第七章弧光放电.docx

1、第七章弧光放电第七章、弧光放电最常见的弧光放电有电焊弧光放电，非常明亮刺眼，闪电也是常见的弧光放电。类似的放电为什么叫弧光放电呢？历史上最初的电弧放电是在大气中产生的，在两个相隔很近的放电电极间加以电压（电源功率很大，且限流电阻较小），就会产生明亮的放电火焰，火焰中气体温度很高，因为热空气上升，冷空气从下方来补充，使发光部分向上形成拱形，所以将这种放电称为电弧放电或弧光放电（Arc discharge）。而现在把具有这类放电机理和放电特性的放电均称为弧光放电。弧光放电的最大特点是大的放电电流密度，较低的阴极位降电压(低电压、大电流)。 7.1 弧光放电的特征与分类一、弧光放电的几种起弧方法1.

2、 起弧方法：1放电电极接触-分离式起弧方法：先将两放电电极接触，加以直流或交流电压，形成电流，然后再将两电极分离开，而形成弧光放电。原因是两电极接触不良处产生局部高温，而且局部电场很强（虽然两电极间只有几十V的电压，但是极间距离0），极易形成弧光放电。电弧焊机就是采用的这种起弧原理；2直接在两放电电极间加以超高电压起弧：大气的击穿场强约为30KV/cm，也就是说，处于大气中的放电电极间距为1cm两个电极，加以30KV的电压，就可以直接起弧。雨天的闪电就是直接起弧。3辉光放电过渡起弧（常用的起弧方法）：正常辉光放电增大放电电流就会进入到反常辉光放电区，此时阴极位降区的电场强度会增大，继续增大放电

3、电流，打到阴极上的正离子数量和动能都会随放电电流的增大而增大，而导致阴极表面温度Tc升高，当电流增大到使阴极温度上升到足以产生强烈的热电子发射时，管压降突然下降到很低的水平，放电发生质的变化，从辉光放电过渡到了弧光放电。2. 过渡起弧过程的伏安特性在正常辉光放电中，阴极位降（UcUn）几乎不随放电电流的变化而变化，阴极温度Tc也比较低，当进入反常辉光放电区后，管压降随放电电流的而，且Tc也增大，放电电流继续增大，就进入了弧光放电区。图7.1是钨丝做阴极，镍片做阳极，60Kpa Ar气条件下得到的放电管的伏安特性曲线及阴极温度变化曲线（阴极面积很小，放电电流为mA）。从图7.1，可以看出，辉光放

4、电时，管压降比较高，而放电电流很小，阴极温度比较低。过渡到弧光放电后，放电特征发生了质的变化。放电规律为：1过渡到弧光放电后，管压降Ua随放电电流I而，接近于电离电位Ui；2阴极温度Tc随放电电流I而；3阴极热发射电流在放电总电流中所占比例明显增大，图7.2给出了辉光放电到弧光放电h随阴极温度的变化实验曲线。a)辉光放电中，阴极发射主要是g过程，阴极热发射电流仅占总放电电流的3%()，阴极温度比较低（Tc1750K）；b)当阴极电流达到60mA时（刚开始进入弧光放电区），阴极温度Tc2210K，阴极热发射电流所占比例达到24%。管压降Ua迅速下降到70V左右（接近电离电位）；c)放电电流继续增

5、大，Tc、h都随之增大，阴极热发射电流占主要部分-弧光放电的特征()。二、弧光放电的一般特征（与辉光放电相比） 弧光放电中阴极发射电子的机理主要是热发射(难熔或低导热的阴极材料)或场致发射(易熔或高导热的阴极材料)，而辉光放电的阴极电子发射主要是g过程； 弧光放电的阴极位降只有几V几十V，而辉光放电的阴极位降为几百V；4弧光放电的阴极电流密度很大（几十mA几千A/cm2），而辉光放电中阴极电流密度只有mAmA/cm2；5高气压弧光放电为连续光谱(低气压弧光放电为分立光谱)，而辉光放电为分立光谱。6弧光放电为下降的VA特性曲线（Ua随放电电流I增大而降低），而辉光放电中，阴极位降Un几乎为常数。

6、三、弧光放电的分类1、按阴极发射机理分类：1自持的热阴极弧光放电：这种放电中，阴极材料通常是难熔金属（例如Fe、Ni、W、C等高熔点金属），当阴极温度2200K时，阴极上发生强烈的热电子发射，电弧焊就是热阴极弧光放电；2自持的冷阴极放电：阴极材料用极易蒸发、导热性好的阴极材料（例如Hg、Ag等），阴极温度不可能很高，阴极的电子发射一般为场致发射。此时金属蒸汽导电性很好，与阴极表面形成很小的间隙，场强很强，极易形成场致发射电子；3非自持弧光放电：需对阴极辅助加热，使阴极产生热电子发射，辅助加热一旦去除，弧光放电就会终止，因而称为非自持弧光放电。2、按所充气体压强分类：1低气压弧光放电：当放电气体

7、气压P1.3Kpa(10Torr)时，弧光放电除阴极区(阴极位降UcUi)外，正柱区和阳极区性质与正常辉光放电相同，正柱区仍为明亮发光的等离子体，充满整个放电管，光谱仍为分立光谱（电子碰撞电离和激发，与辉光放电类似）；2高气压弧光放电：当气压达到数KPa，甚至更高，正柱区随气压P的而出现向管轴方向收缩现象，出现明亮的弧光线，放电电弧中的温度很高（1000K以上），当气压达到106Pa时，弧光放电的电弧线直径可以小于1mm，具有等温等离子体特性，光谱为连续光谱（热发射）。7.2 弧光放电的阴极发射机理在所有的放电中，阴极发射都是必不可少的，辉光放电中，阴极发射主要是g过程，而在弧光放电中，由于放

8、电种类不同，阴极发射机理亦有所不同，下面就讨论三种弧光放电的阴极发射机理。一、自持热阴极发射1、自持热阴极电子发射在辉光放电中，正离子流在阴极表面产生g过程，使阴极产生次级电子发射，此时，；而在热阴极发射的弧光放电中，阴极由难熔的金属材料制成，阴极温度对阴极发射起着至关重要的作用。正离子在阴极位降区被电场加速打到阴极上，将自己的动能和电离能转交给阴极，使阴极保持足够高的温度，从而维持强烈的热电子发射，阴极上的电流主要是热发射产生的电子流， 已达几十%。与辉光放电 2%有本质的区别。弧光放电的阴极电流密度j很大（mAKA/cm2），能在热阴极弧光放电的阴极表面上观察到明亮的阴极斑点，阴极热电流集

9、中在该斑点处，保持大的电流密度。从而维持足够高的阴极温度来满足热阴极弧光放电。这样外电路的限流电阻上的电压，导致放电管电压降。为了保证热阴极弧光放电具有大的阴极电流密度je，使放电电流集中到阴极表面的一小区域上，形成阴极亮斑点。总之，自持热阴极弧光放电的阴极发射为热阴极电子发射。2、阴极位降区的正离子流密度由弧光放电的阴极位降UcUi电离电位，可知，阴极位降区厚度，也就是说，电子从阴极发射后，在厚度为的阴极位降区内加速，能量达到电离电位，与基电子态的原子碰撞而电离。在放电电流很大时，阴极位降区存在着大量的激发态原子，可以产生累积电离，实验发现，某些情况下，阴极位降Uc有时低于电离电位Ui。正离

10、子主要产生在阴极位降区。知道了阴极位降区的厚度，且正离子主要在该区域产生，现在来分析阴极位降区内的正离子流密度ji。阴极位降区的一端是阴极表面，另一端是正柱区。由于正柱区内电子速度远比正离子速度大，所以正柱区以正空间电荷效应为主，至少在阴极位降区与正柱区交界面处正离子空间电荷效应非常明显。阴极位降区内带电粒子运动情况如图7.3所示。从阴极上发射的电子在向正柱区运动过程中得以加速，在一个自由程内产生碰撞电离，原来的电子与新产生的电子一同进入正柱区，而正离子向阴极运动。由于，所以正离子就像在真空中一样，做与电场方向一致的直线运动。因此可以把阴极和正柱区看作两平行平面电极系统，且可以把正柱区看作正离

11、子源。取，Uc=Ui，阴极位降区的正离子流密度为： （7-1）例如，室温下（300K），一个大气压的N2， =6*10-6cm。弧光放电情况，气体温度Tg3000K，气体压强仍为一个大气压，但粒子密度降低一个量级，由此得到，由（7-1）式可得阴极位降区的正离子流密度ji=180A/cm2。（一般情况下弧光放电阴极位降区正离子流密度达到100200A/cm2）。3、阴极区中的比值阴极从正离子获得的能量包括两部分：一部分是正离子在阴极位降区获得的动能eUc，另一部分是正离子的电离能eUi。当正离子从阴极表面拉出一个电子时，需要消耗逸出功，且电子还可以有动能，正离子流交给阴极的最大能量（功率）为：

12、（7-2）电子发射使阴极所损耗的能量为： （7-3）两者达到平衡时有： （7-4）-加热阴极仍以N2放电为例，以C为阴极材料，求得，由前面的，而实际测量结果为，理论与实验符合的很好。二、自持冷阴极发射（,而辉光放电）在冷阴极发射的弧光放电中，阴极材料一般为易熔、导电导热性好的金属材料（Hg、Al、Cu等）。例如Hg阴极，虽然阴极表面也出现明亮的斑点，电流密度达到400A/cm2，但是阴极斑点出的阴极表面温度只有500600K，不可能出现热发射，一般为场致发射。当电流密度增大时，阴极温度也随之升高。当达到熔点时，低熔点的阴极材料开始蒸发，这些蒸汽分子所产生的正离子在阴极表面附近距离内产生极强的电

13、场，导致阴极发生场致电子发射。仍以Hg阴极为例，阴极斑点处产生强烈的蒸发，该区域内的Hg2浓度远大于Hg2的平均浓度，而Hg阴极的阴极位降约为10V，阴极位降区厚度dc10-410-5cm，这样空间电荷产生的场强约为105106V/cm。在这样的场强作用下，冷阴极完全可以107A/cm2的电子发射。也就是说自持冷阴极发射主要是场致阴极发射。三、非自持热阴极弧光放电1、阴极发射机理非自持热阴极弧光放电通常采用氧化物阴极或原子层阴极，放电靠外加电源来加热阴极，使其产生高温来维持足够的热电子发射。这种放电称为外加热阴极弧光放电。在非自持热阴极弧光放电中，电子从整个阴极表面发射出来，所以不形成阴极斑点

14、。管内产生的正离子的功能，不是为了轰击阴极产生次级电子，只是为了抵消阴极空间附近的空间负电荷效应。因此，只需很低的阴极电压就能获得大的放电阴极电流，阴极位降UcUi。切断外加加热电源，放电立即终止。非自持弧光放电的阴极发射是阴极表面的均匀热发射。2、阴极位降区的比值在非自持热阴极弧光放电中，阴极位降区位于阴极与正柱区之间。因为不需要正离子的猛烈轰击，阴极表面的空间负电荷很小，阴极表面与正柱区交界面处电场强度趋近于0。当气压较低时，阴极位降区厚度，这样在阴极位降区内，电子和正离子的运动仍为直线运动。阴极位降分布与热阴极发射相似。阴极发射电子，正柱区的正离子向阴极运动，正、负空间电荷效应相当，只是

15、阴极表面处电子多，正柱区交界面处正离子多，形成稳定的净余空间电荷分布。阴极位降区电场、位降及空间电荷分布如图7.4。在阴极位降区内，电子流密度与正离子流密度符合相同的规律，即： （7-5） (7-6) (7-7)这是一个非常小的值，对于最小的气体粒子(H2或He),。所以，说明在阴极位降区内发生碰撞电离的几率非常小，碰撞电离过程主要发生在正柱区（等离子体区）。而在自持弧光放电中，阴极位降区碰撞电离非常剧烈。这也是二者的区别之一。四、等离子体区（正柱区）的电子温度实验证明：弧光放电正柱区等离子体中的电子也主要以乱向运动为主，电子通过与原子、离子或激发态原子的相互碰撞进行能量交换，从而形成一个稳定

16、的能量分布，该区域的电子速度分布基本上符合Boltzman-Maxwell分布。有的电子能量超过放电气体的电离电位，会产生碰撞电离。这也与辉光放电正柱区相似。在弧光放电等离子体区中，可以由带电粒子的消失速度来估算正柱区的电子温度Te。假设正离子主要消失在阴极上，可以将阴极区离子流与电子流之比看作“能产生电离的电子比率”(正离子流密度均来自于正柱区内的电子碰撞电离)。以Ne为例，即要求平均200个电子产生一次电离，也就说有5%的电子的动能大于Ne的电离能（21.5eV）；假设大于电离能的电子能够全部产生电离，且电子速度符合Boltzman-Maxwell分布，从而可以倒推出电子温度Te3.5eV

17、。这与辉光放电等离子体的电子温度相近。如果考虑放电管气壁效应，电子温度可能会略高。7.3 弧光放电等离子体区的物理特性一、弧光放电等离子体的一般性质弧光放电正柱区内正离子密度与电子密度相等，净空间电荷为0，为等离子体。然而在低气压和高气压情况下等离子体区性质有很大区别。从宏观上讲，低气压弧光放电正柱区等离子体充满整个放电管，其性质也与辉光放电等离子体相同，而高气压弧光放电的正柱区的性质与辉光放电大不相同。等离子体颈缩：在高气压情况下，由于高气压弧光放电的不稳定性，当电流密度增大到一定程度，正柱区就会出现收缩变细现象，此时正柱区不再与放电管管壁相接触，这种现象称为等离子体颈缩。低气压、高气压两种

18、情况下的弧光放电，两者性质的不同，可以从电子温度Te、气体温度Tg、带电粒子的产生与消失几个方面讨论。1、正柱区电子温度、气体温度的差异在低气压情况下，正柱区充满整个放电管，放电气体温度Tg较低，仅高于管壁周围的环境气温，而电子温度Te很高，其电子能量足以产生强烈的碰撞电离（Tg60330K,Te35*104K4-6.5eV，1eV=7733K）。二者均与r无关。随着气压的升高，弧光放电正柱区的气体温度Tg升高，而电子温度Te降低。气体压强很高时，正柱区收缩成一条沿管轴的细丝，气体温度Tg接近电子温度Te，且都是r函数，等温等离子体区。弧光放电等离子体区气体温度Tg、电子温度Te随放电气体压强

19、的变化趋势如图7.5。其原因就在于气压很高时，电子与气体的碰撞频率非常高，虽然每次碰撞传递给气体的能量很少，但碰撞次数很多，显著的加热了中性气体，直至达到热平衡。2、带电粒子产生过程的差异低气压弧光放电或辉光放电的正柱区，电子温度TeTg，补偿带电粒子损失的主要过程是快电子的碰撞电离；而在高气压弧光放电情况下，正柱区是等温等离子体，带电粒子的产生主要是热电离过程。3、带电粒子消失过程的差异在低气压弧光放电和辉光放电的正柱区，带电粒子的消失过程主要发生在气壁上。由于电子扩散比正离子快得多，所以管壁上带负电性，电子在管壁处与正离子复合。而在高气压弧光放电中，正柱区收缩为细放电丝，从正柱区扩散出来的

20、电子和正离子在温度较低的气体层中就会完全复合。因此管壁附近没有带电粒子，也不发光。此时，正柱区高密度的气体代替气壁起限制正柱区的作用。二、弧光放电等离子体区的能量平衡正柱区从外加电场获得能量，而能量的损失主要是辐射、热传导及对流损耗等。从能量损耗的角度可以得到轴向电场强度E、放电电流I、放电管半径R、气压等参数的关系。1、正柱区内的径向温度分布单位时间、单位长度正柱区所获得的能量为：EI。损失的能量包括：辐射损耗W(T)，热传导损耗（R-正柱区收细的半径，k热传导系数）。对流损耗，若设计合理对流损耗可以消除。主要考虑辐射损耗和热传导损耗。在热平衡状态下，有： （7-8） 令温度分布函数为： （

21、7-9）在r=0（放电管轴线）处，T=T0；在r=R处，TR=T0/2，对（7-9）式求导得： （7-10）代回（7-8）式得： （7-11）从（7-9），（7-11）式，可以得到：放电管正柱区径向温度分布曲线如图7.6。在高气压情况下，由于电子与气体粒子的碰撞非常频繁，使得电子温度Te与气体温度Tg几乎相同，Te场分布也同于图7.6。2、高气压弧光放电正柱区的收细弧光放电中，正柱区光柱半径随气体压强P的增大而变小，但光柱半径不可能无限制的变小，最终会稳定在一个合适的半径值处。为什么会稳定于某一合适的半径值处呢？可以从两种极端情况进行分析。a)正光柱半径很大：这样必然会导致电流密度很小，Te=

22、Tg很低电离程度很低，为了维持一定的放电电流（弧光放电为大电流密度放电），需要增大电场强度E；b)正光柱区半径很小：此时Te=Tg很高，热电离程度很大，但正光柱截面积很小，热传导较强，导致Tg降低，为了维持很大的放电电流密度，也需要增大电场强度E。综合考虑，总会有一较小的电场强度E，对应合适的正光柱半径。7.4弧光放电的阳极位降区前面介绍了弧光放电的阴极位降区的特性，与辉光放电一样，阴极位降区也是弧光放电不可缺少的放电区域。不管电子发射是热阴极发射（自持热阴极发射和非自持热阴极发射），还是冷阴极的场致发射，该区域都必须提供维持自持放电的电子雪崩，所以都需要阴极位降区。但弧光放电的阴极位降与辉光

23、放电的阴极位降差异很大，辉光放电的阴极位降一般为70400V，而弧光放电的阴极位降仅为几V（接近于电离电位）。阳极区是个过渡区，正柱区的电子经过阳极区进入阳极，再传到外电路形成电流。这样阳极区的放电性质与放电电流的大小、阳极材料、阳极形状等参数有很大关系。阴极区的电位可能是升高的，也可能是降低的，也可能维持不变。这首先决定于阳极接收电子的情况。假定通过正柱区与阳极区交界面，而跑向阳极的杂乱电子电流为：，而外电路供给的电流为Ia（由外电路参数决定），就会有三种情况。当，外电路电流Ia与杂乱电子运动所提供的电流相等，此时，阳极区的电场强度E=0阳极位降区的位降Ua=0；当时，乱向运动电子提供的电流

24、不能满足外电路电流需要，为了满足外电路的电流要求，就要求在阳极区的电子产生一定的定向运动，以增大IP值。所以阳极区的电场强度E0，所以阳极区位降Ua0。当时，乱向运动到达阳极的电子流IP大于外电路电流Ia，阳极上就会堆积多余的电子，从而产生一个负向电场(E0)，就形成了相对于等离子体正柱区更低的电位，即Ua0。第二个因素就是，如果阳极附近的等离子体中正离子产生不足，或者正离子向阳极区扩散不够。由于阳极区电子的负空间电荷效应作用的结果，导致单位时间内到达阳极的电子数减少。为了满足外电路的电流要求，阳极区应产生必要的电离。这样阳极区就需要建立稍高于等离子体正柱区的电位，即Ua0。总体效应是阳极区具

25、有略高于等离子体正柱区的电位，其数值与阴极区位降相近（Ua几V）。7.5 弧光放电的伏安特性弧光放电的伏安特性与气体种类、气体压强、阴极材料（阴极发射性质不同）有关。1自持热阴极弧光放电；在低气压情况下具有下降的伏安特性，即负阻特性 ；就是在高气压小电流或中等水平电流情况下，也是下降的伏安特性；在大电流弧光放电情况下，正柱区轴向电场E为常数，管压降Ua几乎不再随放电电流变化而改变。自持热阴极弧光放电的伏安特性曲线如图7.7。放电电流不太大时，呈现为下降的伏安特性，当放电电流很大时，放电管压降Ua几乎不随I变化。2正柱区很短的非自持热阴极弧光放电的伏安特性从着火前到超大电流弧光放电，可以分成四个

26、区域：a)放电着火前阶段：是被激导电段，随着电压升高，放电电流 慢慢增大，总体讲电流很小；（A-B段）b)着火向弧光放电过渡阶段：当电压升高到着火电压时，放电电流急剧增大，管压降Ua急剧下降（B-C段）；c)正常弧光放电段：管压降Ua几乎不随放电电流I变化；d)当外电路电流很大时，阴极发射发射的电流已不能满足外电路电流要求，此时必须以增大管压降Ua的方式提高阴极的电流发射能力（C-D段）。7.6 高气压、高功率密度放电的稳定性一、等离子体颈缩（辉光崩溃）现象在高气压放电中，当放电电流密度增大到一定值就会出现等离子体颈缩（plasma contraction）。在大面积辉光放电中，即使两个平板电

27、极非常光滑、平行，如果放电气体气压较高，当放电功率密度增大到一定值，就会出现放电不稳定。通常孤立地在一处或几处出现很细的丝状放电，这些细丝放电通道的电流密度达到103104A/cm2，且温度很高。这些细放电丝实际上就是收细的弧光放电正光柱。例如在大功率横向激励的CO2激光器中，两放电电极有时均采用平行平板电极。放电气体(CO2+N2+He)稍微高一点，放电就会出现拉丝现象（就像缩小了的雨天闪电丝），这就是我们能接触到的等离子体颈缩的事例。到目前为止，对于高气压情况下产生等离子体颈缩的原因了解的还不透彻，已有证据表明属于热不稳定性。二、等离子体颈缩的热不稳定性解释1、气体密度或电子密度扰动产生热

28、不稳定性当气体压强增大时，碰撞频繁，产生的热量不易很快散发出去，使局部气体密度产生涨落（用dn表示）。当某处气体密度下降，由于等离子体区内轴向电场强度是均匀分布的（E=常数），局部区域，且比局部气体密度变化dn大得多。特别是在轴向电场方向上，倍，从而导致等离子体内电流分布不均匀，局部区域电子流密度je急剧增大，这种局部不均匀性就会导致辉光放电崩溃（产生丝状放电）。2、分子能级的振动-平动(V-T)弛豫引起热不稳定性分子能级的V-T弛豫也是引起高气压分子气体放电等离子体产生颈缩的主要原因。因为电子很容易激发分子的振动能级，而振动能量又可以通过同V-T弛豫转变为平动动能 ，从而导致局部气体发热 。

29、且气体温度Tg越高，V-T弛豫越快，从而进一步使气体温度Tg升高，这种正反馈作用，更加剧了局部气体温度上升，引起局部区域电子流密度je急剧增大，最终导致等离子体颈缩。实验证明，同种气压、同种放电电流密度情况下，原子气体比分子气体放电稳定得多。三、防止出现局部等离子体颈缩的措施为了获得大面积均匀放电，往往采取某些措施防止局部热颈缩的形成。常用的方法有：1在大面积脉冲放电中加入预电离技术（紫外线照射阴极、放射线照射阴极或主放电脉冲到达之前，首先在辅助电极与阴极间加一弱脉冲，产生初始电子）以增大大面积脉冲放电的均匀性。图7.9是辅助电极预电离的电极剖面图。在主放电脉冲到达之前，先在辅助电极与阴极之间

30、加一脉冲电场（因为辅助电极与阴极间间隔太小，通常是将辅助阴极细丝封闭于毛细玻璃管内，加一很弱的脉冲电场就能使阴极产生阴极电子），使阴极表面产生自由电子，使得主放电脉冲到达时，能产生大面积的均匀放电。2放电气体的快速流动，获得大面积均匀放电。在连续或脉冲放电中，为了获得大面积均匀放电，使放电气体快速地通过放电区域，这样放电产生的热量由流动气体迅速带出放电区，降低放电气体的温度，从而获得大面积均匀放电。小结：1、弧光放电与辉光放电的比较：1弧光放电是在一种低电压、大电流放电（阴极位降UcUi，电流密度几十mA几KA/cm2）；而辉光放电是高电压、小电流放电（阴极位降Uc几百V，电流密度mAmA/c

31、m2）；2弧光自持放电的阴极发射过程主要是热发射或场致发射；而辉光放电的阴极发射主要是g过程；3高气压弧光放电为热发射，放电气体温度Tg达到10000K时，发出明亮的白光，为连续光谱；而辉光放电的发光颜色随放电气体不同而不同，所发光为分立光谱；4低气压弧光放电正柱区与辉光放电正柱区性质类似，都为非等温等离子体，即有TeTg，而Tg略高于环境温度，带电粒子产生主要是碰撞电离；而高气压弧光放电正柱区并不完全充满放电管，为收细的等温等离子体，即Te=Tg10000K以上。带电粒子的产生主要是热电离过程；5弧光放电的伏安特性为随I增大，Ua下降负阻特性，而辉光放电的管压降Ua几乎不随I变化；2、弧光放电的阴极位降区厚度dcle，阴极位降UcUi3、辉光放电的不稳定性导致辉纹放电，而弧光放电的不稳定性导致等离子体颈缩。