何娟
陕西省西咸新区陕西能源电力运营公司电气试验中心 712085
摘要：由于气体放电在材料处理、热核聚变、环境净化以及等离子体推力器等各个前沿科学领域中具有广泛的应用。为了推动气体放电及等离子体理论与应用技术的研究和发展，综述了近年来各种典型气体放电机理的发展。分析了直流辉光放电、介质阻挡放电、大气压辉光放电、电子回旋共振放电、容性耦合射频放电的国内外研究现状，最后介绍了气体放电等离子体的应用领域。
关键词：高电压；气体放电；应用
1前言
在自然状态下，气体通常处于绝缘状态，但是在外加电场时，气体分子就被电离成电子和离子，因此，气体放电是产生低温等离子体的主要方式。气体放电等离子体可分为自然等离子体和实验室等离子体，如大气中的闪电现象就是一种特殊的气体放电，为自然界中的一种常见的现象，人类很早之前就对其有所认识。而人工状态下的气体放电早在1673年就由威廉在旋转硫磺球上首次产生了电火花放电，1802年彼得罗夫发现了电弧放电，然而由于人类的认识有限，对气体放电理论的研究进展非常缓慢，直到19世纪末20世纪初，电磁场理论的完善，使得气体放电的步伐加快。
2气体放电的类型及分类
获取等离子体的方法有很多种，根据所加的频率不同，可以分为直流放电、低频放电、高频放电、微波放电等多种类型。
2.1直流辉光放电
目前国内主要有电子科技大学课题组基于粒子网格方法（PIC）和蒙特卡罗方法（MCC）开展对辉光放电的数值模拟研究，仿真模拟了直流辉光放电的电离过程，得到了放电过程中电子与离子的相空间分布、速度分布、能量分布及自洽场分布等随时间演化的热性，很好的解释了直流辉光放电等离子体的电离特性。同时对氩气的直流辉光放电的阴极鞘层区域进行了研究，提出了一种新的氩气辉光放电阴极鞘层区域自洽模型，研究了不同气体密度、不同极间电压的条件下阴极鞘层区域的自洽电场，并研究了该区域内离子的能量分布、电子能量分布和电子碰撞分散角分布等微观特性。大连理工大学采用漂移扩散的流体模型研究了辉光放电的电离过程，将电子和离子分别看做流体，采用有限体积法进行求解，研究了一定的气体压力变化范围内，电子和离子的密度随着压力变化而变化的规律，并研究了各个放电区域内的电子密度、离子密度、电场和电势等随压力的变化规律，数值模拟结果对实验具有一定的指导意义。实验方面采用发射光谱法测量了氮气直流辉光放电中的转动温度[8]，获得实验条件下的 N+2的转动温度，给出了转动温度随放电电压的变化趋势，结果很好的解释了直流放电的帕邢定律。
2.2容性耦合射频放电
容性耦合等离子体（Capcitviely Coupled Plasma，CCP）源是工业应用中最常使用的等离子体源之一。基本结构是由一个真空腔室和置于真空腔室的一对平行的金属极板组成，两个极板之间的间隙大概为 2~10 cm。由于这种结构很像电路中的电容器，因此将其称为容性耦合等离子体源。腔室中添加一定量的工作气体后，在电极上耦合一定的功率，即可实现容性耦合放电。对于刻蚀工艺，工作气压通常较低，一般维持在1.33~13.30 Pa；而对于薄膜沉积工艺，工作气压一般相对较高。国内主要有苏州大学自建的一套13.56 MHz 基于圆筒型空心阴极射频等离子体放电系统，对放电情况和晶硅表面的制绒情况进行了研究分析，利用微波共振探针对 CCP 在不同流量比条件下进行了诊断并与郎缪尔探针的实验结果进行了对比分析，验证了郎缪尔探针的诊断方法在实验测量范围内的可信度，但是此实验仅分析了外界为固定参数的情况，而没有分析放电参数的改变对电负性等离子体的影响，以及改变放电极板的距离、探针在放电腔中的位置，腔体环境等参数改变后的电负性等离子体内部参数和分布的变化情况。
2.3电子回旋共振等离子体源
微波电子回旋共振等离子体（Electron Cyclotron Resonance，ECR）是利用电子回旋共振原理来维持等离子体放电。在真空室内充入一定量的低气压工作气体，在腔室顶部馈入微波，腔室四周固定电磁线圈或永磁体，以提供静态外磁场。通过选取合适的外磁场分布，使得腔室内某一区域内的电子回旋共振频率等于微波功率，电子的运动就会发生回旋共振，最终获得高密度的等离子体。微波 ECR 等离子体源可以在较低的气压下获得非常高的等离子体密度，并且可以通过调节微波的功率来改变电子密度、温度等参数，因此相对CCP和ICP源有着明显的优势。
2.4大气压辉光放电
在低温等离子体发展的初期，低气压等离子体放电得到了广泛而深入的研究。低气压具有比较低的击穿电压，容易实现稳定放电，还可以在较大尺度内实现均匀放电且其活性粒子浓度较高。由于其不需要高真空条件以及昂贵繁琐的真空系统，大气压放电开始受到关注。
2.5介质阻挡放电 （DBD）
空气中通常采用平板电极和圆柱电极两种结构。为实现大气压介质阻挡放电，需在两侧金属电极之间的气隙空间至少插入一块绝缘介质（通常采用玻璃、石英、陶瓷等材料），且在两侧电极施加交流电压源。当外施电压增加时，介质阻挡放电的击穿与其他放电类似，电子在外电场作用下加速并获得能量，通过与周围原子分子的碰撞发生能量转移，致使原子分子激发电离产生电子雪崩。当放电气隙电压大于气体击穿电压时，气隙被击穿，放电发生。
3气体放电等离子体及其应用
3.1材料表面改性
低温等离子体中的粒子能量一般为几个至几十个电子伏特，大于聚合物材料的结合能，完全可以破裂有机大分子的化学键而形成新键，但远低于高能放射性射线，只设计材料表面，不影响基体的性能。处于非热力学平衡状态下的低温等离子体中，电子具有较高的能量，可以断裂材料表面分子的化学键，提高粒子的化学反应活性（大于热等离子体），而中性粒子的温度接近室温，这些优点为热敏性高分子聚合物表面改性提供了适宜的条件。通过低温等离子体表面处理，各种物理和化学变化在材料表面，或产生蚀刻和粗糙，或形成密集的交联层，或引入氧极性基团，使亲水性、粘结性、染色性、生物相容性得到改善。
3.2等离子体显示技术
等离子体显示实际是利用含氙气（Xe）的混合气体放电所产生的等离子体的辐射效应达到显示目的的一种显示技术。等离子体中含有准分子Xe2，其辐射波长为172 nm的真空紫外谱线（VUV），这些谱线照射荧光层使其发光。等离子体显示屏（Plasma Display Panel，PDP）是低温等离子体显示技术的重要工业应用，PDP 是由大量微型荧光灯组成的矩阵，其中每一个荧光层使其发光时刻和强度均独立可控。为了达到彩色显示的目的，PDP 荧光灯矩阵中的每个（像素）点实际上是由4个微型放电单元构成的，分别负责发出红、绿、蓝、红光。
4结束语
综述了直流辉光放电、介质阻挡放电、容性射频放电、感性耦合射频放电等技术的国内外研究进展，主要讨论各种类型的气体放电产生的条件及其原理，并介绍了其在各个方面的应用。近年来，气体放电及其等离子体技术发展比较迅速，气体放电产生的低温等离子体在材料改性、废水废气处理、灭菌消毒、薄膜生长、纳米粉末制备、等离子体显示和生物技术等领域有许多重要的应用，并逐渐显示出很好的经济效益，具有重大的研究价值和深远的研究前景。
参考文献：
[1] 邵涛.大气压脉冲气体放电与等离子体应用[J].高电压技术，2016(04)
[2] 王新新.气体放电的相似性[J].高电压技术，2014(10)
[3] 章程.纳秒脉冲气体放电中逃逸电子束流的研究[J].物理学报，2014(04)