作者：梁文俊、李晶欣、竹涛 等编著
出版社：化学工业出版社
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低温等离子体大气污染控制技术及应用试读：
前言
大气污染问题越来越引起公众的重视，环境污染治理的重要性不言而喻，一些传统环境污染治理技术和新技术均具有自身的特点和不足。污染物末端治理是解决环境污染问题的重要环节，而污染物控制技术是末端治理的解决途径。
低温等离子体工业废气处理技术作为一种新型的污染物的治理技术是集物理、化学和环境工程于一体的综合性交叉技术，与目前常用气体治理方法（吸附、吸收、燃烧法等）相比较，该技术具有如下优点：高效、低耗节能、适应性强、维护操作简便等。由于具有能很容易使污染物分子高效分解且处理能耗低等特点，是目前国内外大气污染治理中行之有效的技术方法之一，其使用和推广前景广阔，为工业领域气态污染物的治理开辟了一条新的思路。
本书系统介绍了低温等离子体的产生过程、机理，给出了脉冲电晕放电、直流电晕放电、交流电晕放电、介质阻挡放电等多种放电的基本原理、理论以及该技术结合吸附、催化等技术的协同效应。书中结合作者多年来的研究成果，展示了该项技术用于大气污染物的治理研究，主要论述了该技术对挥发性有机污染物、室内空气、油烟废气、恶臭废气以及SO和NO烟气的研究成果。本书可供从事等离子体技2x术、污染控制技术等学科领域的科研人员、工程技术人员参考，也可供高等学校环境、能源、化工及相关专业师生参阅。
参加本书编著的人员有：北京工业大学梁文俊、华北电力大学（保定）李晶欣、中国矿业大学（北京）竹涛。全书最后由北京工业大学李坚教授统稿、审阅。还要感谢在本书编著过程中付出辛勤劳动的边文景、马琳、王爱华、郭书清、武红梅、马名烽、李祥、赵文娟、白子鹤、夏瑜、陈静艳等同学。
本书获得北京市市委组织部优秀人才项目和北京市教委青年拔尖人才项目的出版资助，在编著过程中得到了化学工业出版社的支持和帮助，在此表示衷心的感谢！在本书的编著过程中，编著者参考并引用了大量文献资料，在此向所有被引用的参考文献的作者们致以诚挚的谢意！可能由于作者的疏漏，书中所列出的参考文献未必全面，在此特向书中未能列出的被引用的作者们致以深深的歉意。
限于编著者编著的时间和水平，书中难免出现疏漏和不妥之处，敬请读者批评指正。编著者2016年5月于北京第1章 等离子体技术简介
等离子体作为物质存在的一种基本形态，自从18世纪中期被发现以来，对它的认识和利用在不断深化。早期等离子体主要是作为发光现象、导电流体或高能量密度的热源来加以研究和应用的。利用其光能的如霓虹灯、荧光灯、水银灯等，利用其热能的如等离子体焊接和等离子体切割等，利用其机械能的如磁流体发电等。到20世纪60年代，等离子体化学能的研究和利用逐渐受到人们的重视，随着对等离子体中各种粒子化学活性和化学行为认识的不断深入，形成了一门新兴的交叉学科——等离子体化学。由于等离子体化学是使物质吸收电能进行反应的技术，必须将电能有效地转化为化学能，因此等离子体化学的发展与真空技术、等离子体诊断技术和放电技术的发展是息息相关的。近几十年来等离子体技术得到了突飞猛进的发展，其研究重心也从热等离子体及等离子体物理应用扩展到低温等离子体及其化学方面的应用。1.1 等离子体的定义
在19世纪初，物理学家就已经开始探索和研究是否存在物质的第四态。1835年，法拉第（Faraday）利用低压放电管观察到低压气体的辉光放电现象；1879年，克鲁克斯（Crookes）研究了真空放电管中电离气体的性质，首次提出了物质第四态的存在；1927年，朗缪尔（Langmuir）在研究水银蒸气的离子化状态时第一次引入“Plasma”这个术语，并首次把电离气体称作“等离子体”。
等离子体是由带电的正粒子、负粒子（其中包括正离子、负离子、电子、自由基和各种活性基团等）组成的集合体，其中正电荷和负电荷电量相等故称等离子体。它们在宏观上是呈电中性的电离态气体（也有液态、固态）。一般来说，等离子体（Plasma）是气体电离产生大量带电粒子（电子、离子）、中性粒子（原子、分子）所组成的体系，又被称为气、液、固三态之外的第四态物质，如图1-1所示。等离子体具有以下基本特点。图1-1 等离子体——物质的第四态
①导电性 由于自由电子和带正、负电荷的离子的存在，因此等离子体具有很强的导电性。
②电准中性 虽然等离子体内部具有很多带电粒子，但是在足够小的空间和时间尺度上，粒子所带的正电荷数总是等于负电荷数，所以称为电准中性。
③与磁场的可作用性 由于等离子体是由带电粒子组成的电导体，因此可以用磁场来控制它的位置、形状和运动轨迹，例如电弧的旋转、电弧的稳定以及电弧熄灭等现象，与此同时带电粒子的集体运动又可以产生电磁场。
④气氛可控 改变等离子体的工作气体可以形成氧化性、中性或还原性气氛以满足工业和技术上的不同需要。1.2 等离子体的分类
等离子体包括等离子体物理、等离子体化学以及等离子体科学或等离子体工程等，是一门交叉学科，在其发展的不同阶段和从不同的研究角度，它的分类方法也不同，如表1-1所列。表1-1 等离子体的分类方法注：1atm=101325Pa。
表1-2对上述低温等离子体发生方法的装置原理和结构进行了比较。表1-2 典型低温等离子体发生装置原理和结构1.3 等离子体的基本参量及等离子体判据
等离子体的状态主要取决于它的组成粒子、粒子密度和粒子温度。因此可以说，粒子密度和温度是它的两个基本参量，其他一些参量大多与密度和温度有关。1.3.1 粒子密度和电离度
组成等离子体的基本成分是电子、离子和中性粒子。通常，以ne表示电子密度；n为离子密度；n表示未电离的中性粒子密度。为方ig便起见，当n=n时，可以用n表示二者中任意一个带电粒子的密度，ei简称为等离子体密度。
如果都是一阶电离，则n=n，氢等离子体就是这样。然而，一ei般等离子体中可能含有不同价态的离子，也可能含有不同种类的中性粒子，因此电子密度和离子密度并不一定总是相等的。不过在大多数情况下，所讨论的主要是一阶电离和含有同一类中性粒子的等离子体，故可认为n≈n，这时电离度α可定义为：eiα=n/（n+n） （1-1）eeg
热力学平衡条件下，电离度仅与粒子种类、粒子密度和温度有关。1.3.2 电子温度和粒子温度
在热力学平衡态下，粒子能量服从麦克斯韦分布。单个粒子平均动能KE与热平衡温度的关系为：2KE=mv/2=3kT/2 （1-2）式中 m——粒子质量；
v——粒子的根均方速度；
T——粒子的温度；
k——玻尔兹曼常量。
等离子体中不只有一种粒子。虽然当带电粒子的库仑相互作用位能远小于热运动动能时，便可以认为各种粒子在热平衡态也服从麦克斯韦分布。但是，不一定有合适的形成条件和足够的持续时间来使各种粒子都达到统一的热平衡态。因此也就不可能用一个统一的温度来描述。在这种情况下，按弹性碰撞理论，离子-粒子、电子-电子等同类粒子间的碰撞频率远大于粒子-电子间的碰撞频率。同类粒子的质量相同，碰撞时的能量交换最有效。因而，将会是每一种粒子各自先行达到自身的热平衡态，且最先到达热平衡态的应是最轻的带电粒子，即电子。这样，就必须用不同的粒子温度来描述了。
依据等离子体的粒子温度，可以把等离子体分为两大类，即热平衡等离子体和非热平衡等离子体。1.3.3 德拜长度
德拜（Debye）长度是等离子体的另一个重要参数。等离子体中存在带电粒子，如果在等离子体中施加电场，带电粒子将起到降低电场影响的作用。这种降低局域电场影响的响应，即等离子体对内部电场产生的空间屏蔽效应，称为德拜屏蔽。德拜屏蔽是等离子体保持准电中性的特性。假设在浸入等离子体的两个表面上施加电压，表面将吸引等量的异性带电粒子。两个表面附近积累的带电粒子将屏蔽带电表面，使等离子体保持电中性。这时外加电压将集中在电极表面附近的λ距离中，λ称为德拜长度，定义如下：DD （1-3） 式中 ε——真空介电常数；0
k——玻尔兹曼常量；
T——电子温度；e
n——电子密度；e
e——电子电量。
在低温等离子体中，德拜长度为74μm。对于日光灯辉光放电等离子体，德拜长度在0.01nm左右，而宇宙空间等离子体的德拜长度大致为2～30m。1.3.4 等离子体鞘层
等离子体虽然是准电中性的，但当它们与器壁相接触时，它们与器壁之间会形成一个薄的正电荷区，不满足电中性的条件，这个区域称为等离子体鞘层，如图1-2所示。图1-2 等离子体鞘层
鞘层的形成过程如下：考虑一个宽度为l、初始密度为n=n的等ie离子体，被2个（ф=0）接地的极板包围，这两个极板都具有吸收带电粒子的功能，由于净电荷密度ρ=e（n-n）为零，在各处的电势фie和电场E都为零，如图1-3（a）所示。x图1-3 鞘层的形成
由于电子的热运动速度是离子热运动速度的100倍以上，等离子体中的电子可以迅速到达极板而消失。经过很短的时间后，器壁附近的电子损失掉，形成一个很薄的正离子鞘层，如图1-3（b）所示。在鞘层和等离子体之间存在一个准中性区域称为预鞘层。跨越等离子体鞘层的电位称为鞘电位V，如图1-4所示。只s有具有足够高热能的电子可以穿过鞘层而到达表面（器壁、被处理材料等），使表面相对于等离子体为负电位，从而排斥电子。鞘电位的值随之不断调节，最终使到达表面的离子通量与电子通量相等。图1-4 鞘电位与粒子密度
由于等离子体鞘层是一个正电荷区，几乎不存在电子，因此，可以将电子密度忽略且将鞘电位下降区域的厚度定义为等离子体鞘层厚度d。等离子体鞘层厚度与德拜长度有关，也取决于等离子体中的碰s撞平均自由程和器壁表面上施加的偏压。1.3.5 等离子体频率
从宏观看虽然等离子体是准中性的，但是可能出现某种破坏电中性的局部扰动。由于电子质量小，电子对这种扰动产生的电场力的响应比离子快，会立即响应，向着使空间电荷中和的方向移动。由于惯性作用，会越过平衡位置，进而再次向平衡方向返回。这是一种振荡过程，称为等离子体振荡，如图1-5所示。电子的振荡频率称为等离子体频率或朗缪尔频率ω，由下式给出：p （1-4） 图1-5 等离子体振荡式中 n——电子密度；e
e——电子电荷；
m——电子质量；e
ε——真空中的电介质常数。0
等离子体频率反映了等离子体对其内部发生电场而产生屏蔽作用103的时间响应尺度。对于典型的等离子体密度10个/cm，等离子体频8率为9×10Hz，远高于常用的产生并维持等离子体射频放电的电源频率13.56Hz。1.3.6 沙哈方程
等离子体中，在产生电离的同时还存在着电子和离子重新复合成中性离子的过程。实际应用中，通常等离子体中的带电离子与中性气体分子、固体分子，有时甚至与液体发生强烈的相互作用。当热能施加于气体，它会越来越高度电离。在许多低压气体中，离子、电子和中性气体处于各自不同的动力学温度上，其混合体距热平衡甚远，必要条件是所有粒子在共同温度上，在这样的等离子体中，必须从微观动力学来计算电离组分。
一些等离子体，包括工作在一个大气压的直流弧和射频等离子体，是处于或近于热平衡的，在此状态下，电子、离子和中性气体的温度是相同的。在这些条件下，由中性气体完全电离成等离子体状态的转变可由沙哈方程来描述，这是由印度天体物理学家Meghnadsaha所推导的，此方程表明电子、离子和中性密度（n）之间的关系：0 （1-5） 式中 h——普朗克（Planck）常量；
T——三种粒子的共同热动力学温度；
g——原子的电离电位；i
g——离子基态的统计权重；0
g/g——中性原子基态的统计权重，碱性金属等离子体的比值约i0为0.5，其他气体约为1的量级；——粒子电离电位。1.3.7 等离子体的时空特征限量
等离子体的电中性有其特定的空间和时间尺度。德拜长度是等离子体具有电中性的空间尺度下限。也就是说等离子的电中性是在等离子体的容积比德拜长度λ充分大时才成立，在小于德拜长度的空间范D围，处处存在着电荷的分离，此时，等离子体不具有电中性，这是有别于普通气体的。
电子走完一个振幅（等于德拜长度）所需的时间τ可看作是等离p子体存在的时间尺度下限。在任何一个小于τ的时间间隔内，由于存p在等离子体振荡，因而体系中任何一处的正负电荷总是分离的，只有在以大于τ的时间间隔的平均效果来看，等离子体才是宏观中性的。p
τ是描述等离子体时间特征的一个重要参量。如果由于无规则热p运动等扰动因素引起等离子体中局部电中性被破坏，那么等离子体就会在量级为τ的时间内去消除它。换言之，τ可作为等离子体电中性pp成立的最小时间尺度。1.3.8 等离子体判据
等离子体作为物质的一种聚集状态必须要求其空间尺度远大于德拜长度，时间尺度远大于等离子体响应时间，在此情况下，等离子体的集体相互作用才起主要作用。在较大的尺度上正负电荷数量大致相等，满足所谓的准中性条件。此时对于德拜长度λ的导出要使用体积D分布规律。这只有在德拜球内存在大量带电粒子时才允许。
带电粒子与中性粒子之间的相互作用形式只有近距离碰撞这一种形式，可以用碰撞频率ν表示其相互作用的强弱。带电粒子之间的en相互作用可以用库仑碰撞频率ν和等离子体频率ω来表示。eep1.4 辉光放电
辉光放电（glow discharge）就是在街头的霓虹灯中所看到的发出非常柔和的光的放电。它是一种稳态的自持放电，因放电时管内出现特有的辉光而得名。
辉光放电是气体放电现象的一种重要形式，也是一种常用的放电类型。大多数气体激光器就是利用辉光放电的正柱区作为活性介质工作的，冷阴极荧光灯、霓虹灯、原子光谱灯等气体放电也是利用辉光放电来实现发光的。离子管的稳压管、冷阴极闸流管等是利用辉光放电原理制成的。此外，在各种物理电子装置和微电子加工中也广泛应用到辉光放电，如离子束装置中的冷阴极离子源，半导体工艺中的等离子体刻蚀，薄膜的溅射沉积和等离子体化学气相沉积等。
如图1-6所示，当电压增加到击穿电压V时，放电管着火，电流s迅速增长，在外电路电阻的限流作用下，放电稳定在正常辉光放电区，这时沿着存在有电场的管轴方向，放电管发光的空间呈现明暗相间的光层分布，分成图1-6（a）所示的5个不同区域，即阴极区（cathode space）、负辉区（negative glow space）、法拉第暗区（Faraday dark space）、正柱区（positive column space）和阳极区（anodes pace）。不同区域中，其发光强度、电位、电场强度、空间电荷和电流密度以及气体温度的分布大小不同，具体分布见图1-6（b）～（i）。图1-6 辉光放电的外电路分布Ⅰ—阴极区；Ⅱ—负辉区；Ⅲ—法拉第暗区；Ⅳ—正柱区；Ⅴ—阳极区1.4.1 阴极区
这个区域也称为阴极位降区或暗区，在阴极与a之间（图1-6），占有管压降的大部分，是维持放电必不可少的区域。仔细观察阴极暗区时，会发现靠近阴极有一发光弱的膜，称为阴极辉光。在像He、Ne那样的激发电压高的气体情况下，可以辨认出在阴极辉光和阴极之间还存在一个很窄的暗区。结果，阴极辉光将阴极区分割成两部分，即阴极暗区是从阴极面开始由阿斯顿（Ahton）暗区、阴极辉光区、克鲁克斯（Grookes）暗区三个部分组成。
①阿斯顿暗区 是紧靠阴极的一层很薄的暗区，在该区域电子刚从阴极逸出，受电场加速很小，从电场获取的能量不足以激发原子，所以不发光。
②阴极辉光区 经过阿斯顿暗区后，电子从电场获得的能量已足以使原子激发，受激原子通过辐射跃迁，或外部进入的正离子向阴极移动，而在空气中形成微红色或橘黄色的辉光。阴极辉光区的正电荷密度很高。阴极辉光区的大小取决于气体的性质和充气压的高低，在多数情况下，阴极辉光紧贴在阴极上掩盖了阿斯顿暗区。
③克鲁克斯暗区 在克鲁克斯暗区中，电子被加速到具有足以使气体电离的能量，产生大量带电粒子的电离区。这时，一方面开始产生电子碰撞电离；另一方面由于电子的激发截面随电子能量的增加而减少，激发过程相对减弱，光辐射也减弱，特别是与阴极辉光相比光强变弱。1.4.2 负辉区
负辉区为ab之间（图1-6），这一区域发光最强，与阴极暗区有明显分界，但与法拉第暗区之间是逐渐过渡的。它是放电空间光强最强的区域，也是正负电荷密度最大而且接近相等的区域，也称等离子体区。进入该区的电子分为两组：一是快速电子，从阴极中发出的电子在阴极区内被加速后电子会引起大量分子激发与电离；二是慢速电子，由于多次非弹性碰撞电离产生的大量低能电子也进入该区，因此形成很强的负空间电荷。负电荷的作用使电子运动速度减慢，从而使激发概率增加，发光增强。另外，这里等离子体、带电粒子的密度高，而电场却极低，所以，慢速电子与从暗区扩散过来的慢速正离子有较多的复合概率，这种复合也以发光的形式释放电离能，在阴极暗区和负辉区的交界面上，复合最为频繁，所以发光特别强。1.4.3 法拉第暗区
法拉第暗区为bc之间（图1-6），它是一个过渡区，电子的能量已在负辉区全部消耗在碰撞电离上，故该区域的电场很弱，激发和复合的概率都比较小，所以发光较弱，但比克鲁克斯暗区和阴极辉光区亮得多。1.4.4 正柱区
正柱区也称正辉区，为cd之间（图1-6）。在法拉第暗区中频繁碰撞使电子的运动方向不断改变，能量不断再分配，速度逐渐接近麦克斯韦分布规律，也就是说大部分电子的能量小于5eV，大于10eV的高能电子是很少的。其中一部分能量较高的电子能够引起其他的激发和电离，从而逐渐过渡到明亮的正柱区。在此区域中，电子和离子密10123度很大（一般为10～10个/cm）而且相等，在宏观上呈现电中性，是等离子体区，电子能量1～2eV，等离子体颜色呈粉红色至蓝色。由于等离子体区的带电粒子密度很大，导电能力强，因此起着传导电流的作用。
在正柱区轴向电位梯度很小，带电粒子的不定向运动占优势。在稳定放电情况下，由于复合和扩散的损失，为了稳流，就必须依靠外电场的作用来恢复电子原有的速度和能量分布，从而补充减少的带电粒子。1.4.5 阳极区
它包括阳极辉区和阳极暗区。由于电子迅速向阳极运动，因此有比正柱区较高的电场强度。另外，它与外电路的电流大小有关。电子加速区，根据外电流大小，阳极相对于正柱区的电势可正可负。如果外电流超过电子热运动的随机电流，则阳极的电势比正柱高，出现正阳极位降，反之，出现负阳极位降。在正阳极位降足够高时，引起激发和电离，通过阳极暗区的电子受到加速，这时阳极表面形成阳极辉光区。
从图1-6可知，各亮区发光强度，以负辉区最亮，正柱区次之，阴极区最弱。阳极辉光是否出现，及其发光强弱与放电条件等有密切关系。辉光放电外貌与气体种类、压强、放电管尺寸、电极材料及形状大小、极间距离等有关。可以发现，改变两电极之间距离时，阴极区和负辉区将不受影响，而正柱区随之变化。若不断减少距离，最大正柱区、法拉第暗区可以完全消失。但负辉区和克鲁克斯暗区必须保留，否则放电即熄灭。由图1-6（d）所示电场分布可知，阴极附近电场强度最大，阴极区带电粒子的运动主要是定向运动，沿阴极区到负辉区几乎直线下降，在法拉第暗区达到电场的最小值，然后在整个正柱区中保持常数，带电粒子在正柱区形成等离子体，在阳极附近有所增加。1.5 电弧放电
电弧放电是气体放电的一种重要形式。对于电弧放电现象的研究已有200多年的历史，最早记录的是英国化学家戴维（1810年左右）利用伏特电池组在两个水平碳电极之间产生的放电，因碳电极之间的发光部分向上弯曲并呈拱形而将其命名为电弧（arc）。早期主要研究电弧的伏安特性，20世纪30年代后，随着实验技术的改进，开始建立起电弧放电的理论模型。
电弧放电的用途很广。根据电弧放电的高温特性，可用于对难熔金属进行切割、焊接和喷涂；利用其发光特性，可用来制造高亮度、高光效的放电灯，如高压汞灯、高压钠灯、金属卤化物灯等；利用其电流密度大、阴极位降低的特性，可制造热阴极充气管（如闸流管、整流管）和汞弧整流器；在固体和气体激光器中，可应用电弧放电作为泵浦源；还可用电弧放电法原位清洗光学元件。在某些场合，电弧是有害的，需采取措施灭弧，比如高气压脉冲激光器中要求大体积的均匀辉光放电，不允许产生电弧放电。1.5.1 电弧放电的基本性质和特征
从气体放电伏安特性曲线可知，利用减小外电路电阻增加辉光放电中的电流强度，起初只是阴极发射电子的面积增大，而电极间电压保持不变（正常辉光放电情况）。到反常辉光放电后，如果电流继续增加，极间电压经过一个最大值后急剧下降，并过渡到低电压、大电流放电，这就是电弧放电。
对于电弧放电，给出严格的定义比较困难。但是从放电的电特性来看，电弧放电是一种阴极位降低、电流密度大、温度和发光度高的气体放电现象。
电弧放电有以下几个特征。62
①电流密度大 电弧放电正柱区的电流密度可达10A/m或更6102高，阴极位降区的电流密度为10～10A/m，而辉光放电的电流密2度为10～100A/m。
②阴极位降低 一般来说，电弧放电的阴极位降量级为10V，而辉光放电的阴极位降量级为100V。一般情况下，电弧放电的阴极位降远远低于辉光放电的阴极位降。不过也有例外，如高气压的长弧放电管，其总压降可高达千伏以上。
③温度和发光度高 电弧放电时呈现弧状白光并产生高温。尤其是高气压电弧的正柱区，发光度非常高，这个特性已被用来作为照明光源。1.5.2 电弧的分类5
①按气压分类，有高气压电弧（p>10Pa）、低气压电弧5（1Pa ②按阴极电子发射机理的差异划分，有自持热阴极电弧、自持冷阴极电弧、非自持热阴极电弧。自持热阴极电弧放电来自等离子体的热负载导致阴极高温，在阴极上产生强烈的热电子发射；自持冷阴极电弧放电又称场致发射，基于阴极表面强电场的隧道效应引起冷电子发射；非自持（人工）热阴极电弧放电，从外部人为地把阴极加热至高温，引起热电子发射。 ③按不同弧长划分，有长弧和短弧。长弧中弧柱起重要作用；短弧长度在几毫米以下，阴极区和阳极区起主要作用。 ④按电弧的稳定形式划分，有管壁稳定电弧、自由电弧（对流稳定与电极稳定）、气流稳定电弧。 ⑤按气体的种类划分，有氩弧、氢弧等。 ⑥按电极材料划分，有炭弧、铜弧等。 ⑦按电源划分，有直流电弧和交流电弧。1.5.3 电弧的启动 电弧放电与辉光放电不同。电弧放电具有低电压、高电流密度的特征，而辉光放电的特征却是高电压、低电流密度。要完成这两种不同放电间的过渡，与如何启动电弧有直接关系。启动电弧通常有4种办法。（1）电极相互接触后迅速分离的方法启动电弧。 把两个电极接触，随即分开，只要回路电压足以维持放电，就可以启动电弧。 如果有一个或两个电极可移动，当两个电极之间加上一定的电压后，让两个电极接触。假如电极是高熔点材料，则电路短路时的大电流流过电极之间的接触点，使接触点温度升高。在电极分离的瞬间，两个电极之间既存在电场作用，又能使阴极产生热电子发射，因而形成了电弧。假如阴极是低熔点材料，则短路时的大电流流过电极之间的接触点使阴极材料发热而强烈蒸发，阴极表面附近蒸汽密度可以增加得很高，在电极分离的瞬间，就形成了由于场致发射而产生的电弧。 如果两个电极都不能移动，则可以外加一个金属或石墨小棒作为辅助电极，使之与阴极接触后迅速分离，在辅助电极与阴极之间先产生电弧，然后再使电弧过渡到两个主要电极之间。（2）改变辉光放电的放电条件，使之向电弧过渡。 促使辉光放电向电弧放电过渡有两种办法。一是在一定的电流下，2增加气压。由于j∝p，所以气压的增加会使阴极区域里的电流密度和电位梯度增加，使阴极上出现局部加热，在一定的电流下，可以使辉光向电弧过渡。实验也证实，如果把阴极冷却或利用非常纯而清洁的阴极，可以抑制放电的过渡。二是在一定的气压下，增加放电电流。这从放电的伏安特性就可以清楚地看到，也就是通过反常辉光放电过渡到电弧放电的过程。通常采用减小外电阻的方法来增加放电电流。（3）在电压不很高的情况下，应用预电离使气体击穿形成电弧。 预电离是指在气体击穿前，用辅助电离源来产生一定数目的带电粒子，以使气体击穿电压明显下降。产生预电离的电离源可用紫外光照射；可以将放射性物质靠近希望发生弧光放电的气体，使射线引起气体电离；可以用高频火花在电极间产生必须的带电粒子数。（4）在两个电极间外加一个足以使放电间隙击穿的电压，这样就可以形成一个火花而转成稳定的电弧放电。1.6 火花放电 火花放电与辉光放电和电弧放电截然不同，它是一种不连续性的放电现象。在放电间隙会出现曲折而有分枝的细丝，并发出强闪光和破裂声，而且放电的火花通道常常会在没有到达对面电极前就在间隙内的任何地点终止，是一种不稳定的持续放电状态，它只能暂时的存在，具有称为火花的明显特征。1.6.1 火花放电的特征 与辉光、电弧放电不同，火花放电表现出放电通道的不连续性，而且在火花放电时，整个放电间隙的横截面上放电的等离子体是不均匀的，它的电状态是不稳定的。正由于放电现象的不连续性和外观的不均匀性，要对火花放电的机理进行定量的研究就比较困难。 根据火花通道的亮度和对它发出能量的测定表明，火花通道里的4气体温度可达10K，能使气体热电离；火花通道中的压强也可以达到很高的数值，高压强区域的迅速形成和它在气体中的移动是一种爆炸性的现象，这就是伴随着火花放电而发出爆炸声响的原因。在高电容火花放电时，发声效应是连续的剧烈的冲击或小的爆炸。自然界的闪电也是一种火花放电，其发声效应就是雷鸣。-8-6 火花放电的维持时间为10～10s，所以人们都用快速照相技术来研究火花通道的发展过程，以了解它的性质。1.6.2 火花放电的形式 火花放电有多种形式，如电弧火花、辉光火花、滑动火花等。电弧火花的通道在外形上显现出高气压电弧放电正柱的清晰轮廓，而辉光火花像辉光放电正柱一样，它的轮廓比较模糊，而滑动火花则沿着固体介质（玻璃、硬橡皮）和气体的界面间发生。还有如电火花放电，它是一种在间隙较小的空间里进行的高频电容放电。 实验发现火花有从正电极发展出来的火花通道和从负电极发展出来的火花通道，也有从电极中间任意一点开始的火花通道，它们各有不同的形态。1.6.3 流注 从云雾室照相结果可以看到，在火花放电的阳极附近存在着电离粒子的大量积聚，其电离程度大大超过电子雪崩中的电离程度，这种高度电离区域的形成及其迅速传播的特征称为流注或流光。 实验结果显示，由于非均匀电场中流注发展的不规则性，每次放电的形状、外貌都不相同。但有一点是相同的，即放电中流注发展的-8速度增长得非常迅速，约为10s。在一个放电间隙为20cm的实验中，观察到在开始的3cm流注走了3μs，而后面的17cm流注只走了0.9μs，5即流注的最后速度已增大到10m/s。 流注有正流注和负流注，这是以流注的起始地点进行区分的。 正流柱是在起始雪崩的头部到达阳极后从阳极向阴极发展的。在电子雪崩沿着电力线呈直线传播时，正流注却会离开阳极沿着曲折的5常常呈分歧的路径进展。通常电子雪崩传播的速度为1.25×10m/s，6而实验测得正流注扩展的速度可达到（3～4）×10m/s，可见正流注扩展的速度要大于电子雪崩扩展的速度，也大于在同样条件下电子在气体中可能移动的速度。当正流注到达阴极、阴极和阳极诸通道接通时，在阴极上同电离了的气体通道相接触的地方形成光亮的阳极斑78点，同时，强烈的电离脉冲以极大的速度（10～10m/s）沿着通道穿过，这样使充满正离子的流注通道转变成为明亮发光的主火花通道。 同样，从阴极向阳极发展的流注称为负流注。 实验还发现，在阳极和阴极的放电间隔中，任何地点发生的流注都能够发展成火花放电。1.7 电晕放电 和电弧放电、火花放电相比，电晕放电可能是人类最先观测到的电现象。 最早，在桅杆顶端的周围看到一种光晕现象，曾一度被认为是一样不属于这个世界的东西，因为它似乎是一种深不可测的幻觉，看起来就像国王头上的王冠。电晕（Corona）这个称呼也因此得名，其原意就是发光的环冠。 今天，电晕放电可能是工业上最重要的一种放电形式。因为它是一种结构相对简单、利用电能直接可以在大气压下产生等离子体的气体放电方式。利用电晕放电可以实现静电除尘、废气处理以及半导体测量方面的应用。1.7.1 电晕放电的定义 电晕放电有时称为单级放电，发生在处于电击穿点之前的电气上受压状态的气体在尖端、边缘或丝附近的高电场区，在其他电场弱的地方不发生电离，只产生局部的放电，即局部破坏，是汤森暗放电的一个特征现象。在电极周围产生暗辉光，称为电晕放电。1.7.2 电晕放电的特征 电晕放电属于自持放电。电晕放电的电压降比辉光放电大（千伏数量级），但是放电电流较小（微安数量级），往往发生在电极间电场分布不均匀的条件下。若电场分布均匀，放电电流又较大，则发生辉光放电现象；在电晕放电状况下如提高外加电压，而电源的功率又不够大，此时放电就转变成火花放电；若电源的功率足够大时，则电晕放电可转变为电弧放电。 电晕放电的一个特点是在放电过程中出现特里切尔（Trichel）脉冲。这是因为电晕放电发生在电场极度不均匀的情况下，当外加电压及其产生的电场还较低时，电极曲率半径很小处已经达到甚至超过了气体击穿的临界电场，发生自持放电。但是，在离电极稍远处，电场强度已经很低，空间电荷的屏蔽作用会阻止放电的继续发展，形成Trichel脉冲。 如图1-7所示，电晕放电有几种不同的形式，其依赖于电场的极性与电极的几何形状。对于针-板电极产生的正电晕来说，放电始于爆发式脉冲电晕，随着电压的提高，继而发展为流光电晕、辉光电晕和火花放电；而对于同样几何形状的负电晕来说，起火形式为Trichel脉冲电晕，然后在同样的条件下可转化为无脉冲电晕和火花放电。交流电晕则有不同的放电形式和发展方向。交流放电是指在交变电压条件下，曲率半径大的电极附近交替出现正电晕和负电晕。它会产生无线电频率的电磁波和显著噪声。这是不稳定电流产生的流光迭代效应。图1-7 电晕放电的不同形式1.7.3 电晕放电的分类 电晕放电具有很多种类。按电源提供的电压类型划分，分为直流电晕、交流电晕、高频电晕和脉冲电晕；按发生电晕的电极极性划分，分为正电晕和负电晕；按出现电晕的电极数目划分，分为单极电晕、双极电晕和多级电晕；按照气压可分为低气压电晕、大气压电晕、高气压电晕等。 作为典型的非均匀电场，考虑针对平板电极时，不论是正电压还是负电压，不论放电的外观和特性都不相同，前者对应的电晕称为阳极电晕或正电晕，后者对应的电晕称为阴极电晕或负电晕。1.8 介质阻挡放电 介质阻挡放电是有绝缘介质置于放电空间的一种气体放电。通常情况下，介质覆盖在电极上或者悬挂在放电空间里。介质阻挡放电可以在大气压产生低温等离子体，在环境保护、材料处理、新光源开发等工业领域具有广泛的应用前景。1.8.1 介质阻挡放电基本概念1.8.1.1 介质阻挡放电基本原理 典型的介质阻挡放电的电极结构如图1-8所示。电极和间隙结构可以是平面形的。也可以是同轴圆柱形的。图1-8（a）是很常用的放电电极构型，可以用来制造臭氧发生器，其特点是结构简单，而且可以通过金属电极把放电产生的热量散发掉。图1-8（b）的特点是放电发生在两层介质之间，可以防止放电等离子体直接与金属电极接触，对于具有腐蚀性的气体或高纯度等离子体，这种构型具有独特的优点。图1-8（c）可以在介质两边同时生成两种成分不同的等离子体。在电极间放置介质可以防止在放电空间形成局部火花或弧光放电，而且能够形成通常大气压强下的稳定的气体放电。图1-8 典型的介质阻挡放电的电极结构 介质阻挡放电是将绝缘介质插入放电空间的一种气体放电形式，其工作气压范围很宽，在大气压下产生稳定的低温等离子体。在臭氧生成、材料表面改性、杀菌消毒、新型光源、薄膜沉积、电磁波屏蔽、环境保护等工业领域具有广泛的应用前景。 当在放电电极上施加足够高的交流电压时，电极间的气体，即使在很高的气压下也会被击穿而形成介质阻挡放电。介质阻挡放电通常表现为均匀、漫散和稳定的放电，貌似低气压下的辉光放电，但它是由大量细微的快脉放电通道构成的。通常放电空间的气体压强可达510Pa或更高，所以这种放电属于高气压下的非热平衡放电。这种放电也称为无声放电，因为它不像空气中的火花放电那样会发出击穿响声。 当电极上施加正弦波电压时，介质阻挡放电的微放电电流如图1-9所示。介质阻挡放电能够在很大的气压和频率范围内工作，常用46的工作条件是气压为10～10Pa、电源工作频率为50Hz～1MHz介质阻挡放电可以用频率从50Hz级的电源来启动。在大气压强条件下这种气体放电呈现微通道的放电结构，即通过放电间隙的电流由大量快脉冲电流细丝组成。电流细丝在放电空间和时间上都是无规则分布的，这种电流细丝就称为微放电，每个微放电的时间过程都非常短促，寿22命不到10ns，而电流密度却可高达0.1A/cm～1kA/cm。圆柱状的细丝半径约为0.1mm。在介质表面上微放电扩散成表面放电，这些表面放电呈明亮的斑点，其线径约几毫米。透过透明电极拍摄到的微放电通道在介质表面上形成的斑点照片如图1-10所示。放电条件如电源电压、频率、放电间隙宽度、放电气体组成、介质的材料及厚度等的不同会导致放电通道微观及宏观上的变化。图1-10中的两张照片就是在不同的放电条件下拍摄到的。图1-9 介质阻挡放电的微放电电流示意图图1-10 微放电通道在介质表面形成的斑点照片 研究表明，丝状放电并不是介质阻挡放电在大气压下的唯一表现形式，在一定条件下介质阻挡放电也可以表现为均匀、稳定的无细丝出现的放电模式，被称为大气压均匀介质阻挡放电或大气压辉光放电。1988年，日本的Kanazawa等报道了一种在大气压惰性气体中产生均匀稳定介质阻挡放电的方法，随后这一课题受到世界各国研究者的广泛关注。一些研究者先后在氦气、氩气、氖气、氮气等气体以及这些气体的混合气体中实现了均匀介质阻挡放电，并通过电学参数测量、发光图像拍摄和数值模拟等手段研究了它们的特性。然而这些研究主要集中在大气压惰性气体和氮气中，其中惰性气体的价格昂贵，而氮气作为工作气体时，需要密闭的工作环境。因此，最适合大规模工业应用的便是空气中实现的均匀介质阻挡放电。近年来空气中均匀介质阻挡放电的产生及特性研究成为热点。 介质阻挡放电的物理过程通常分为放电的击穿、电荷的传递、分子或原子的激发三个阶段。放电的击穿发生在纳秒量级，放电的击穿和电荷的传递过程可以形成微放电，在微放电形成的初期主要是电子在外加电场的作用下获得能量，与周围的气体分子发生碰撞，使气体分子激发电离，从而生成更多的电子，引起电子雪崩，形成微放电通道。 在微放电的后期即伴随着大量的化学反应。在微放电的后期开始有部分原子或分子发生了激发，形成了一些离子、自由基等活性粒子。部分处于激发态的电子具有较高能量，这些电子可以通过碰撞传递能量并激发分子或原子、准分子等粒子。这使得在通常条件下很难得到的自由基、离子、激发态分子或原子、准分子等粒子能在等离子体中大量存在。 微放电产生的物理过程可以如下描述：电源电压在电介质的电容耦合下在放电区域形成空间电场，在此区域内的空间电子获得电场能量而加速运动，在运动过程中与周围的气体分子发生非弹性碰撞。同时将能量传递给气体分子，被激励后的气体分子发生电子雪崩，同时产生相当数量的空间电荷，这些电荷聚集在雪崩头部而产生本征电场，这个电场和外电场叠加后共同对电子产生影响，高的局部本征电场使雪崩中的电子进一步加速向阳极逃逸，它们的逃逸引起击穿通道向阳极传播。一旦这部分空间电荷到达阳极，在那里建立的电场会向阴极方向返回，有一个更强的电场波向阴极方向传播，于是在放电空间形成来回往返的电场波。在电场波的传播过程中，原子和分子进一步得到电离，并激励起向阴极方向传播的电子反向波。这样的导电通道能非常快地造成气体犹如火花放电的流光击穿。在形成的等离子体中含有高能电子、离子、激发态分子及激发态原子等，这些粒子构成了对材料表面改性的能量基础。1.8.1.2 介质阻挡放电的应用 由于介质阻挡放电等离子体可以在大气压或高于大气压的条件下产生。不需要真空设备就能在较低的温度下获得化学反应所需的活性粒子，具有特殊的光、热、声、电等物理过程及化学过程，因此已经在臭氧合成、高功率CO激光器、大功率紫外及真空紫外光源、材料2表面改性、大面积等离子平板显示器、污染控制等领域获得了广泛的应用。 介质阻挡放电已经成功应用于工业臭氧生产大约有100年。近十几年特别是近几年，介质阻挡放电在国内许多领域进行了广泛的应用，各个领域对这种放电方式的研究也方兴未艾。（1）臭氧合成 臭氧是一种十分重要的化工原料，它的氧化性仅次于氟，利用介质阻挡放电产生臭氧是非热平衡等离子体的一种重要应用。自20世纪法国和俄罗斯首先建成了大型的臭氧发生器用作饮用水处理以来，至今全世界已经有大约2000个饮用水处理工厂采用介质阻挡放电臭氧发生装置。原理为在外加交流高电压的作用下，放电区域中的高能电子轰击氧分子使其分解氧原子。氧原子与氧分子在第三方粒子的参与下碰撞聚合成臭氧。同时，氧原子、高能粒子也同臭氧反应形成氧气。 臭氧发生器多种多样，从装置的几何结构来看，可分为3种基本形式。 ①圆管式臭氧发生器 这种发生器一般使用长度为1～2m的圆形玻璃管作为电介质阻挡层，在玻璃管的内外两侧安装同心的环状电极，玻璃管外侧与外电极之间留有1～2mm的环形气隙，放电电极间通常施加激励频率为50～1000Hz、激励电压为5～20kV的交流电，臭氧的合成就在这个环形气隙内进行，这也是目前工业臭氧发生器的主要形式。 ②平板式臭氧发生器 与圆管式臭氧发生器不同，该发生器采用平板电极替代了管式电极，在电极的一侧或两侧用喷涂或粘贴的方法插入厚度为0.2～1.0mm的非玻璃电介质薄层，并留0.1～0.5mm的放电间隙。放电电极间通常施加的激励电压为1～10kV，激励频率为5～10kHz，臭氧的合成同样在放电间隙内完成。由于这种形式的臭氧发生器能够获得高浓度臭氧，同时又具有很高的效率，因此在臭氧发生领域具有极大的发展前途。 ③沿面臭氧发生器 该发生器分为圆管式和平板式两种，其特点是两放电电极分别涂覆在电介质的两个表面，电介质的厚度一般为1.0mm，材料通常为氧化铝陶瓷。电源激励电压一般为5～10kV，电源激励频率为5～15kHz，臭氧的合成发生在高压电极的表面。该发生器的结构比较简单，便于散热，但存在金属电极损耗问题，一般仅在小型臭氧发生器中使用。控制和优化放电条件，对臭氧的生成效率具有重要的影响。在供气成分和能量密度一定的情况下，可以通过改变气压、放电空间的宽度、介质的性质以及供气系统等参数来优化臭氧的生成条件。（2）高功率CO激光器2 在介质阻挡放电臭氧发生器研究的基础上，亚吉（Yagi）和他的合作者们研制出了用介质阻挡放电激励的CO激光器。这是一种高能2量的红外激光器（10.6μm），可用于精细焊接和厚金属板切割。不久这种激光器就得到了大规模的商业应用。 介质阻挡放电之所以能够用来激励CO激光器是与它独特的性质2分不开的。介质阻挡放电中的电介质有效地限制了放电电流的无限增长，避免了在高气压下形成电弧放电或火花放电，起到了镇流作用，从而提高了放电的稳定性，提高了光束输出质量，而且省去了镇流电阻，降低了激光器能耗，提高了其运行效率。同时电介质也避免了阴极溅射污染工作气体，提高了激光器的寿命。再者，介质阻挡放电工作在高频电源下，可以通过调整高频时控开关器件来调制激光器功率，这样使激光器装置结构更加紧凑，便于应用。由此可见，介质阻挡放电激励大功率CO激光器远远优于传统CO激光器，目前已形成22一种明显的发展趋势。（3）紫外准分子辐射 准分子是一种不稳定的分子，在纳秒期间即可衰变到基态，而基态是排斥态，其激发能级以紫外和真空紫外辐射的方式释放，常见的准分子为惰性气体准分子、惰性气体和卤族元素的双原子或三原子准分子。由于准分子的形成是一种三体碰撞过程，因此多半在高气压放电条件下形成，常用的激励手段是快脉冲放电和粒子束激励。 近些年来，随着介质阻挡放电的发展，利用其驱动的紫外准分子辐射光源得到了进一步的研究。它们能发射窄带辐射，通过选择不同的放电气体成分，其波长可覆盖真空紫外、紫外和可见光等光谱区，且不产生辐射的吸收，是一种高效率、高强度的单色光源。 由于紫外准分子辐射光子能量较高，紫外准分子辐射光源已经在工业中得到一些应用。 XeCl*或XeCl*和KrCl*结合使用的紫外灯被用在打印机上，能实现高速打印，是一种比较好的打印机光源。的真空紫外辐射光子能量是7.2eV，这足可以打破大多数分子的化学键。它可以实现在氧31气或空气环境中生成O（P）和O（D）等原子，在水或潮湿的空气中生成·OH。目前，显示器基板清洗以及半导体工艺中都用氙紫外光源做紫外清洗。清洗中实际起作用的是氧原子，通过氧原子的作用除掉化学作用时残留的烃类化合物，最终产物是CO、CO以及HO等22物质。目前，准分子紫外光源又一项新的应用是污染控制和水处理。总之，紫外准分子辐射能产生高能量光子，可直接作用于化学键，导致各种化学反应，在光化学、光物理方面具有明显实用价值，目前主要应用于表面改性、薄膜淀积、化学合成与分解等领域。其次在环境保护与污染控制等领域，它也引起人们越来越多的兴趣。紫外准分子光以其独特的光谱特性、极高的能量密度以及简易灵活的结构，必将逐渐取代传统的光源，具有十分广阔的应用前景。（4）材料表面改性 材料表面改性是目前材料科学最活跃的领域之一，近年来随着等离子体技术的不断发展，利用等离子体进行表面改性逐渐成为研究的热点。所谓等离子体表面改性就是利用等离子体中产生的活性粒子（如电子、离子、亚稳态原子和分子、自由基、紫外光子等）对材料表面进行处理，如增加或去除材料表面吸附的几个单层（原子或分子）；涉及表面的化学反应；增减表面电荷；改变材料表面最外几个单层的物理或化学状态。等离子体中存在具有一定能量分布的电子、离子和中性粒子，在与材料表面撞击时，将能量传递给材料表面的原子或分子，产生一系列物理、化学过程。一些粒子还会注入材料表面，引起级联碰撞、散射、激发、重排、异构、缺陷、晶化或非晶化，从而改变材料的表面性能，一般可提高材料表面的强度、硬度、耐磨性、吸湿性、抗静电性、染色性、粘接性、印刷性或抗腐蚀性。 传统的等离子体表面改性，一般利用低气压下辉光放电产生的低温等离子体而进行。对于大规模工业生产而言，利用低气压辉光放电进行处理有两个很难克服的缺点：一是放电处于低气压环境，且需要维护运行的真空系统，生产成本昂贵；二是工业化处理过程中需要不断打开真空室放进样品，取出成品，然后再重新抽真空，充入工作气体并放电，因此整个处理过程烦琐复杂，难以连续生产。因此实现常压下等离子体材料表面改性是各国科学家关注的热点。介质阻挡放电能够在常压下产生具有高电子能量的非平衡等离子体，十分适合材料的表面改性，受到国内外研究人员的普遍关注。目前，用介质阻挡放电对材料进行表面改性，已经在工业生产中获得一定的应用。但是，介质阻挡放电等离子体在常压下一般表现为在时间上和放电空间中随机分布的大量具有高能量密度的细丝状放电电流形式，使其难以对材料表面进行均匀处理，限制了工业应用。 近年来的研究表明，细丝状放电并不是介质阻挡放电在常压下的唯一表现形式，在一定的条件下，常压介质阻挡放电可以表现为均匀稳定的类似低气压辉光放电的形式，称为大气压下辉光放电。自1988年以来，各国研究人员分别采用不同电极结构介质阻挡放电的方法，在一些气体与气体混合物中建立了大气压下辉光放电，并尝试用其进行材料表面改性，取得了一定的进展。法国学者用氮气和氦气中大气压下辉光放电和介质阻挡放电对聚丙烯薄膜表面进行改性，美国研究人员用氩气、氦气和氧气中大气压下辉光放电对聚丙烯纤维进行亲水性改性，均获得了良好的效果。（5）等离子体平板显示器 等离子体平板显示器（plasma display panel，PDP）是利用气体放电发光进行显示的平面显示板。其具有厚度薄、质量小、大平面、大视角、响应快、具存储性、受磁场影响小、不需磁屏蔽等优点。PDP可应用在30～70in的各个显示领域。特别是可作为壁挂式高清晰电视进入家庭。因此已成为全球各大公司竞争的重点。等离子平面显示器从某种意义上说，也是一种介质阻挡放电光源。或者说它是由大量的微型介质阻挡放电光源组成的器件。事实上，这种显示器的每一个像素都是由三个介质阻挡放电单元组成，它们分别由介质阻挡放电产生的紫外辐射激发荧光粉产生红、绿、蓝三色光。通过调制每个像素点所发出的二基色光的不同发光强度组合，就可以获得所需要的颜色和亮度。利用地址选择电路，即可决定PDP中每个放电单元的开和关，从而完成电光信号的转换，就可以得到绚丽多彩的图像。 等离子显示器工作原理图如图1-11所示。图1-11 等离子显示器工作原理1.8.2 介质阻挡放电特征参量 介质阻挡放电的电流主要流过微放电通道，放电的主要基本过程也是发生在微放电中，因此了解微放电特征是了解介质阻挡放电的关键。典型的介质阻挡放电中微放电的主要特性列在表1-3中。这里工6作气体为空气或氧气，气压为10Pa，放电间隙为1～3mm。表1-3 介质阻挡放电中微放电的主要特性-172注：1Td=10V·cm。1.8.2.1 介质阻挡放电的电场强度 根据图1-8（b）的介质阻挡放电构型。两个电极上分别覆盖厚度为l的介质薄片，放电气隙为l。当作用在电极上电压为V时，介质通dg量密度是均匀的，于是有V=2lE+lE （1-6）ddgg而在介质和放电气隙间的电场强度E和E是不同的。它们反比于相dg应的电容率ε和ε，即有dgE/E=ε/ε （1-7）dggd因此，介质和气隙上的电场强度分别为 （1-8） 和 （1-9） 从式（1-8）、式（1-9）可以看到，在介质阻挡放电中电场强度E和E可以大于电极间的平均电场强度。例如，放电空间充以空gd气，其间隙l=0.4cm，玻璃介质薄片厚度l=0.3cm，而ε=1，ε=4。gggd当电源电压V为25kV时，则有E=45.5kV/cm，E=11.4kV/cm。由于空gd气的击穿场强为30kV/cm，若去掉玻璃介质薄片，空气不会被击穿，然而在上述条件下，空气隙上的电场强度可达45.5kV/cm，会被击穿。可见，由于玻璃片的插入，空气承受的电场强度可以超过它的介质强度，因此在足够外加电压作用下，空气会被击穿而形成放电。随着放电通道的形成，在气隙间的电场强度会下降直到零，这时，玻璃片上的电场强度可升高达41.7kV/cm。 在有介质阻挡的气体放电中流过空气的电流实际上是通过玻璃的位移电流，而不是回路中的短路电流，显然这里空气的击穿不会生成电弧放电而是形成貌似均匀的介质阻挡放电。1.8.2.2 介质阻挡放电的等效电路 由于电极间介质层的存在，介质阻挡放电的工作电压是交变的。根据交变电压的频率差异，放电的特性有所不同。通常可以分成低频介质阻挡放电和高频介质阻挡放电两种，频率为50Hz～10kHz，属于低频介质阻挡放电；频率为100kHz以上，属于高频介质阻挡放电。这两种介质阻挡放电的等效电路如图1-12所示。图1-12 两种介质阻挡放电的等效电路 图1-12中C是介质的电容，C是放电气隙的电容，R是放电的等dg效电阻，V是电源电压的峰值，V*和分别是低频和高频条件下回op路中积分电流为零的电压值。通常C远小于C。gd1.8.2.3 放电形态随气压变化的规律 由于在低气压下平均自由程较长，电子容易在低电场中获得较大的动能，因此在低气压下，很容易在较低的电压下得到均匀放电的形态。但是随着气压的升高，气体分子间的平均自由程逐渐变短，如果让电子获得足够的动能，碰撞气体分子并使其电离，需要施加更高的电压。高场强下由于空间电荷造成的电场畸变，电子崩的发展极不稳定，可能导致流注的形成。因此，随着气压的升高，放电稳定性将逐渐降低，放电从均匀形态向不均匀形态发展。放电形态随气压变化的规律是衡量材料对放电影响的基础。因为介质阻挡放电的形态会随着气压的变化而发生改变，而使用不同介质阻挡材料时，放电形态发生改变的临界气压存在显著的差异，因此以这些放电形态发生改变的临界气压来衡量材料的好坏，认为能够在越高气压得到均匀放电的介质阻挡材料越有利于均匀放电的形成。 为了准确地判断放电形态发生变化的临界气压，需要准确地判断各种不同情况下介质阻挡放电的性质。如果仅凭肉眼观察或者长曝光时间（如几十毫秒）拍摄的放电图像来判断放电是否均匀是不严谨的，因为大气压下介质阻挡放电常常是由大量的时空随机分布的放电细丝组成，这些细丝的寿命仅为10ns数量级，直径约为0.1mm，如果整个放电的时间和空间内这些细丝足够多并且无规则的分布，肉眼观察和长时间曝光的放电图像来看，可能非常貌似均匀放电。Okazak小组曾经在1993年提出区分辉光放电和丝状放电的方法：若每个外加电压半周期内仅有一个电流脉冲，并且李萨如（Lisajous）图形为两条平行斜线，则为辉光放电；若半周期内多个电流脉冲，并且Lisajous图形为斜平行四边形，则为丝状放电。该方法也不是完善的，因为半周期内氦气APGD电流也可能为多个脉冲，而氮气均匀汤森放电的电流却只有一个宽脉冲。目前最为准确的判断方法是使用曝光时间仅为10ns的ICCD相机拍摄的时间分辨的放电图像，这样低的时间分辨力足以准确地拍摄到放电中可能存在的细丝，以判断放电是否均匀。法国的Massines小组和清华大学的王新新教授领导的小组都利用
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