持而不依赖于外界电离源,这时就转化为自持放电。 

       气体的着火电压取决于一系列因素。1889年,L.C.帕邢发现,对于平行平板电极系统,在其他条件相同时,着火电压是气体压力p与电极距离d乘积的函数,通称为巴邢定律。图3表示一些气体的着火电压与pd值的关系。由图可见,着火电压有一最低值。在最低值右边(右支),着火电压随pd的增大而提高,在其左边(左支),则随pd的减小而提高。在高电压设备中,各电极间的距离须足够大(即d值应足够大),有时还充以高压强(即取大的p值)的绝缘气体,以提高设备的耐压,就是利用右支的特性。反之,在真空电容器一类器件中,常将其内部抽至良好的真空(即达到小的p值),以提高其耐压,这是利用左支的特性。 

图3 一些气体的着火特性
辉光放电    
       低压气体在着火之后一般都产生辉光放电。若电极是安装在玻璃管内,在气体压力约为 100Pa且所加电压适中时,放电就呈现出明暗相间的8个区域(图4)。图中下方的曲线表示光强的分布,按从阴极到阳极的顺序分为7个区。
       (1)阿斯顿暗区:它是阴极前面的很薄的一层暗区,是F.W.阿斯顿于1968年在实验中发现的。在本区中,电子刚刚离开阴极,飞行距离尚短,从电场得到的能量不足以激发气体原子,因此没有发光。
       (2)阴极辉区:紧接于阿斯顿暗区,由于电子通过阿斯顿暗区后已具有足以激发原子的能量,在本区造成激发而形成的区域,当激发态原子恢复为基态时就发光。 
       (3)阴极暗区:又称克鲁克斯暗区。抵达本区域的电子,能量较高,有利于电离而不利于激发,因此发光微弱。 
       (4)负辉区:紧邻阴极暗区,且与阴极暗区有明显的分界。在分界线上发光强,后逐渐变弱,并转入暗区,即后述的法拉第暗区。负辉区中的电子能量较为分散,既富于低能量的电子也富于高能量的电子。 
       (5)法拉第暗区:负辉区到正柱区的过渡区域。在本区中,电子能量很低,不发生激发或电离,因此是暗区。 
       (6)正辉柱区: 与法拉第暗区有明显的边界,是电子在法拉第暗区中受到加速,具备了激发和电离的能力后在本区中激发电离原子形成的,因发光明亮故又称正辉柱。正辉柱区中电子、离子浓度很高(约1015~1016个/m3),且两者的浓度相等,因此称为等离子体。正柱区具有良好的导电性能;但它对放电的自持来说,不是必要的区域。在短的放电管中,正柱区甚至消失;在长的放电管中,它几乎可以充满整个管子。正柱区中轴向电场强度很小,因此迁移运动很弱,扩散运动(即乱向运动)占优势。 
       (7)阳极辉区和阳极暗区:只有在阳极支取的电流大于等离子区能正常提供的电流时才出现。它们在放电中不是典型的区域。 

       辉光放电各区域中非常早被利用的是正柱区。正柱区的发光和长度可无限延伸的性质被利用于制作霓虹灯。作为指示用的氖管、数字显示管,以及一些保护用的放电管,也是利用辉光放电。在气体激光器中,毛细管放电的正柱区是获得激光的基本条件。近代微电子技术中的等离子体涂覆、等离子体刻蚀,也是利用辉光放电过程。从正柱区的研究发展起来的等离子体物理,对核聚变、等离子体推进、电磁流体发电等先进科学技术有重要意义。辉光放电中的负辉区,由于电子能量分布比正柱区的为宽,近年来被成功地用于制作白光激光器。 

异常辉光放电   
       辉光放电中,如果整个阴极已布满辉光,再增大支取的电流,则出现异常辉光放电(图1中BE段)。此时阴极位降很大,且位降区的宽度减小。阴极位降大和电流密度大,会导致阴极材料的溅射。在放电器件中,溅射的吸气作用降低器件内气体压强并改变其气体成分,而溅射形成的导电膜则降低电极间绝缘。阴极溅射现象也可用作材料涂覆的一种手段,这就是溅射镀膜。 

电弧放电   
       如将辉光放电的限流电阻减小,则放电电流增大,并转入电弧放电(图1中CDF段)。电弧放电的特点是电流密度大而极间电压低,其自持依赖于新的电子发射机制,即热发射和冷发射。热发射是因正离子轰击阴极出现局部高温而产生的;冷发射则是因阴极表面存在局部强电场而引起的。前者称为热电子电弧,后者称为冷阴极电弧。作为强光源的碳极电弧就是热电子电弧;电力工业用的汞弧整流管则利用冷阴极电弧。 
       电弧放电的一个重要特点是阴极上有阴极辉点。热电子电弧的辉点一般是固定不动的;冷阴极电弧如汞弧整流管液汞表面上的辉点是跳跃移动的。阴极辉点是电子发射的来源,其电流密度高达数百至数千A/cm2。 
       电弧放电的伏安特性随电极材料、气体种类、压力而异。大气中的碳极电弧呈现出典型的负阻特性,因此外电路中必须串有限流电阻,以稳定电流。
       电弧放电产生强烈的辐射,其强度随气体压力和电流密度而增大。放电区中温度最高点在一个大气压下约为4200K,在10个大气压下为6520K,在几十或几百大气压下达10000K。 
       碳极电弧是非常早的强光光源。各种高气压放电灯如高气压汞灯、氙灯、钠灯,是在管泡内进行电弧放电的光源。电弧焊接、电弧切割在工业上有广泛应用;电弧的高温可作为电炉的热源。 

电晕放电   
       在气压较高而极间距离大时,不易得到自持放电。但是,如果一个或两个电极很尖(即曲率半径很小),形成很强的局部电场,则能导致气体的强烈激发和电离,并出现发光的薄层,称电晕层;电晕层外的区域,电场不足以激发和电离,呈黑暗状,称电晕外区。这种放电称电晕放电,是一种不完全击穿的自持放电。负离子发生器就是电晕放电的一种应用。 

火花放电   
       这是在电源电压较高,足以击穿气体,但电源功率不够大,不能维持持续放电时产生的一种放电。它仍然是一种自持放电,但瞬即熄灭,待电源电压恢复后,又重新放电。放电时电极间有丝状火花跳过电极空间,其路程则是随机的。自然界中的雷电,是一种大范围的火花放电,但在火花放电之前大多先出现电晕放电。 

       火花放电的过程比汤生放电还要迅速。关于这种放电的理论,较为成功的是条带理论。这种理论认为:在强电场作用下,由外界催离素所产生的某一个电子,向阳极运动时将引起强烈的电离及激发,并形成电子繁流。这种单个电子形成的繁流称为负条带。形成负条带的同时,出现强烈的短波辐射,在空间引起光电离;光电离产生的光电子,又能发展成一些较小的负条带。当条带较多时,便汇成一个强大的负条带,迅速向阳极飞去。详细的分析表明,还存在从阳极飞往阴极的条带,即正条带。正负条带造成两电极间的导电通路,使强大的电流脉冲得以通过气体,这就是火花放电的着火。 

       火花放电使电极材料受到严重的烧蚀,利用这一现象制成的电火花加工设备,能对金属进行切割、抛光等加工。火花放电时,不仅击穿气体,还能击穿其通路上的薄片绝缘材料,电火花打孔的加工技术就是利用这一现象的。依据火花放电现象制成的触发管和火花放电器,常用于脉冲调制电路中。 

高频放电与微波放电  
       通常,如果放电管电极的电极性改变,放电的方向也改变。但这仅是在频率很低的情况下才如此。如50赫市电点燃荧光灯时就是这样。但当频率提高时,放电来不及熄灭,因而呈现为稳定放电的形式:正辉柱位于两电极中间,正辉柱两边均有法拉第暗区,然后是两个负辉区紧邻两个电极。这就是高频放电。高频放电中,带电粒子来回运动,损失的速度很慢,因此无需r过程也能维持放电,故可将电极移至管壳之外,仅借助电场就可在管内引起放电。若将通有高频电流的线圈套在管外,借助交变电磁场的作用也能激起高频放电。 

       频率在几百兆赫至几百吉赫的高频放电,属于微波气体放电。依据微波放电原理制成的天线开关管,广泛应用在雷达工程中。高频放电离子源,是核物理、等离子体化学的重要研究工具。微波放电线光谱辐射源、连续光谱辐射源等,应用于物理学、化学的研究工作中。在近代微电子技术中,利用高频溅射的方法可避免静电荷的影响。在可控核聚变研究中,微波放电可用作初始等离子体源,微波放电还可作为介质,用以研究波的传播、转化、吸收、等离子体稳定性、扩散、紊流等过程。 

脉冲放电  
       在脉冲电压作用下引起的气体放电,就是脉冲放电。脉冲放电视脉冲电源的具体型式分为单脉冲放电、重复脉冲放电和高频脉冲放电等,高频脉冲放电时,通过气体的脉冲电流的曲线是变幅高频交流振荡曲线的包络线。 

        简单的脉冲放电是由一电容储能电路击穿一个火花隙而得到的;放电装置则串接在火花隙中,火花隙击穿时装置中亦就得到了脉冲放电。 
       脉冲放电的过程,可以分成三个阶段:①脉冲形成阶段,即火花隙间加上电压,气体电离及击穿并使放电充满整个装置;②维持阶段,此时电容器中的能量继续通过放电通道,放电空间出现强烈的电离和激发;③放电熄灭阶段,即随着电容器上电压的降低,放电逐渐衰弱,最后不能自持时,放电就自行熄灭。 

       脉冲放电时激发和电离很强烈,各种过程导致的辐射及粒子数反转现象极其丰富,可用于制造各种脉冲气体激光器。微波工程中的天线开关管、作为固体激光器光泵用的脉冲氙灯、脉冲离子源和摄影用闪光灯,都是脉冲放电的应用。 

       热电子发射:热电子发射是指当金属的温度升高时,金属中电子的动能随之增大,动能超过逸出功的电子数逐渐增加。温度升高到一定值时,大量电子从金属中逸出,这种现象叫热电子发射。热电子发射在无线电技术中有广泛的应用,各种电子管和电子射线管都是利用热电子发射来产生电子束的。在金属表面存在着阻碍电子逃脱出去的作用力,电子逸出需克服阻力作功,称为逸出功。在室温下,只有极少量电子的动能超过逸出功,从金属表面逸出的电子微乎其微。一般当金属温度上升到1000K以上时,动能超过逸出功的电子数目急剧增多,大量电子由金属中逸出,这就是热电子发射。若无外电场,逸出的热电子在金属表面附近堆积,成为空间电荷,它将阻止热电子继续发射。

       场致电子发射:固体内的电子由于受到原子核的吸引作用而被束缚在固体内部。在经典物理理论中,只有当外电场场强达到108次方,才能让电子克服原子核的吸引而发射出固体表面。但是,按照量子力学,电子会发生隧穿效应,也就是,电子能够穿过比它的动能更高的势垒。因此,当外电场场强达到106次方时,已经有很明显的电子发射现象了。这种利用外界强电场,把电子拉出固体表面的现象就是场致发射现象。
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