4.1　辉光放电原理

辉光放电一般在低气压下操作。如果稳态放电冷却由热传导所控制（扩散机制），那么压力的增长由过热限制。在放电管柱中，电流密度和电子浓度的最大值随着压力成比例增大或减小。略高的操作压力可以通过在快速流中操作辉光放电获得。然而，在这种情况下这些压力通常受到等离子体不稳定性质的限制，因为它们的热传导时间非常短，与放电中的气体停留时间相当，甚至更短。因此，在大气压下操作一个稳定连续的非热辉光放电是一项具有挑战性的任务。然而，这一工作在一些特殊的放电系统中已经成功实现，例如，在电负性气体的接声速和超声速流中的辉光放电、使用特殊的气体混合物作为工作流和外加制作精细的特殊电极类型。大气压辉光放电是一个极大的突破，在物理上与传统的非热大气压放电，如电晕或介质阻挡（DBD）放电相似，但是它们所需的几百伏电压要远远小于电晕和DBD中的电压。等离子体反应器在大气压下避免了真空系统，所以能得到极大简化了的设计，这为辉光放电的推广应用提供了极大的推动力。

通常使用的辉光放电电源形式为直流，放电管中配置两个对向金属电极且极间电场均匀，管内气压设定在1.33～1.33×104Pa之间的某个确定值，电源电压高于气体击穿电压，放电回路的限流电阻允许放电管通过毫安级以上的电流，即可产生辉光放电。图4-1（a）所示为直流辉光放电时的典型放电结构，由阴极向阳极方向可划分为明暗相间的8个区域，即阿斯顿暗区、阴极辉光区、阴极暗区、负辉区、法拉第暗区、正柱区、阳极暗区和阳极辉光区，其中前3个区域总称为阴极位降区或简称阴极区；如果放电管足够长，那么阳极柱是明亮的（较阴极辉光的亮度要弱）、均匀的且较长的。图4-1（a）中辉光放电的分层现象可以通过图4-1（b）～图4-1（f）所示的放电参数曲线进行解释，包括发光强度、等离子体电位、电场、电流密度和净电荷密度。阴极层是辉光放电中最显著的区域，提供了放电自持的行为，且生成了足够的电子来平衡阳极柱中的等离子体电流。具有实际用途的等离子体化学过程主要在辉光放电的阳极柱中发生，因为其体积可以相当的大。然而，维持辉光放电最重要的物理过程在阴极层发生。阳极层的作用不如阴极层大。它仅仅在电荷从阳极柱转移到正电极时提供总的电流连续性。

图4-1　辉光放电的一般结构和放电特性沿轴向变化分布

能量较低、不足以激发原子的电子从阴极喷入，这一点解释了阿斯顿暗区；然后电子从电场中获得足够的能量用于电子激发，因此产生阴极辉光。电子在阴极暗区中的进一步加速主要导致电离，而不是电子激发。这一点可以解释阴极暗区中低的辐射层级和电子密度的显著增加。缓慢移动的粒子在阴极层中具有相对高的浓度，提供了大部分的电流。阴极暗区末端的高电子密度会导致电场减弱，因此致使电子能量和电离速率的降低，然而辐射却明显增强，这就是阴极辉光跃迁到最高两层的原因。距离阴极越远，电子能量不断减少，从而导致从阴极辉光区跃迁到法拉第暗区，在法拉第暗区中等离子体密度的减小和电场的增加最终建立了阳极柱。在阳极柱中平均电子能量为1～2eV，这提供了辉光放电的主要发光强度；其中，在固定压力下调节电极间的距离，阴极层的结构不发生变化，而阳极柱会伸缩，表明阳极柱可以在连接电极之间扩张。阴极抑制离子的接近并且去除阳极柱中的电子，因此，致使负空间电荷的产生和阳极层中电场的增加。在这一区域中电子密度的减少对应阴极暗区，而电场的增加对应阳极辉光区。

常规辉光放电的正极柱或许是非平衡非热等离子体最常见的来源。长正极柱中的等离子体性能和参数不受阴极和阳极层中发生现象的影响。在正极柱中等离子体的状态由带电粒子的局部形成和损失所决定，也受到实际上由外电阻和电动势确定的电流的影响。在正极柱中电子和离子的产生通常是由于体积电离过程导致的，所以稳态机制的分类是由带电粒子损失的主要机制决定。在柱中可以考虑电子-离子重组、分子吸附电子和带电粒子向墙扩散三种控制模式，每一种模式都对电子问题和电场提出了特定的要求，这些要求可以表示为放电的电流-电压特性曲线。