高電壓新技術(shù)

1、高電壓新技術(shù) 氣體放電與應(yīng)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(xiàn)象。非自持放 電現(xiàn)象。 Petrov（1803）：發(fā)現(xiàn)電極接觸-分離法形成電弧。 Faraday（1831-1835）：發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)的研究，導致現(xiàn)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

2、電子-原子碰 撞截面值，電子和離子的漂移速度值，電子-離子復合系數(shù)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(chǔ)。 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(guān)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(yīng)用 第一部分 氣體放電基礎(chǔ) 典型的氣體放電 氣體放電理論模型 氣體放電物理基礎(chǔ)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，

3、電流10-610-1A 弧光放電：弧光放電：高氣壓(1atm)，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(chǎn)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(yīng) 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)1 l e 帕邢定律 Paschen,18651947,德

4、國德國 帕邢定律的內(nèi)容帕邢定律的內(nèi)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，并有極小值。 1 lnln s Bpd V Apd 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(diào)了空間維持自持放電的主要因素，并強調(diào)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

5、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 光電離形成二次電子崩，等離子體光電離形成二次電子崩，等離子體 11 1. 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(shù)計算得隨著電子崩向陽極推進，崩頭中的電子數(shù) 12 n 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(nèi)正、負大大加強了

6、崩頭及崩尾的電場，削弱了崩頭內(nèi)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)生分子和離子 的激勵現(xiàn)象，當它們回的激勵現(xiàn)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(nèi)部正、負電荷區(qū)域：崩頭內(nèi)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 13 2. 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

7、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(zhì)點大量的正、負帶電質(zhì)點 構(gòu)成了構(gòu)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

8、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(xiàn)了很強注頭部前方出現(xiàn)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(xiàn)新的電離。流注前方出現(xiàn)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)

9、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，一旦形成流注，放電就進入了新的階段， 放電可以由本身產(chǎn)生的空間光電離而自行維放電可以由本身產(chǎn)生的空間光電離而自行維 持，即轉(zhuǎn)入自持放電了。如果電場均勻，間持，即轉(zhuǎn)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?lián)舸┏址烹姉l件，在均勻電場

10、中也就是導致?lián)舸?的條件的條件 自持放電的條件：自持放電的條件： 8 10 ad e 17 流注理論對pd很大時放電現(xiàn)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(tǒng)計性，所以二次電子崩在空間的形成和發(fā)展帶有統(tǒng)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

11、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(xiàn)象很大時放電時間特別短的現(xiàn)象 3陰極材料的影響陰極材料的影響 根據(jù)流注理論，維持放電自持的是根據(jù)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，這可說明 為何很大為何很大Pd下?lián)舸╇妷汉完帢O材料基本無關(guān)了下?lián)舸╇妷汉完帢O材料基本無關(guān)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

12、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(xiàn)出來的全部現(xiàn)象 都不過是這些粒子之間的碰撞的結(jié)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(yīng)。正是這些物理化學反應(yīng)決定了氣體放電的性 質(zhì)。碰撞一般分為彈性碰撞、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(zhì)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

13、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 in the General Electric Research Laboratory one day and said ” Say, Tonks, Im looking for a word. In these gas discharge

14、s 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 discharge? there is complete space-charge neutralization. I dont want to invent a word, but it must be descriptive of this kin

15、d 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 we call it ! Well call it the plasma.” The image of blood plasma immediately came to mind: I think Langmuir even mention

16、ed blood. 冷陰極電子發(fā)射，主要依靠正離子轟擊陰極產(chǎn)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(chǔ)上由作用和作用所 共同維持的。 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(shù) 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 2 c Jp

17、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(chǎn)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104108cm3 2) 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

18、，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(xiàn)發(fā)光層，首先緊貼電極在電場最強處出現(xiàn)發(fā)光層， 回路中出現(xiàn)用一般儀表即可察覺的電流?；芈分谐霈F(xiàn)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，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

19、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(jù)電源功率而轉(zhuǎn)入火花放電壓再升高，根據(jù)電源功率而轉(zhuǎn)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(xiàn)刷狀放電，如電場稍不均勻，則可能不出現(xiàn)刷狀放電， 而由電暈放電直接轉(zhuǎn)入擊穿而由電暈放電直接轉(zhuǎn)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

20、）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(xiàn)貫通兩極的極間出現(xiàn)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(zhì)阻擋放電 平板電極體

21、放電 梳狀電極表面放電 同軸結(jié)構(gòu) 介質(zhì)阻擋材料介質(zhì)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(zhì)層將失去阻擋作用，因而介質(zhì)阻擋放電驅(qū)動電壓頻率范圍為頻率過高則介質(zhì)層將失去阻擋作用，因而介質(zhì)阻擋放電驅(qū)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(jù)不同的應(yīng)用背景，放電間隙為根據(jù)不同的應(yīng)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

22、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(yīng)性氣體如氣，也可以是其他反應(yīng)性氣體如CCl2F2, CClF3 and CHClF2 DBD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(yīng) 用比

23、直流放電的多。 在實際應(yīng)用等離子體時，首先根據(jù)用途需要選擇最合適的等離子體。實際的 工業(yè)應(yīng)用中如LSI制作工藝中為了實現(xiàn)超微細、大面積、高速加工，經(jīng)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(chǎn)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(yīng)耦合等離子體）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

24、)，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(yīng)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20 200 W，放電頻率通常為 13.56MHz。 等離子體密度雖然不是那么 高(約在1016m3),但這種方 法的

25、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(yīng)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(chǎn)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(chǎn)生的磁場H導致的放電。這里 磁場隨時間變化引起感應(yīng)電場(法拉第電磁感應(yīng) 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(yīng)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等離子體可以激勵起

26、沿等離子體表面?zhèn)鞑サ牟?，?強微波照射可以產(chǎn)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(cè)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(shè)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(xiàn)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

27、回旋 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(xiàn)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

28、等離 子體叫做螺旋波等離子螺旋波等離子 體體。 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1 5Pa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(yīng)用 等離子體電離氣體具有熱效應(yīng)等離子體電離氣體具有熱效應(yīng) 相關(guān)應(yīng)用： 等離子體弧焊、等離子體切割、等離子體熱噴涂、燒結(jié)、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(guān)應(yīng)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、

29、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(guān)應(yīng)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(yīng)力學效應(yīng) 相關(guān)應(yīng)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(shù)的應(yīng)用等離子噴涂技術(shù)的應(yīng)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 housing Pl