2.2　等離子體產生原理

氣體放電一般是指在電場作用下或其他激活方法使氣體電離，形成能導電的電離氣體，如果電離氣體是通過電場產生的，這種現象稱為氣體放電。氣體放電應用較廣的形式有電暈放電、輝光放點、無聲放電（又稱介質阻擋放電）、微波放電和射頻放電等，氣體放電性質和采用的電場種類及施加的電場參數有關。下面以一個典型的氣體放電實驗為例來說明放電特性。

如圖2-2所示為直流放電管電路示意，放電管是一個低壓玻璃管，管兩端接有直流高壓電源的圓形電極，圖中R是可調式鎮流電阻，用以測量電流——電壓特性，亦稱放電伏-安特性，Va為直流電源，V是放電管的極間電壓，I是放電電流。

在電極兩端施加電壓時，通過調節電阻R值可得到氣體放電的伏安特性曲線，如圖2-3所示。由氣體放電的伏安特性曲線可看出，開始在A、B點間電流隨電壓的增加而增加，但此時電流上升變化得較緩慢，表明放電管中氣體電離度很小，繼續提高電壓，電流不再增加，呈本底電離區的飽和狀態，繼續提高電壓，電流會迅速地呈指數關系上升，從C到E區間，這時電壓較高但電流不大，放電管中也無明亮的電光，自E點起，再繼續提高電壓，發生了新的變化，此時電壓不但不增高反而下降，同時在放電管內氣體發生了電擊穿，觀測到耀眼的電光，這時因電離而電阻減小，但電流開始增長，在E點處對應的電壓VB稱為氣體的擊穿電壓。放電轉變為輝光放電，電流開始上升而電壓一直下降到F點，然后電流繼續上升但電壓恒定不變直到G點，而后電壓隨電流的增加而增加到H點，放電轉入較強電流的弧光放電區。I和J之間是非熱弧光區，電流增加電壓下降，在J和K之間是熱弧光區，等離子體接近熱力學、動力學平衡，從I到K的弧光放電區屬于熱等離子特性，在等離子體化學中很少應用。

在外加電場保持一定時，如果需要外界輻射源才能持續放電時，放電為非自持放電；當不需要外界輻射源就能保持持續放電則為自持放電。

2.2.1　湯森放電

目前工業上應用的一些等離子體過程多發生在湯森放電區，湯森（J.S.Townsend，1865～1957）是英國物理學家，第一個提出定量的氣體放電理論的科學家，其中涉及幾個重要的過程。

（1）電子碰撞電離——α電離過程　在放電過程中，設每個電子沿電場方向移動1cm距離時與氣體分子或原子碰撞所能產生的平均電離次數為α，則α叫作電子碰撞電離系數，也叫湯森第一電離系數。該系數表明了電子碰撞對電離過程的貢獻。湯森第一電離系數α為：

α=Apexp（ApVi/E）　　（2-1）

式中　p——氣體壓力；

Vi——氣體分子的電離電位；

E——電場強度；

A——與氣體性質有關的常數，可由實驗獲得。

湯森第一電離系數α是與氣體種類有關，且由放電時E/p比值決定的數值，它影響著放電過程的電離效率，與電子數目和電流密度的增長密切相關。在平行板電極間的電場強度E是恒定值。只要放電氣壓和溫度保持不變，α即為定值。

（2）正離子碰撞電離——β電離過程　正離子碰撞電離系數以β表示，系指一個離子在電場方向1cm行程中與氣體分子碰撞所產生的平均電離次數。研究可知，在相同電場條件下電子碰撞電離遠大于正離子碰撞電離次數，也就是碰撞電離系數α?β。

（3）陰極二次電子發射——γ電離過程　正離子轟擊陰極時，陰極發射二次電子的概率以γ表示。在電場作用的等離子體條件下，由陰極發射的電子在到達陽極的過程中產生正離子，這些正離子撞擊陰極而使陰極發射二次電子。γ系數也叫湯森第二電離系數，它比湯森第一電離系數α要小。

氣體放電擊穿是一復雜過程，通常都是由電子雪崩開始，從初級電子電離相繼在串級電離過程中增值。一旦湯森電離系數α隨電場增強而變得足夠大時，此時的電流就從非自持達到了自持過程，也就是發生了電擊穿。對于湯森放電擊穿的臨界電場中電壓VB的計算，可用下面的半經驗方程式來判斷。此方程稱為帕邢定律。

2.2.2　帕邢定律

氣體擊穿電壓VB是放電開始擊穿時所需的最低電壓，帕邢（F.Paschen）在湯森提出氣體放電擊穿理論之前便在實驗室中發現了在一定的放電氣壓范圍內，氣體擊穿電壓VB是氣壓（p）和極間距離（d）乘積的函數，即VB=f（pd），這種函數關系被稱為帕邢定律。以下是湯森放電的帕邢定律表達式：

　　 （2-2） 　　

式中　γ——湯森第二電離系數；

A，B——常數，它是與氣體種類和實驗條件有關的參數，可實驗求取或查文獻得到。

也可將式（2-2）繪出帕邢曲線來表示氣體擊穿電壓VB與放電時氣壓和極間距離乘積pd間的函數關系。

2.2.3　氣體原子的激發轉移和消電離

氣體粒子從激發態回到較低狀態或者被進一步激發到更高的狀態是粒子從該激發態消失的可能途徑，這種過程稱之為氣體粒子的激發轉移，其中包括回到中性低能態的消電離。電離氣體中的潘寧效應、敏化熒光等都屬于這種過程。實驗發現，在適當的兩種氣體組成的混合物中，其擊穿電壓會低于單純氣體的擊穿電壓。這種效應稱為潘寧效應（Penning effect）。這種效應的過程可以用簡式表示為

　　 （2-3） 　　

A*是一種激發態原子與中性原子B碰撞，轉移激發能并使B原子電離的過程。從能量守恒的要求，A*原子的激發能應該大于或至少等于B原子的電離能。實驗發現A*的激發能越接近B的電離能，這種激發轉移的概率就越大。當A*是處于某個亞穩態時，即A*在該激發態有較長的停留時間時，那就允許它與B原子有足夠長的相互作用時間，因此發生潘寧效應的概率就大了。對于上述過程，從左方看是激發態A*原子的消失，從右方看是正離子B+的產生，因此潘寧效應也是一種帶電粒子產生的機制。