- 頭條西安交通大學科研團隊發表偽火花放電的物理機制與應用綜述2022-01-27 作者：閆家啟 申賽康 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語偽火花放電是一種工作于巴申曲線左半支、引燃于空心陰極結構、具有彌散的主放電通道的特殊低氣壓放電，在脈沖功率和等離子體等領域得到廣泛應用。電力設備電氣絕緣國家重點實驗室（西安交通大學）的研究人員閆家啟、申賽康、孫國祥、丁衛東，在2021年第11期《電工技術學報》上撰文，綜述了近年來有關偽火花放電物理機制和典型應用的研究。 首先分析偽火花放電主要過程的典型特征、微觀機制和影響因素，依次為預放電、空心陰極放電、超密集輝光放電和真空電弧放電四個階段；其次討論當前偽火花放電研究中仍存在的問題，如電流淬滅和阻抗波動等；然后介紹偽火花放電的典型應用，包括偽火花開關、電子束源、極紫外光源等，并著重介紹相關裝置的參數水平和技術特點；最后探討偽火花放電研究今后的發展趨勢。
偽火花放電是一種特殊的低氣壓放電，既具有輝光放電的彌散特征，又具備火花放電大電流、短時延和低抖動的特點，同時能夠運行于高重復頻率下。偽火花放電現象自20世紀70年代末被發現以來，受到了國內外眾多學者的廣泛關注，在脈沖放電開關、電子束源等方面獲得了廣泛應用。
偽火花放電裝置具有如下特征：陰極為中空帶孔結構，孔直徑、孔深度、主間隙距離均在2~10mm之間；孔的個數可以是一個或多個，形狀可以是圓形，也可以是環形槽或其他類型；同樣地，裝置可以是僅由陰、陽極構成的單間隙結構，也可以插入中間懸浮電極構成多間隙結構；常用的氣體介質有氫氣、氦氣、氮氣、氬氣和空氣等，工作氣壓一般在1~100 Pa之間，擊穿特性位于巴申曲線左半支。
與高氣壓火花放電中少量電子引發雪崩電離并形成流注等貫穿性放電通道不同，在偽火花放電的結構和氣壓條件下，電子的平均自由程大于或接近主間隙距離，間隙中少量電子難以引發足夠數量的雪崩電離并促使流注形成。
圖1所示為典型的單間隙偽火花放電裝置，觸發單元布置在陰極腔內部，在觸發脈沖作用下產生初始電子，這些電子在自身動能和透入電勢的牽引下穿過陰極孔并進入主間隙，在運動過程中與氣體分子發生碰撞電離，進而引燃整個間隙。與霍爾推進器、離子濺射源等裝置中穩態或亞穩態的空心陰極放電不同，偽火花放電關注的是大電流脈沖放電過程，空心陰極放電作為重要的等離子體倍增階段，為后續超密集輝光放電等階段中陰極表面形成數量眾多的微陰極斑點提供了必要條件。
圖1 偽火花開關的典型結構
偽火花放電研究可分為機理和應用研究兩類，前者借助光電診斷及仿真等手段闡明放電發生和轉變的物理機制，后者集中于偽火花放電在氣體開關、電子束源、極紫外光源等中的應用。
偽火花放電子過程多且轉變迅速，國內外學者提出了多種理論試圖解釋相關現象，但仍然沒有獲得廣泛認可的清晰物理圖像。尤其是在小電流、低能量條件下，關于電流淬滅和阻抗波動的發生機制和抑制措施研究還很不充分。此外，基于偽火花放電的氣體開關、電子束源和極紫外光源的關鍵參數和運行穩定性等亟需提升，相關調控方法和應用仍有待進一步研究。
西安交通大學科研團隊對偽火花放電的物理機制和典型應用進行綜述，指出當前存在的主要問題，并提出今后可能的發展方向。
研究人員認為，偽火花放電裝置中電子的平均自由程大于主間隙距離，單個的電子不能引燃主間隙。放電通道呈現出彌散狀態，顯著區別于火花放電和電弧放電的細絲狀通道，在預放電、空心陰極放電、超密集輝光放電和真空電弧放電等階段，維持電流的主要機制依次為湯遜放電、電子鐘擺運動、微陰極斑點爆炸式電子發射和宏觀陰極斑點發射。各個階段的轉變依賴于等離子體團密度地持續增大和陰極鞘層的不斷壓縮，放電機制逐漸由氣相過程占主導轉變為等離子體與陰極表面相互作用占主導。目前，有關超密集輝光放電的物理機制仍未形成公認的理論，相應地淬滅的物理機制也不清晰。
研究人員指出偽火花放電的應用主要有偽火花開關、電子束源和極紫外光源等。
1）偽火花開關適合于高重頻和大通流的應用場合，已被廣泛應用于多種脈沖功率系統，如激光器、等離子體點火裝置、同步加速器勵磁裝置等。
2）基于偽火花放電的電子束源在電流密度和束流亮度等方面有著綜合優勢，在時間分布上依次存在高能低密和低能高密的兩種主要組分的電子，其在太赫茲、材料處理和醫學研究等領域有著廣泛的應用。
3）在下一代光刻技術中，基于偽火花放電的極紫外光源發展潛力巨大，具有結構簡單、無靶材污染和壽命長等優點，目前已達到21W/mm2sr的出光功率，距離工業應用需求的115W/mm2sr仍有進一步提升的空間。
研究人員最后表示，偽火花放電技術今后的主要發展方向有：一是闡明超密集輝光放電階段和淬滅的物理機制；二是采用新工藝和新方法進一步提升偽火花開關的壽命和工作穩定性；三是改善基于偽火花放電的電子束源的束流特性、修正能量分布測量并拓展其應用場景；四是提升基于偽火花放電的極紫外光源的平均出光功率、運行穩定性和連續運行時間。
以上研究成果發表在2021年第11期《電工技術學報》，論文標題為“偽火花放電的物理機制與應用綜述”，作者為閆家啟、申賽康 等。
