1.4　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Vs时，放电管着火，电流迅速增长，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）。

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，电子和离子密度很大（一般为1010～1012个/cm3）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。