高電壓新技術

1、高電壓新技術氣體放電與應用華中科技大學電氣學院夏勝國2010.12引言Coulomb（1785）：研究孤立絕緣導體上電荷的消失現象。非自持放電現象。Petrov（1803）：發(fā)現電極接觸-分離法形成電弧。Faraday（1831-1835）：發(fā)現低氣壓輝光放電，1Torr，1000V。Crook and Thomson（19世紀末期到20世紀初）：陰極射線實驗，電子e/m的測量，證實電子的存在。引發(fā)原子結構的研究，導致現代物理學的建立。Townsend（20世紀初）：建立氣體放電湯生理論，標志著氣體放電學科的建立。大量的研究者進行大量的湯生放電實驗工作，積累大量的電子-原子碰撞截面值，電子和離

2、子的漂移速度值，電子-離子復合系數值等。正式這些實驗成果形成了氣體放電物理學研究的基礎。Langmuir and Tonks（1928）：提出“等離子體”這一名詞：Plasma。從此與氣體放電緊密相關的新的學科-等離子體科學登上了歷史舞臺。Loeb and Meek：1940年建立流注放電理論。進一步完善了氣體放電理論。迄止目前，越來越多的放電應用第一部分 氣體放電基礎典型的氣體放電氣體放電理論模型氣體放電物理基礎元過程典型的氣體放電實驗裝置氣體放電的全伏安特性直流放電的類型輝光放電輝光放電：低氣壓(110Torr)，外電路阻抗大，電流10-610-1A弧光放電：弧光放電：高氣壓(1atm)，

3、外電路阻抗小，電流1A火花放電：火花放電：高氣壓(1atm)，放電間隙較長(10cm)電暈放電：電暈放電：強不均勻場中發(fā)生的特殊的放電湯生放電理論J.S.Townsend,18681957, 英國英國作用電子產生的電離倍增（電子雪崩） 作用離子轟擊陰極時二次電子的出射效應陰極陰極陽極陽極電場電場 E電子電子分子分子離子離子二次電子發(fā)射二次電子發(fā)射電離倍增作用電離倍增作用（作用）作用）（ 作用）作用）湯生自持放電條件湯生自持放電條件(1)1le帕邢定律Paschen,18651947,德國德國帕邢定律的內容帕邢定律的內容：氣體擊穿電壓由氣體壓強 p 和電極間距d的乘積( pd )所決定，并有極小

4、值。1lnlnsBpdVApd湯生理論對帕邢定律的解釋湯生理論對帕邢定律的解釋9流注氣體放電理論n 說明工程上感興趣的壓力較高和氣隙間距說明工程上感興趣的壓力較高和氣隙間距較長氣體的擊穿，如大氣壓力下空氣的擊較長氣體的擊穿，如大氣壓力下空氣的擊穿穿n 特點：認為電子碰控電離及空間光電離是特點：認為電子碰控電離及空間光電離是維持自持放電的主要因素，并強調了空間維持自持放電的主要因素，并強調了空間電荷畸變電場的作用電荷畸變電場的作用 n 流注理論的放電原理流注理論的放電原理 10流注理論的發(fā)展階段n 電子崩階段電子崩階段 空間電荷畸變外電場空間電荷畸變外電場 n 流注階段流注階段 光電離形成二次電

5、子崩，等離子體光電離形成二次電子崩，等離子體 111. 電子崩階段n 電子崩外形：電子崩外形：好似球頭的錐體，空間電荷分布極不均勻好似球頭的錐體，空間電荷分布極不均勻 例如，正常大氣條件下，若例如，正常大氣條件下，若E30kVcm，則，則 11cm-1，計算得隨著電子崩向陽極推進，崩頭中的電子數計算得隨著電子崩向陽極推進，崩頭中的電子數12n 空間電荷畸變外電場空間電荷畸變外電場 大大加強了崩頭及崩尾的電場，削弱了崩頭內正、負大大加強了崩頭及崩尾的電場，削弱了崩頭內正、負電荷區(qū)域之間的電場電荷區(qū)域之間的電場 電子崩頭部：電子崩頭部：電場明顯增強，電場明顯增強，有利于發(fā)生分子和離子有利于發(fā)生分子

6、和離子的激勵現象，當它們回的激勵現象，當它們回復到正常狀態(tài)時，放射復到正常狀態(tài)時，放射出光子出光子崩頭內部正、負電荷區(qū)域：崩頭內部正、負電荷區(qū)域：電場大大削弱，有助于電場大大削弱，有助于發(fā)生復合過程，發(fā)射出發(fā)生復合過程，發(fā)射出光子光子132. 流注階段n 當電子崩走完整個間隙當電子崩走完整個間隙后，大密度的頭部空間后，大密度的頭部空間電荷大大加強了后部的電荷大大加強了后部的電場，并向周圍放射出電場，并向周圍放射出大量光子大量光子n 光子引起空間光電離，光子引起空間光電離，在受到畸變而加強了的在受到畸變而加強了的電場中，造成了新的電電場中，造成了新的電子崩，稱為二次電子崩子崩，稱為二次電子崩 光

7、電離、二次電子崩光電離、二次電子崩1主電子崩 2二次電子崩3流注14正流注的形成n 二次電子崩中的電子進二次電子崩中的電子進入主電子崩頭部的正空入主電子崩頭部的正空間電荷區(qū)（電場強度較間電荷區(qū)（電場強度較?。蠖嘈纬韶撾x子。?。?，大多形成負離子。大量的正、負帶電質點大量的正、負帶電質點構成了構成了等離子體等離子體，這就，這就是是正流注正流注 n 流注通道導電性良好，流注通道導電性良好，其頭部又是二次電子崩其頭部又是二次電子崩形成的正電荷，因此流形成的正電荷，因此流注頭部前方出現了很強注頭部前方出現了很強的電場的電場1主電子崩2二次電子崩3流注15正流注向陰極推進n 流注頭部的電離放射出大流注

8、頭部的電離放射出大量光子，繼續(xù)引起空間光量光子，繼續(xù)引起空間光電離。流注前方出現新的電離。流注前方出現新的二次電子崩，它們被吸引二次電子崩，它們被吸引向流注頭部，延長了流注向流注頭部，延長了流注通道通道n 流注不斷向陰極報進，且流注不斷向陰極報進，且隨著流注接近陰極，其頭隨著流注接近陰極，其頭部電場越來越強，因而其部電場越來越強，因而其發(fā)展也越來越快發(fā)展也越來越快n 流注發(fā)展到陰極，間隙被流注發(fā)展到陰極，間隙被導電良好的等離子通道所導電良好的等離子通道所貫通，間隙的擊穿完成，貫通，間隙的擊穿完成，這個電壓就是擊穿電壓這個電壓就是擊穿電壓 16自持放電條件一旦形成流注，放電就進入了新的階段，一旦

9、形成流注，放電就進入了新的階段，放電可以由本身產生的空間光電離而自行維放電可以由本身產生的空間光電離而自行維持，即轉入自持放電了。如果電場均勻，間持，即轉入自持放電了。如果電場均勻，間隙就將被擊穿。所以流注形成的條件就是自隙就將被擊穿。所以流注形成的條件就是自持放電條件，在均勻電場中也就是導致擊穿持放電條件，在均勻電場中也就是導致擊穿的條件的條件自持放電的條件：自持放電的條件：810ade17流注理論對pd很大時放電現象的解釋 1放電外形放電外形 Pd很大時，放電具有通道形式很大時，放電具有通道形式 當某個流注由于偶然原因發(fā)展更快時，將抑制其它當某個流注由于偶然原因發(fā)展更快時，將抑制其它流注的

10、形成和發(fā)展，并且隨著流注向前推進而越來越流注的形成和發(fā)展，并且隨著流注向前推進而越來越強烈強烈 二次電子崩在空間的形成和發(fā)展帶有統計性，所以二次電子崩在空間的形成和發(fā)展帶有統計性，所以火花通道常是曲折的，并帶有分枝火花通道常是曲折的，并帶有分枝2放電時間放電時間 光子以光速傳播，所以流注發(fā)展速度極快，光子以光速傳播，所以流注發(fā)展速度極快，這就可以說明這就可以說明pd很大時放電時間特別短的現象很大時放電時間特別短的現象3陰極材料的影響陰極材料的影響 根據流注理論，維持放電自持的是根據流注理論，維持放電自持的是空間光電離，而不是陰極表面的電離過程，這可說明空間光電離，而不是陰極表面的電離過程，這可

11、說明為何很大為何很大Pd下擊穿電壓和陰極材料基本無關了下擊穿電壓和陰極材料基本無關了18在電離室中得到的陽極流注發(fā)展過段的照片在電離室中得到的陽極流注發(fā)展過段的照片正流注的發(fā)展速度約為正流注的發(fā)展速度約為1 108 2 108cm/s氣體放電元過程參與氣體放電的粒子參與氣體放電的粒子：電子、離子（，）、中性粒子（原子、分子）、光子粒子之間的碰撞粒子之間的碰撞：氣體放電所表現出來的全部現象都不過是這些粒子之間的碰撞的結果。在電場中電子優(yōu)先獲得能量在電場中電子優(yōu)先獲得能量。電子碰撞的種類電子碰撞的種類：高能電子通過碰撞引起物理化學反應。正是這些物理化學反應決定了氣體放電的性質。碰撞一般分為彈性碰撞

12、、非彈性碰撞。后者包括電離、激發(fā)、復合等。 輝光放電 電弧放電 電暈放電 火花放電 介質阻擋放電 射頻放電 微波放電 第二部分 各種常用的氣體放電輝光放電（壓強約1Torr）輝光放電各部分發(fā)光顏色分布氣體陰極區(qū)負輝光正柱區(qū)氦氣紅綠紫紅氖氣黃 橙紅氮氣粉紅藍紅朗繆爾(Irving Langmuir,1932年Nobel化學獎)1928年朗繆爾在研究輝光放電時將正柱區(qū)中的電離氣體取名為“等離子體”(Plasma)。他的合作者Tonks在他的一篇論文(Am. J. Phys. ,35(1967), p. 857)中，這樣生動地講述了這個名稱的由來：Langmuir came into my room

13、 in the General Electric Research Laboratory one day and said ” Say, Tonks, Im looking for a word. In these gas discharges we call the region in the immediate neighborhood of the wall or an electrode a sheath, and that seems to be quite appropriate; but what should we call the main part of the disch

14、arge? there is complete space-charge neutralization. I dont want to invent a word, but it must be descriptive of this kind of region as distinct from a sheath. What do you suggest?”My reply was classic “ Ill think about it, Dr. Langmuir.”The next day Langmuir breezed in and announced, “I know what w

15、e call it ! Well call it the plasma.” The image of blood plasma immediately came to mind: I think Langmuir even mentioned blood. 冷陰極電子發(fā)射，主要依靠正離子轟擊陰極產生二次發(fā)射電子 陰極附近有正空間電荷層和一個較大的陰極勢降1. 從負輝區(qū)流人陰極區(qū)域的正離子，受鞘層電場加速后與陰極碰撞，引起二次電子逸出(作用)。這些二次電子又在鞘層電場的加速作用下向陽極方向運動，成為高能量的電子束，從而引發(fā)電離(作用)。也就是說，輝光放電是在鞘層電場的基礎上由作用和作用所共同維持

16、的。直流輝光放電的基本特征直流輝光放電的基本特征輝光放電的特性參數大氣壓輝光放電大氣壓下輝光放電的困難 輝光放電的實驗表明：若保持電流不變，電流密度： 即：電流通道的橫截面積將隨著氣壓的增大而急劇減小2cJp 因此當大氣壓下氣體間隙擊穿時通?？吹降氖墙z狀放電（也稱流注）及其進一步的發(fā)展電弧放電。為了在高氣壓下不產生絲狀放電，必須需控制電子雪崩地放大以免它增長過快。高氣壓輝光放電均勻措施1) 預電離預電離。一般要求預電離電子密度為104108cm32) 陡脈沖陡脈沖電弧放電 n減小外回路中的阻抗，則電流增大，電流減小外回路中的阻抗，則電流增大，電流增大到一定值后，放電通道收細，且越來增大到一定值

17、后，放電通道收細，且越來越明亮，管端電壓則更加降低，說明通道越明亮，管端電壓則更加降低，說明通道的電導越來越大的電導越來越大n電弧通道和電極的溫度都很高，電流密度電弧通道和電極的溫度都很高，電流密度極大，電路具有短路的特征極大，電路具有短路的特征 電暈放電 n電極曲率半徑很小或電極間距離很遠，即電極曲率半徑很小或電極間距離很遠，即電場極不均勻，則當電壓升高到一定值后，電場極不均勻，則當電壓升高到一定值后，首先緊貼電極在電場最強處出現發(fā)光層，首先緊貼電極在電場最強處出現發(fā)光層，回路中出現用一般儀表即可察覺的電流。回路中出現用一般儀表即可察覺的電流。隨著電壓升高，發(fā)光層擴大，放電電流也隨著電壓升高

18、，發(fā)光層擴大，放電電流也逐漸增大逐漸增大n發(fā)生電暈放電時，氣體間隙的大部分尚未發(fā)生電暈放電時，氣體間隙的大部分尚未喪失絕緣性能，放電電流很小，間隙仍能喪失絕緣性能，放電電流很小，間隙仍能耐受電壓的作用耐受電壓的作用 刷狀放電 n電場極不均勻情況下，如電壓繼續(xù)升高，電場極不均勻情況下，如電壓繼續(xù)升高，從電暈電極伸展出許多較明亮的細放電通從電暈電極伸展出許多較明亮的細放電通道，稱為刷狀放電道，稱為刷狀放電 n電壓再升高，根據電源功率而轉入火花放電壓再升高，根據電源功率而轉入火花放電或電弧放電，最后整個間隙被擊穿電或電弧放電，最后整個間隙被擊穿n如電場稍不均勻，則可能不出現刷狀放電，如電場稍不均勻，

19、則可能不出現刷狀放電，而由電暈放電直接轉入擊穿而由電暈放電直接轉入擊穿 電暈放電火花放電n在較高氣壓（例如大氣壓）下，擊穿后總是形成收在較高氣壓（例如大氣壓）下，擊穿后總是形成收細的發(fā)光放電通道，而不再擴散于間隙中的整個空細的發(fā)光放電通道，而不再擴散于間隙中的整個空間。當外回路中阻抗很大，限制了放電電流時，電間。當外回路中阻抗很大，限制了放電電流時，電極間出現貫通兩極的極間出現貫通兩極的的明亮細火花的明亮細火花 n火花放電的特征是具有收細的通道形式，并且放電火花放電的特征是具有收細的通道形式，并且放電過程不穩(wěn)定過程不穩(wěn)定 n火花間斷的原因：火花間斷的原因： 放電通道電阻很小，而外電路電放電通道

20、電阻很小，而外電路電阻很大，放電通道分得電壓太小，以致放電不能持阻很大，放電通道分得電壓太小，以致放電不能持續(xù)續(xù)雷電介質阻擋放電平板電極體放電梳狀電極表面放電同軸結構介質阻擋材料介質阻擋材料玻璃、石英、陶瓷以及聚合物等，有時還采用一些具有保玻璃、石英、陶瓷以及聚合物等，有時還采用一些具有保護涂層或者其他功能涂層如駐極體材料等。護涂層或者其他功能涂層如駐極體材料等。頻率過高則介質層將失去阻擋作用，因而介質阻擋放電驅動電壓頻率范圍為頻率過高則介質層將失去阻擋作用，因而介質阻擋放電驅動電壓頻率范圍為50Hz10MHz。放電電壓范圍為幾百伏特到幾千伏特。放電電壓范圍為幾百伏特到幾千伏特。根據不同的應用

21、背景，放電間隙為根據不同的應用背景，放電間隙為0.1mm幾幾cm。放電氣體可以流動，也可以循環(huán)使用，也可靜止。放電氣體可以流動，也可以循環(huán)使用，也可靜止。放電氣體可以是惰性氣體如放電氣體可以是惰性氣體如He、Ne、Ar，可以是分子氣體如氮氣、氧氣、空，可以是分子氣體如氮氣、氧氣、空氣，也可以是其他反應性氣體如氣，也可以是其他反應性氣體如CCl2F2, CClF3 and CHClF2DBD的一些基本特征高頻放電和微波放電用甲烷等氣體來進行直流放電的時候，電極表面上絕緣性薄膜的堆積會阻礙電流的流通，甚至會導致放電的中止。不使用直流而采用工業(yè)上標準的13.56MHz的高頻電磁波或2.45GHz的微

22、波來進行放電，就能夠維持這類氣體放電約穩(wěn)定的等離子體狀態(tài)。所以，使用高頻放電或微波放電的等離子體應用比直流放電的多。在實際應用等離子體時，首先根據用途需要選擇最合適的等離子體。實際的工業(yè)應用中如LSI制作工藝中為了實現超微細、大面積、高速加工，經常要求等離子體具有低氣壓（1Pa）、大口徑（0.4m）、高密度（1017m3）等特性。在氣壓降低時，等離子體擴散加快，而電離頻率降低，因而低氣壓條件下生成大口徑、高密度低溫等離子體并不容易。提高放電功率，可以增大等離子體密度，但是若功率不能有效地用于產生電離（如直流輝光放電），那么等離子體密度也不能增大。采用后面要講述的給線圈通高頻電流的方法(感應耦合

23、等離子體）或激勵等離子體波動的方法(表面波等離子體、ECR等離子體、螺旋波等離子體)，由于可以在保持較低的等離子體與電極間的電位差的狀態(tài)下提供高功率，那么在低氣壓時也可以高效率地生成等離子體，并且其高密度化也將成為可能。用于放電的三種天線耦合方式利用用靜電場來加速電子，又稱電容耦合高頻放電或微波放電是由天線(電極)從外部得到功率，通過電磁場對電子的加速作用來維持等離子體的。利用感應電場來供給等離子體能量利用電磁波來供給等離子體能量平行板加RF電壓電容耦合等離子體 典型的放電條件是：壓強101000 Pa，電極間距15cm，高頻功率20200 W，放電頻率通常為13.56MHz。 等離子體密度雖

24、然不是那么高(約在1016m3),但這種方法的優(yōu)點是容易生成大口徑等離子體。 放電的發(fā)光分布，在低氣壓時整體上基本是均勻發(fā)光。但隨著壓強的增高中心部分變暗，只有兩個電極附近部分才發(fā)亮。線圈通RF電流感應耦合等離子體 無外加磁場時的高頻放電可分為電場型放電(E放電)和磁場型放電(H放電)。 前者是天線表面電荷產生的靜電場導致的放電，電容耦合等離子體是其中有代表性的例子。 后者是天線電流產生的磁場H導致的放電。這里磁場隨時間變化引起感應電場(法拉第電磁感應定律)，利用這個電場來加速電子從而可以維持等離子體。如此生成的等離子體叫做感應耦合等離子體。強電波照射表面波等離子體無磁場時通過電磁波照射高密度

25、等離子體可以激勵起沿等離子體表面?zhèn)鞑サ牟?，用強微波照射可以產生這種表面波，從而生成大口徑、高密度的等離子體，這種等離子體叫做表面波等離子體。圖中，2.45GHz、1kW的微波從大氣一側通過石英板直徑（30 cm）照射等離子體，在2200Pa壓強下就可以得到10171018m3的高密度等離子體(圖中雖然沒有畫出，但有時在石英板的上面或下面設有開槽的金屬天線)。這時，在石英板與等離子體的界面上會出現表面波，在這個波的電場的作用下電子被加速，等離子體就被提供了能量。使用磁場中的波ECR等離子體和螺旋波等離子體電子回旋共振（電子回旋共振（ECR）當有磁場存在時，電子會在洛侖茲力作用下作環(huán)繞磁力線的回旋

26、運動。其頻率c由磁場決定。如果從外部施加同一頻率的振蕩電場，那么作回旋運動的電子會受到同相位電場的作用而被“直流式”地持續(xù)加速，電子由此獲得較高的動能，這種現象成為ECR。利用這個原理的ECR等離子體裝置，由于吸收了微波能量的高速電子頻繁地引起電離，所以即使在低氣壓下也可獲得高密度的等離子體。例如，在0.1T量級的磁場中一1kW左右的微波（2.45GHz）從真空窗入射，在0.050.5Pa的低氣壓下也可生成高密度（1017m3）的等離子體。在磁場中，給天線通以頻率遠低于電子回旋頻率(c)的高頻電流，即使在低氣壓下也可以容易地生成高密度的等離子體。這樣生成的等離子體叫做螺旋波等離子螺旋波等離子體

27、體。圖中，天線部分直徑0.1m左右，在0.01T的弱磁場中對天線輸入13.56MHz、1kW的高頻信號后就可以在15Pa的壓強下得到密度為10181019m3的強電離等離子體。第三部分 氣體放電等離子體的應用等離子體電離氣體具有熱效應等離子體電離氣體具有熱效應相關應用：等離子體弧焊、等離子體切割、等離子體熱噴涂、燒結、生成微粒材料、等離子體熔煉、城市垃圾焚燒、金屬材料表面處理等離子體電離氣體具有良好的化學活性等離子體電離氣體具有良好的化學活性相關應用：材料表面改性、等離子體化學氣相沉積、等離子體刻蝕（太陽能電池、LCD、LSI、及DRAM等制造工藝）、臭氧發(fā)生器、燃燒廢氣處理、汽車尾氣處理氣體放電具有強烈的可見輻射和非可見輻射氣體放電具有強烈的可見輻射和非可見輻射相關應用：照明用放電管、霓虹燈、氣體激光器、等離子體顯示、紫外線光源、X射線源等離子體電離氣體具有良好的導電性，可作為優(yōu)良的流動導體等離子體電離氣體具有良好的導電性，可作為優(yōu)良的流動導體MHD發(fā)電、核聚變發(fā)電、閘流管、引燃管、靜電除塵力學效應力學效應相關應用：濺射、離子注入、火箭推進等離子體熱噴涂1等離子噴涂技術的應用等離子噴涂技術的應用機床制造電機制造機車車輛制造冶金工業(yè)汽車制造宇航工業(yè)等離子噴涂Surface coating for engine housin