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(shí)延和低抖動(dòng)的特點(diǎn)，同時(shí)能夠運(yùn)行于高重復(fù)頻率下。偽火花放電現(xiàn)象自20世紀(jì)70年代末被發(fā)現(xiàn)以來，受到了國內(nèi)外眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注，在脈沖放電開關(guān)、電子束源等方面獲得了廣泛應(yīng)用。偽火花放電具備明顯的階段特征，根據(jù)放電特征和物理機(jī)制的不同可以劃分為四個(gè)階段：預(yù)放電、空心陰極放電、超密集輝光放電和真空電弧放電，如圖1所示。

圖1 偽火花放電各階段的典型特征

偽火花放電形成階段的電荷產(chǎn)生機(jī)制可以歸納為：預(yù)放電階段為湯遜放電，空心陰極放電階段為離子碰撞二次電子發(fā)射和電子的“鐘擺”運(yùn)動(dòng)，超密集輝光放電階段為微陰極斑點(diǎn)發(fā)射和離子自持自濺，以及真空電弧階段為陰極斑點(diǎn)發(fā)射。前兩個(gè)階段以氣體中的等離子體過程為主，后兩個(gè)階段以陰極表面過程為主。在非極端的電流密度下，放電通道始終呈現(xiàn)出彌散的狀態(tài)，并伴隨著高強(qiáng)度的電子束流和光輻射。

偽火花放電中每個(gè)階段的起始均依賴其前一階段的充分發(fā)展。當(dāng)暫態(tài)的轉(zhuǎn)變過程發(fā)展不順利或不穩(wěn)定時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的異常放電現(xiàn)象。目前，偽火花放電存在的主要問題是電流淬滅和阻抗波動(dòng)，尤其是小電流情況下，出現(xiàn)概率很高。闡明異常放電的發(fā)生機(jī)制并采取相應(yīng)抑制措施顯得尤為迫切。

偽火花開關(guān)

當(dāng)前，脈沖功率技術(shù)除繼續(xù)向單次超高功率水平方向發(fā)展外，也在向高平均功率重復(fù)脈沖方向發(fā)展。這對其核心部件之一的開關(guān)提出了極高的要求。與其他氣體開關(guān)如高氣壓火花間隙開關(guān)、真空觸發(fā)開關(guān)和氫閘流管等相比, 偽火花開關(guān)具有結(jié)構(gòu)簡單、電流上升速度快（~1012A/s）、電流導(dǎo)通能力大（大于100kA）、流通反向電流能力強(qiáng)（可達(dá)100%）、放電抖動(dòng)小（可小于1 ns）、電極燒蝕速率低（小于100μg/C）、重復(fù)運(yùn)行頻率高（可達(dá)10kHz）等優(yōu)勢。

單間隙偽火花開關(guān)的耐壓極限約為30kV，多間隙結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步提升開關(guān)耐壓。單孔維持超密集輝光放電模式的電流極限約10kA，對于大電流應(yīng)用場合來說，一般采取多通道結(jié)構(gòu)以減小單孔的電極燒蝕。與半導(dǎo)體開關(guān)相比，偽火花開關(guān)具有功率大、結(jié)構(gòu)簡單和無需復(fù)雜串并聯(lián)電路等優(yōu)點(diǎn)。

當(dāng)前，德國和俄羅斯的研究所及公司已成功開發(fā)出偽火花開關(guān)系列產(chǎn)品。根據(jù)應(yīng)用場合不同，可分為高重頻和大電流兩類，前者常采用輝光放電觸發(fā)，后者則常采用沿面放電觸發(fā)。表1是幾款典型偽火花開關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)對比。值得注意的是，表中所列參數(shù)為單項(xiàng)可達(dá)到的最大值，各項(xiàng)參數(shù)之間存在相互制約關(guān)系，不能同時(shí)達(dá)到最優(yōu)。

表1 典型成品化偽火花開關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)

表中，F(xiàn)S系列為德國ALSTOM公司與埃爾朗根大學(xué)K. Frank團(tuán)隊(duì)共同開發(fā)，TPI和TDI系列則為俄羅斯Pulsed Technologies公司與俄羅斯大電流電子研究所Y. D. Korolev團(tuán)隊(duì)共同開發(fā)，最大電壓和電流分別可達(dá)150kV和300kA。這些成品化開關(guān)已廣泛應(yīng)用于各類脈沖功率系統(tǒng)當(dāng)中，如激光器、等離子體點(diǎn)火裝置、同步加速器勵(lì)磁裝置等。

圖2是TPI10k-50偽火花開關(guān)的結(jié)構(gòu)圖。該開關(guān)采用雙間隙多通道結(jié)構(gòu)和輝光放電觸發(fā)單元，氫氣氣壓通過氫儲(chǔ)存器的燈絲電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，采用氧化鋁陶瓷做絕緣支撐并通過金屬-陶瓷焊接密封。圖中電極邊緣存在多處彎曲結(jié)構(gòu)，可屏蔽放電等離子體對絕緣支撐的轟擊，避免長期運(yùn)行時(shí)絕緣破壞。

圖2 TPI10k-50偽火花開關(guān)的結(jié)構(gòu)圖

（A—平板陽極；G—柵極；C—空心陰極；A1—觸發(fā)陽極；C1—觸發(fā)陰極；EC—高發(fā)射系數(shù)材料）

該公司在最新產(chǎn)品的氫儲(chǔ)存器上采用了特殊的金屬半透膜材料，開關(guān)工作時(shí)無需燈絲加熱電源，進(jìn)一步簡化了開關(guān)使用過程。

國內(nèi)自1997年起，西安交通大學(xué)的邱毓昌團(tuán)隊(duì)對偽火花開關(guān)的放電特性開展了研究。趙會(huì)良等研究了空腔懸浮電極對雙間隙偽火花開關(guān)耐壓的影響。姚學(xué)玲等研究了采用沿面閃絡(luò)型觸發(fā)器的偽火花開關(guān)的性能。北京真空電子技術(shù)研究所的張明和周亮等開發(fā)的偽火花開關(guān)，為雙間隙多通道結(jié)構(gòu)，采用沿面放電型觸發(fā)器，耐壓50kV，通流50kA，可工作于單次或低頻條件；同時(shí)，對激光觸發(fā)偽火花開關(guān)進(jìn)行了初步的研究，獲得了聚焦和非聚焦模式下，激光能量與觸發(fā)時(shí)延和抖動(dòng)的關(guān)系。

目前西安交通大學(xué)丁衛(wèi)東團(tuán)隊(duì)和江西景光電子有限公司正在開發(fā)高重頻低抖動(dòng)的成品化偽火花開關(guān)，已實(shí)現(xiàn)的參數(shù)包括耐壓大于50kV，通流大于40kA，抖動(dòng)小于1ns。今后偽火花開關(guān)研究的重點(diǎn)是進(jìn)一步提升開關(guān)各項(xiàng)參數(shù)，尤其是壽命和運(yùn)行穩(wěn)定性。

電子束源

與光電陰極、熱陰極及等離子體斑點(diǎn)陰極等相比，基于偽火花放電的電子束源在電流密度和亮度等方面有著綜合性的優(yōu)勢，在太赫茲、材料處理和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

基于偽火花放電的電子束源的典型結(jié)構(gòu)如圖3所示，一般采用多間隙結(jié)構(gòu)以提升裝置耐壓和電子束能量，陰極接負(fù)高壓，陽極接地，主電容的容量一般在nF量級(jí)。電子束的典型放電波形如圖4所示，第一個(gè)峰所示的電子束的特點(diǎn)是能量高密度低，第二個(gè)峰能量低密度高，與前文機(jī)制分析所述一致。為了提升后一階段電子束流的能量，英國思克萊德大學(xué)的Yin H.和西安交通大學(xué)的趙軍平等設(shè)計(jì)了帶有后加速作用的雙間隙偽火花放電結(jié)構(gòu)，對大量低能電子進(jìn)行加速。

圖3 基于多間隙放電的電子束源結(jié)構(gòu)

圖4 放電產(chǎn)生電子束的典型放電波形

基于偽火花放電的電子束源的研究主要集中在兩方面。一方面，集中在電極結(jié)構(gòu)（腔深、孔徑、孔深、間隙數(shù)等）、外回路參數(shù)（電壓、主電容、氣壓、氣體種類等）和電壓形式（直流、微秒脈沖、納秒脈沖）等因素對于電子束密度和能量時(shí)空分布的影響規(guī)律的研究]。

實(shí)際應(yīng)用中，一般要求電子束的密度大、能譜窄或可控、穩(wěn)定性好。因此，如何測量和靈活調(diào)控電子束參數(shù)是研究的重點(diǎn)。電子束的電流密度一般采用羅氏線圈和法拉第杯的方法進(jìn)行測量，電子束的能量分布采用外加偏置電壓或偏轉(zhuǎn)磁場直接測量，或采用自偏置電極結(jié)構(gòu)并反卷積運(yùn)算間接獲得。

測量時(shí)應(yīng)注意屏蔽放電等離子體對法拉第杯信號(hào)的干擾。值得注意的是，當(dāng)前電子束能量分布測量的研究中，未考慮偏置電壓和偏轉(zhuǎn)磁場對電子束輸運(yùn)的影響，即外施電場或磁場會(huì)改變電子到達(dá)接收裝置的時(shí)間，且對不同能量電子的影響程度不同。在今后的研究中，需要對測量結(jié)果進(jìn)行修正。

另一方面，電子束在微波和太赫茲輻射源、超導(dǎo)薄膜材料沉積、金屬刻蝕、加速器、X射線源等方面有著廣泛的應(yīng)用。

圖5 電子束用于驅(qū)動(dòng)切倫科夫激射器

圖5是英國思克萊德大學(xué)H.Yin等利用偽火花放電電子束驅(qū)動(dòng)的切倫科夫激射器，得到脈寬100ns、峰值功率約2kW，中心頻率為25.5GHz的微波，驗(yàn)證了該方法用于產(chǎn)生毫米波甚至太赫茲微波輻射的可行性。在最新的研究中，該團(tuán)隊(duì)利用偽火花放電產(chǎn)生條狀的電子束，用于驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展交互振蕩器，最終得到脈寬約20ns、峰值功率1.2kW、頻率范圍在104~106GHz的高功率微波。

極紫外光源

極紫外（Extreme Ultraviolet，EUV，中心波長13.5nm）光源是下一代光刻技術(shù)的核心設(shè)備，目前業(yè)界主要采用兩種技術(shù)來產(chǎn)生極紫外光，一種是激光等離子體技術(shù)，另一種是放電等離子體技術(shù)。激光等離子體技術(shù)面臨的最大挑戰(zhàn)是數(shù)千赫茲重復(fù)頻率的高功率激光器和靶材碎片污染問題。相較而言，基于偽火花放電的方案能夠在很大程度上克服上述問題。

特殊的空心陰極結(jié)構(gòu)使得偽火花放電等離子體徑向箍縮，箍縮后的等離子體密度達(dá)到1018~1019/cm3，電子溫度達(dá)到幾十電子伏。在此過程中，氙氣分子受激發(fā)后能夠產(chǎn)生較多中心波長13.5nm的極紫外輻射。此外，基于偽火花放電的極紫外光源具有放電能量低和等離子體不直接與絕緣材料接觸的特征，容易獲得數(shù)千赫茲的高重復(fù)工作頻率。與偽火花開關(guān)相比，極紫外光源工作氣體通常采用氪氣、氙氣等大分子量稀有氣體，且放電通道需要發(fā)生箍縮，不再追求彌散的效果。

德國夫瑯和費(fèi)激光研究所的K. Bergmann等自20世紀(jì)90年代至今與飛利浦和ASML等公司展開合作，先后研發(fā)了多款基于偽火花放電的極紫外光源樣機(jī)。在絕緣恢復(fù)和重頻運(yùn)行等研究的基礎(chǔ)上，研究了氣體種類、脈沖能量、電極結(jié)構(gòu)等參數(shù)對出光效率、碎片污染、運(yùn)行穩(wěn)定性等方面的影響規(guī)律。圖6是該團(tuán)隊(duì)于2012年搭建的裝置，在重頻3.3kHz、脈沖能量6J的輸入功率下，能夠獲得中心波長13.5nm（半高寬2nm）、輸出功率21W/mm2sr的極紫外光源。圖7是實(shí)驗(yàn)中獲得的極紫外光輻射特性。

圖6 基于偽火花放電的極紫外光源

圖7 偽火花放電的極紫外輻射特性

?此外，俄羅斯的Y. D. Korolev和美國的Jiang Chunqi等也在對偽火花開關(guān)進(jìn)行深入研究后，對偽火花放電極紫外光源開展了探索性研究[80-81]，但仍然較為初步。國內(nèi)目前尚未見到基于偽火花放電的極紫外光源研究的相關(guān)報(bào)道。

總體而言，基于偽火花放電的極紫外光源具備和其他技術(shù)方案相當(dāng)?shù)哪芰哭D(zhuǎn)化效率，并且在重復(fù)頻率、電極燒蝕、壽命、碎片污染、造價(jià)等方面具有優(yōu)勢。

在低脈沖能量下，偽火花放電方案的出光效率高，電極的燒蝕小。為保證出光的一致性和穩(wěn)定性，要求光源達(dá)到很高的的工作頻率，而高重復(fù)頻率正是偽火花放電的突出優(yōu)點(diǎn)之一，但目前的出光總功率和運(yùn)行穩(wěn)定性均與商用標(biāo)準(zhǔn)具有較大差距。雖然當(dāng)前已有基于激光等離子體技術(shù)的的商用光刻機(jī)，但造價(jià)十分昂貴，具備小脈沖能量（J級(jí)）、高重復(fù)頻率（kHz級(jí)）特征的偽火花放電極紫外光源仍是一種具有較大潛力的方案。

本文摘編自2021年第11期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“偽火花放電的物理機(jī)制與應(yīng)用綜述”，作者為閆家啟、申賽康 等。