2.2　等离子体产生原理

气体放电一般是指在电场作用下或其他激活方法使气体电离，形成能导电的电离气体，如果电离气体是通过电场产生的，这种现象称为气体放电。气体放电应用较广的形式有电晕放电、辉光放点、无声放电（又称介质阻挡放电）、微波放电和射频放电等，气体放电性质和采用的电场种类及施加的电场参数有关。下面以一个典型的气体放电实验为例来说明放电特性。

如图2-2所示为直流放电管电路示意，放电管是一个低压玻璃管，管两端接有直流高压电源的圆形电极，图中R是可调式镇流电阻，用以测量电流——电压特性，亦称放电伏-安特性，Va为直流电源，V是放电管的极间电压，I是放电电流。

在电极两端施加电压时，通过调节电阻R值可得到气体放电的伏安特性曲线，如图2-3所示。由气体放电的伏安特性曲线可看出，开始在A、B点间电流随电压的增加而增加，但此时电流上升变化得较缓慢，表明放电管中气体电离度很小，继续提高电压，电流不再增加，呈本底电离区的饱和状态，继续提高电压，电流会迅速地呈指数关系上升，从C到E区间，这时电压较高但电流不大，放电管中也无明亮的电光，自E点起，再继续提高电压，发生了新的变化，此时电压不但不增高反而下降，同时在放电管内气体发生了电击穿，观测到耀眼的电光，这时因电离而电阻减小，但电流开始增长，在E点处对应的电压VB称为气体的击穿电压。放电转变为辉光放电，电流开始上升而电压一直下降到F点，然后电流继续上升但电压恒定不变直到G点，而后电压随电流的增加而增加到H点，放电转入较强电流的弧光放电区。I和J之间是非热弧光区，电流增加电压下降，在J和K之间是热弧光区，等离子体接近热力学、动力学平衡，从I到K的弧光放电区属于热等离子特性，在等离子体化学中很少应用。

在外加电场保持一定时，如果需要外界辐射源才能持续放电时，放电为非自持放电；当不需要外界辐射源就能保持持续放电则为自持放电。

2.2.1　汤森放电

目前工业上应用的一些等离子体过程多发生在汤森放电区，汤森（J.S.Townsend，1865～1957）是英国物理学家，第一个提出定量的气体放电理论的科学家，其中涉及几个重要的过程。

（1）电子碰撞电离——α电离过程　在放电过程中，设每个电子沿电场方向移动1cm距离时与气体分子或原子碰撞所能产生的平均电离次数为α，则α叫作电子碰撞电离系数，也叫汤森第一电离系数。该系数表明了电子碰撞对电离过程的贡献。汤森第一电离系数α为：

α=Apexp（ApVi/E）　　（2-1）

式中　p——气体压力；

Vi——气体分子的电离电位；

E——电场强度；

A——与气体性质有关的常数，可由实验获得。

汤森第一电离系数α是与气体种类有关，且由放电时E/p比值决定的数值，它影响着放电过程的电离效率，与电子数目和电流密度的增长密切相关。在平行板电极间的电场强度E是恒定值。只要放电气压和温度保持不变，α即为定值。

（2）正离子碰撞电离——β电离过程　正离子碰撞电离系数以β表示，系指一个离子在电场方向1cm行程中与气体分子碰撞所产生的平均电离次数。研究可知，在相同电场条件下电子碰撞电离远大于正离子碰撞电离次数，也就是碰撞电离系数α≫β。

（3）阴极二次电子发射——γ电离过程　正离子轰击阴极时，阴极发射二次电子的概率以γ表示。在电场作用的等离子体条件下，由阴极发射的电子在到达阳极的过程中产生正离子，这些正离子撞击阴极而使阴极发射二次电子。γ系数也叫汤森第二电离系数，它比汤森第一电离系数α要小。

气体放电击穿是一复杂过程，通常都是由电子雪崩开始，从初级电子电离相继在串级电离过程中增值。一旦汤森电离系数α随电场增强而变得足够大时，此时的电流就从非自持达到了自持过程，也就是发生了电击穿。对于汤森放电击穿的临界电场中电压VB的计算，可用下面的半经验方程式来判断。此方程称为帕邢定律。

2.2.2　帕邢定律

气体击穿电压VB是放电开始击穿时所需的最低电压，帕邢（F.Paschen）在汤森提出气体放电击穿理论之前便在实验室中发现了在一定的放电气压范围内，气体击穿电压VB是气压（p）和极间距离（d）乘积的函数，即VB=f（pd），这种函数关系被称为帕邢定律。以下是汤森放电的帕邢定律表达式：

　　 （2-2） 　　

式中　γ——汤森第二电离系数；

A，B——常数，它是与气体种类和实验条件有关的参数，可实验求取或查文献得到。

也可将式（2-2）绘出帕邢曲线来表示气体击穿电压VB与放电时气压和极间距离乘积pd间的函数关系。

2.2.3　气体原子的激发转移和消电离

气体粒子从激发态回到较低状态或者被进一步激发到更高的状态是粒子从该激发态消失的可能途径，这种过程称之为气体粒子的激发转移，其中包括回到中性低能态的消电离。电离气体中的潘宁效应、敏化荧光等都属于这种过程。实验发现，在适当的两种气体组成的混合物中，其击穿电压会低于单纯气体的击穿电压。这种效应称为潘宁效应（Penning effect）。这种效应的过程可以用简式表示为

　　 （2-3） 　　

A*是一种激发态原子与中性原子B碰撞，转移激发能并使B原子电离的过程。从能量守恒的要求，A*原子的激发能应该大于或至少等于B原子的电离能。实验发现A*的激发能越接近B的电离能，这种激发转移的概率就越大。当A*是处于某个亚稳态时，即A*在该激发态有较长的停留时间时，那就允许它与B原子有足够长的相互作用时间，因此发生潘宁效应的概率就大了。对于上述过程，从左方看是激发态A*原子的消失，从右方看是正离子B+的产生，因此潘宁效应也是一种带电粒子产生的机制。