空气中大气压下均匀辉光放电的可能性

高电压技术中的气体放电及其应用探析高电压技术随着不少工业和研究领域的发展需要而发展在电力工程中有最广泛的应用。

国外随着电力供应及可靠性要求的不断提高，刺激着高电压技术的发展。

我国的电力发展要求逐步建设大量的超高压电网和输变电设备，无论从制造或从引进消化国外设备和技术来看，积极研究、发展高电压技术都是必不可少的由于气体放电在材料处理、热核聚变、环境净化以及等离子体推力器等各个前沿科学领域中具有广泛的应用。

分析了直流辉光放电、介质阻挡放电、大气压辉光放电、电子回旋共振放电、容性耦合射频放电的国内外研究现状，最后介绍了气体放电等离子体的应用领域。

1 绪论1.1 研究目的和意义1.1.1 气体放电研究目的我国国土辽阔水力、煤炭、石油资源虽十分丰富，但其分布偏离用电中心很远，因而大力发展大容量远距离输电是必然的趋势传统的交流电力系统作为主要对象的“高电压技术，根本没有或很少涉及这些间题，严格地说，只能称之为“交流高电压技术”，这种状况显然不能适应今后直流输电技术加速发展的现实。

我认为条件正在逐渐成熟，现在已经是让“高电压技术”这门学科全面包括交流和直流两个部分的时候了。

1.2 气体放电研究意义由于所用材料上的变革，已经出现了一些可使结构更紧凑、技术经济上更好的产品。

SFe气体绝缘变电站、SP。

断路器、真空断路器、可控硅换流阀、金属氧化物避雷器等。

这些设备中的放电机理、在各种工作条件下的特性，它们的测试和与它们有关的过电压问题等都尚待进一步研究。

合成绝缘子的应用可缩小线路尺寸，但它在户外的长期绝缘特性问题、机械强度和防水问题等都有待研究。

塑料电缆应用日广，但尚需对绝缘中的树枝（水、电）发展机理、防水、防杂质问题进行研究。

此外，在环境方面如高海拔、污秽等外界因素对外绝缘的影响仍需研究。

高压试验对测量技术也要求改进，如要求能测量更快速的暂态，要求广泛应用数字化技术。

与此有关，随着电子设备增多的弱电和强电设备间的电磁兼容问题也更为迫切了。

辉光放电的原理及应用辉光放电是一种电现象，指的是在低压条件下，在气体或气体混合物中，通过电场作用引发的气体电离现象。

辉光放电的原理是基于电子的激发和电离，它的应用广泛，包括荧光灯、氖氮激光器、等离子体显示器、高压放电杀菌等领域。

1.初级电离：在电源施加电场后，电子会被电场加速，并与气体分子相互碰撞。

当电子具有足够的动能时，它们可以将气体分子击碎，并释放出更多的电子。

这个过程被称为初级电离。

2.二次电离：释放的电子会与更多的气体分子相互碰撞，将它们也击碎并释放出更多的电子。

这个过程被称为二次电离。

不断的电离过程会导致电子数的指数增长，形成一个电子数密度很高的电子云。

3.正离子产生：在电场中，电子和阳离子受到电场的作用而朝着相反的方向运动。

在这个过程中，电子和阳离子会与分子发生碰撞，使得分子失去电子并变成正离子。

4.辉光的产生：当正离子重新结合时，辐射出辉光。

这种可见光辉光的颜色取决于气体的种类和中性分子的振动和旋转等能级结构。

1.荧光灯：荧光灯通过辉光放电将电能转化为可见光。

荧光灯的内部有一个玻璃管，内部充满了荧光粉。

当电场作用于荧光粉时，辉光放电激发了荧光粉并产生可见光。

相对于传统的白炽灯，荧光灯能够更高效地转化电能为光能。

2.氖氮激光器：氖氮激光器利用辉光放电产生激光。

氖气和氮气通常被充满在气体激光器管中。

施加电场后，辉光放电会在气体管内产生，通过激光共振效应，产生出一束高能量、单色、相干的激光光束。

3.等离子体显示器：等离子体显示器是一种新型的显示技术，利用辉光放电产生的等离子体来发光。

等离子体显示器能够提供更高的亮度、更快的刷新率和更广的可视角度。

4.高压放电杀菌：辉光放电产生的加热作用和电离作用可以对水和空气中的细菌和病毒进行灭菌。

这种技术可以应用于饮用水净化、食品处理等领域。

总结起来，辉光放电是一种气体电离现象，利用电场作用产生的电子激发和电离来产生光和等离子体。

通过合理地控制电压和气体种类等参数，辉光放电可以应用于荧光灯、激光器、等离子体显示器和高压放电杀菌等各种领域。

2.4大气压下辉光放电（APGDs）上文提到，辉光放电可以放生在很长的气压范围内。

典型的气压范围约为100Pa，在更高的气压（甚至大气压）下，辉光放电也会发生，但是比较容易导致气体或者电极过热或产生电弧。

根据经典论的相似性，如果保持乘积pd为常数，当d减小时就可以增大气压p。

因此，小型化的放电设备就能在大气压下（甚至更高气压）产生辉光放电。

在Schoenbach 等、Stark以及Schoenbach的著作中，提出了大气压下空心阴极微小放电现象。

空心阴极大的直径大约100-200μm。

在Czerfalvi等和Mezei等的著作中，用电解质做阴极实现了在大气中大气压下小的放电。

在Eijkel等的著作中，提出了大气压下在一个微芯片中氦的直流辉光放电从而实现了具有分子发射探测器的气相色谱法（例如对甲烷、氦气等）。

典型的维度是长度是1-2mm，宽度和高度为几百μm，使得这成为典型的等离子体存在的体积50-180nl。

另外，Blades等以及Sturgeon和其同事的分析应用著作中，大气压下电容耦合射频放电已经有了很多的应用，近期罗马尼亚的一个科研小组也对此发表了文章。

除了能减小放电的空间尺度外，在技术应用中的大气压下稳定放电（APGDs）在其他能满足的条件下也可以进行，比如电极、介质气体和所加电压的频率。

典型的APGDs是在至少一个电极上加上介质，然后在交流电压下进行。

例如，氦能够引起稳定的均匀辉光放电，而氧和氩气容易引起到从辉光放电到丝状放电的过渡。

然而，通过改变电极的结构也能使它们完成均匀辉光放电。

图5图5所示为典型的应用到等离子体聚合的APGD的示意图。

辉光放电产生于两平行板电极间，极板表面覆盖了电介质（例如氧化铝）。

放电中包含等离子体中特殊单体聚合体和作为介质气体的氦气的气体流。

所加电压是20kV，频率是1-30kHz。

极板间距典型值是几个毫米。

APGDs的最大优点是非真空，这就大大降低了成本和辉光放电的操作复杂程度。

介质阻挡放电及其应用王新新(清华大学电机系,北京100084)摘 要:为使读者比较全面地了解介质阻挡放电,根据气体放电理论和实验结果,对介质阻挡放电进行了综述。

首先提出了只有拍摄曝光时间为10ns 左右的放电图像才能判断放电是否为均匀放电,即使是均匀放电,也不能统称其为大气压辉光放电,还必须进一步区分它是辉光放电还是汤森放电。

其次,说明了只有增加放电的种子电子,使放电在低电场下进行才有可能实现大气压下均匀放电。

最后,根据放电图像、电流电压波形、数值模拟结果,证明了大气压氦气均匀放电为辉光放电,而大气压氮气均匀放电为汤森放电。

最后还简要介绍了3种介质阻挡放电的主要工业化应用 大型臭氧发生器、薄膜表面的流水线处理、等离子体显示屏。

关键词:介质阻挡放电;大气压辉光放电;汤森放电;辉光放电;气体放电;等离子体表面处理中图分类号:T M 213;T M 89文献标志码:A 文章编号:1003 6520(2009)01 0001 11基金资助项目:国家自然科学基金重点项目(50537020);博士点专项基金项目(20040003011)。

Project Su pported by National Natural Science Fou ndation (50537020),Special Resear ch Fund for the Doctoral Program of H igh er Education(20040003011).Dielectric Barrier Discharge and Its ApplicationsWAN G Xin x in(Department of Electrical Eng ineer ing,T singhua Univer sity,Beijing 100084,China)Abstract:In or der to compr ehensively under stand D BD,w e r ev iew ed the investig atio ns of dielect ric bar rier discharg e (DBD)by fo cusing o n t he physics relat ed to the unifo rm dischar ge at atmospher ic pressur e.It is sug gested that the best way to disting uish a unifor m dischar ge fro m a filamentar y one is to take a picture w ith an ex posur e time of about 10ns.Ev en fo r a real uniform discharg e,it is import ant to fur ther distinguish a g low dischar ge fr om a T o wnsend discharg e.T he o nly w ay to get a unifo rm discharg e at atmo spheric pressur e is to make the discharg e at a low er elec tr ic field by incr easing the seed electro ns initiating the dischar ge.Recently,the unifor m dischar ges at atmospher ic pr essure have been o btained in helium and nitrog en,i.e.,subno rmal g low discharg e in helium and T ow nsend dis charg e in nitro gen.M o reov er,we briefly intr oduced thr ee indust rial applicat ions of DBD plasmas,including the ad v anced o zo ne g ener ator ,continuous do uble sided t reatment of foil surface,plasma display panel.Key words:dielect ric bar rier discharg e;atmospher ic pressure g lo w dischar ge;T o wnsend discharg e;glow dischar ge;gas dischar ge;plasma surface modificat ion0 引言近20年来,气体放电产生的低温等离子体得到越来越广泛的应用,等离子体处理技术应运而生。

辉光放电现象
低压气体中显示辉光的气体放电(空气中的电子大概在1000对/cm3,高压放电现象在低气压状态下会产生辉光现象）现象，即是稀薄气体中的自激导电现象。

在置有板状电极的玻璃管内充入低压（约几毫米汞柱）气体或蒸气，当两极间电压较高（约1000伏）时，稀薄气体中的残余正离子在电场中加速，有足够的动能轰击阴极，产生二次电子，经簇射过程产生更多的带电粒子，使气体导电。

辉光放电的特征电流强度较小（约几毫安），温度不高，故电管内有特殊的亮区和暗区，呈现瑰丽的发光现象。

辉光放电时，在放电管两极电场的作用下，电子和正离子分别向阳极、阴极运动，并堆积在两极附近形成空间电荷区[1]。

因正离子的漂移速度远小于电子，故正离子空间电荷区的电荷密度比电子空间电荷区大得多，使得整个极间电压几乎全部集中在阴极附近的狭窄区域内。

这是辉光放电的显著特征，而且在正常辉光放电时，两极间电压不随电流变化。

在阴极附近，二次电子发射产生的电子在较短距离内尚未得到足够的能使气体分子电离或激发的动能，所以紧接阴极的区域不发光。

而在阴极辉区，电子已获得足够的能量碰撞气体分子，使之电离或激发发光。

其余暗区和辉区的形成也主要取决于电子到达该区的动能以及气体的压强（电子与气体分子的非弹性碰撞会失去动能）。

辉光放电的主要应用利用其发光效应（如霓虹灯、日光灯）以及正常辉光放电的稳压效应（如氖稳压管）。

低压气体放电的一种类型，在发射光谱分析中用作气体分析和难激发元素分析的激发光源。

在玻璃管两端各接一平板电极，充入惰性气体，加数百伏直流电压，管内便产生辉光放电，其电流为10-4～10-2A。

放电形式与气体性质、压力、放电管尺寸、电极材料、形状和距离有关。

辉光放电的特征范文辉光放电是一种在气体中观察到的放电现象，具有独特的几个特征。

下面将介绍辉光放电的特征，并说明其在不同条件下的变化。

1.光辉特征：辉光放电具有辉光现象，呈现出光亮的特征。

辉光放电的颜色可以因气体成分不同而有所区别，例如氮气中的辉光为紫色，氩气中的辉光为蓝色。

辉光强度取决于放电电流和电压的大小，强电流和高电压会导致辉光更加明亮。

2.电压特征：辉光放电的特征之一是需要一定的电压来维持。

当电压升高到临界值时，放电才能发生。

这个临界电压取决于气体种类和放电环境条件。

在低压条件下，气体辉光放电通常需要数千伏的电压，而在大气压力下，辉光放电仅需要数百伏的电压。

3.显露特征：辉光放电在气体介质中呈现出一系列显露特征。

这些特征包括暗电流阶段、启动阶段、正常放电阶段和打火阶段等。

辉光放电的暗电流阶段是在较低电压条件下，气体中的电子开始加速。

启动阶段是在辉光放电初期，电压逐渐升高，电子与气体分子发生碰撞，产生新的电子和离子。

正常放电阶段是电子与离子之间的复杂相互作用过程。

打火阶段是当电压超过临界值，辉光放电开始产生的过程。

4.形态特征：辉光放电通常呈现出放电通道的特征，这称为辉光通道。

辉光通道可以是直线的，也可以是呈弧形或环形的。

通道的形状取决于电极的排列方式、电压大小和气体条件等因素。

辉光通道的宽度也会随着电流和电压的增加而变化。

5.电流特征：辉光放电通常伴随着电流的流动。

电流的大小与放电电压和气体种类有关。

在辉光放电时，电流可以是连续的或脉冲的。

在脉冲辉光放电中，电流的脉冲周期和脉冲宽度会受到控制，并且可以通过调控电压和气体压力来改变电流的强度。

6.断裂特征：辉光放电的一个显著特征是其放电路径会发生断裂。

断裂通常是由于电子的能量耗尽或物质的不稳定造成的。

断裂的位置会在辉光放电通道内部不断变化，导致辉光放电的瞬间闪烁。

总结起来，辉光放电的特征包括光辉、电压、显露、形态、电流和断裂等几个方面。

这些特征得到了广泛的研究和应用，例如在发光器件、放电管和激光装置中的应用。

辉光放电原理辉光放电原理（GlowDischargePrinciples）是研究带电流体的物理现象的科学理论，它涉及到带电粒子与电场的相互作用，在化学反应中也起着重要的作用。

辉光放电原理是电场加速、激发离子、电子与光分子的相互作用，其中所产生的电场强度与分子的激发状态有关。

它是研究充满带电粒子的电流体的基本原理，在物理、化学、材料科学等诸多科学领域中都具有重要的意义。

辉光放电作用于带电电解质（electrolyte），可以分为大气压式和低气压式两大类。

大气压式辉光放电通常发生在大气中和气体中，由放电空间中的电场加速离子冲击作用以及激发离子和电子释放光引起，这种辉光放电形式被称为大气压辉光等离子体（Atmospheric-pressure glows discharges）。

低气压辉光放电是由放电空间中的电场加速离子施加能量，使离子产生振荡以及激发离子和电子释放光，这种辉光放电形式被称为低气压辉光等离子体（Low-pressure glows discharges）。

辉光放电作用于不同含量的带电物质会产生不同的物理和化学现象，最经典的就是实验历史悠久的石蜡放电，它可以产生持久的蓝色辉光，随后辉光会逐渐变暗。

而辉光放电的化学现象则涉及到带电中离子的行为，如离子的聚集、离子的吸收以及它们产生的带电层的形成等，还有由其引起的共和体的形成，还可以诱发和改变多种物质的物理和化学性质。

辉光放电在实际应用中十分广泛，如石油加工和能源转换中的表面处理以及对固体表面电性和化学性质的改变，尤其在航空航天、医学、材料科学以及化学工程等领域中辉光放电的应用越来越普遍，它已经成为了一种重要的工业技术，用于许多不同的应用。

在现代工业中，辉光放电技术被广泛应用于各种表面处理，可以调整材料的表面电性和化学性质，改变表面的耐腐蚀能力、润湿性和力学性质等，从而延长材料的使用寿命。

同时，辉光放电也可以在空气中激发出振荡的离子和电子，从而可以利用它们产生的光改变大气环境，促进氧化反应和吸收环境中的有害物质等。