大氣壓放電應(yīng)用在很多領(lǐng)域時(shí)，其放電的均勻性顯得十分重要。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出影響大氣壓射頻放電的均勻性的條件。實(shí)驗(yàn)中研究的影響因素有介質(zhì)阻擋、放電電壓、放電氣體組成以及放電間隙。實(shí)驗(yàn)采用單反照相機(jī)以及ICCD照相機(jī)對(duì)放電進(jìn)行拍照，觀察不同參數(shù)放電下的放電模式。通過(guò)放電現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)對(duì)維持大面積均勻輝光放電影響最大的因素是采用介質(zhì)阻擋和放電氣體的組成，影響較小的是放電電壓。放電間隙在可維持放電的間隙范圍內(nèi)對(duì)放電模式影響很小。實(shí)驗(yàn)得出，改變這些條件會(huì)使均勻輝光放電中出現(xiàn)放電絲，或完全轉(zhuǎn)變?yōu)榻z狀放電甚至熄滅。

　　氣體放電是產(chǎn)生等離子體的一種最重要途徑，它在薄膜生長(zhǎng)和材料表面改性等方面有廣泛的應(yīng)用。然而大部分氣體放電都是在低氣壓下進(jìn)行的，要將等離子體工藝應(yīng)用于大規(guī)模的生產(chǎn)中，低氣壓等離子體還存在不少致命缺陷：放電必須在封閉的低壓空間中維持，因而設(shè)備成本、維護(hù)成本以及時(shí)間成本很高。顯然，大氣壓下的低溫等離子體更適合工業(yè)生產(chǎn)。為了對(duì)材料能夠進(jìn)行均勻的處理，人們希望獲得均勻的大氣壓等離子體輝光放電，而非絲狀放電。自從日本的Okazak等在1988年報(bào)道了在大氣壓條件獲得的惰性氣體的穩(wěn)定輝光放電，各國(guó)在這個(gè)課題上開(kāi)展了更多的研究工作。Michael　G　Kong等對(duì)大氣壓射頻介質(zhì)阻擋放電的模式轉(zhuǎn)換和放電機(jī)理進(jìn)行了大量研究工作。國(guó)內(nèi)董麗芳等對(duì)大氣壓中頻介質(zhì)阻擋放電的斑圖進(jìn)行了研究，張?jiān)鲚x等對(duì)大氣壓介質(zhì)阻擋輝光放電進(jìn)行了仿真研究。目前，采用射頻介質(zhì)阻擋被認(rèn)為是獲得穩(wěn)定的大氣壓輝光放電的有效方式，而對(duì)大氣壓射頻輝光放電的條件真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.healwit.com.cn/)還沒(méi)發(fā)現(xiàn)有人全面地進(jìn)行總結(jié)。本文從大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中總結(jié)了影響大氣壓射頻均勻輝光放電形成的因素，實(shí)驗(yàn)中改變的參數(shù)有介質(zhì)的存在、放電氣體成分、放電電壓以及放電間隙。

1、實(shí)驗(yàn)設(shè)備

　　實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，采用電容耦合射頻放電系統(tǒng)，電極分為銅電極和水電極。下電極銅電極連接射頻電源，面積為100mm×100mm；上電極水電極為注滿(mǎn)自來(lái)水的石英盒，內(nèi)置接地銅圈，面積比銅電極略大。上下電極均使用循環(huán)水進(jìn)行冷卻。文中部分實(shí)驗(yàn)上下電極均使用相同的銅電極。放電介質(zhì)采用石英介質(zhì)(尺寸為140mm×140mm×1mm)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要覆蓋在電極表面。放電的間距使用夾在上下電極邊緣之間的石英片來(lái)調(diào)節(jié)。電極的左側(cè)是混氣室，當(dāng)使用摻雜的氣體放電時(shí)，氣體在這里混合，然后經(jīng)篩板均勻進(jìn)入放電空間。射頻電源頻率為13.56MHz，最大功率2kW。放電的電壓和電流分別由電壓探頭(Tektronix P6015A)和電流探頭(Tektronix 6021AC)獲得，示波器(Tektronix DPO4104)用來(lái)采集探頭信號(hào)；實(shí)驗(yàn)中照片由單反相機(jī)(Nikon D90)以及ICCD照相機(jī)(Princeton Instruments公司的PI-MAX2)獲得。

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2、結(jié)果與分析

　　2.1、氬氣放電

　　2.1.1、裸電極

　　氬氣放電使用的上下電極均為銅電極，無(wú)介質(zhì)覆蓋在電極表面。通過(guò)調(diào)節(jié)放電功率和改變放電間隙，實(shí)驗(yàn)獲得了裸電極氬氣均勻輝光放電，如圖2(a)所示。但是發(fā)現(xiàn)，這種輝光放無(wú)法在較大面積和大間距的尺度下維持。首先，在實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件下，能夠擊穿的最大氣體間隙為1.5mm，并且為輝光放電。若此時(shí)增大放電功率，輝光放電會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槿鐖D2(b)所示的收縮的放電通道；若此時(shí)不增加放電功率，放電模式也很容易在一段時(shí)間后發(fā)生同樣的模式轉(zhuǎn)換，這主要是由于電極溫度上升所造成的。而在可實(shí)現(xiàn)輝光放電的間隙范圍內(nèi)，更大間隙的等離子體表現(xiàn)出更大的阻抗。

圖2　裸電極放電照片

　　因此從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，裸電極可獲得均勻輝光放電，但是對(duì)放電功率和電極溫度比較敏感，容易轉(zhuǎn)變?yōu)槭湛s的放電模式。

　　2.1.2、介質(zhì)阻擋氬氣放電

　　使用射頻介質(zhì)阻擋放電獲得均勻輝光放電的結(jié)果已經(jīng)有報(bào)導(dǎo)，本文利用ICCD照相機(jī)對(duì)放電模式進(jìn)行更準(zhǔn)確的判斷。兩塊電極均使用銅電極，石英片作為介質(zhì)覆蓋在銅電極上。放電間隙定位4.4mm，氬氣的氣流速度為2L/min(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))，在逐漸增加放電功率至氣體擊穿后，逐漸增加電源功率同時(shí)記錄電流電壓值。

　　圖3所示為實(shí)驗(yàn)中雙介質(zhì)氬氣放電功率最小和最大時(shí)的照片，對(duì)應(yīng)的電壓為550和1070V，可以看出等離子體既沒(méi)有發(fā)生收縮，也沒(méi)有出現(xiàn)放電絲，一直表現(xiàn)為均勻的輝光放電。這里需要說(shuō)明的是，在α模式下整個(gè)等離子的發(fā)光是均勻的，在γ模式下明顯介質(zhì)表面要更亮，這是由于介質(zhì)表面有大量的二次電子。但是我們同樣認(rèn)為這是一種均勻放電，因?yàn)樗鼘?duì)于二維的介質(zhì)表面是均勻一致的；這對(duì)于材料的處理不會(huì)像絲狀放電一樣產(chǎn)生不一致的影響。不同的放電間隙對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果影響較小，更大間隙的等離子體表現(xiàn)出更大的阻抗，且均未出現(xiàn)放電絲。

圖3　氬氣4.4mm介質(zhì)阻擋放電ICCD照片，曝光時(shí)間100μs

　　單介質(zhì)氬氣放電的情況與雙介質(zhì)卻截然不同，放電照片如圖3(c)和(d)所示，對(duì)應(yīng)的電壓為550和650V。上電極為裸露的銅電極，下電極為覆蓋有石英片的銅電極。從放電的照片可以看出，外加電壓較低時(shí)，放電是比較均勻的，沒(méi)有放電絲出現(xiàn)。而電壓達(dá)到650V后，等離子體中出現(xiàn)了明顯的放電細(xì)絲。隨著放電功率的增大，放電細(xì)絲的數(shù)量越來(lái)越多，放電絲直徑變大。這是輝光放電和絲狀放電共存的一種放電模式。

　　從氬氣放電結(jié)果可以得出，介質(zhì)阻擋和電壓是影響放電模式的重要因素，雙介質(zhì)阻擋可以保證放電維持大功率、大面積以及較大間隙的氬氣均勻輝光放電。在單介質(zhì)阻擋放電中，較低的電壓可以維持均勻輝光放電。

　　2.2、氬氣摻雜氮?dú)夥烹?/p>

　　2.2.1、雙介質(zhì)放電

　　除了電壓和介質(zhì)阻擋外，本文也研究了放電氣體對(duì)放電模式的影響，由于空氣是最方便且最廉價(jià)的氣體來(lái)源，因此實(shí)驗(yàn)在氬氣中摻入空氣中含量最高的氮?dú)膺M(jìn)行研究。為了更清楚觀察放電現(xiàn)象，這里上電極使用水電極，下電極為銅電極。實(shí)驗(yàn)采用4.4mm雙介質(zhì)放電，放電輸入功率固定為400W。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，采用氬氣放電。待放電穩(wěn)定后，逐漸增加氮?dú)饬髁�，同時(shí)減少氬氣的流量，而混合氣體的總流量保持2L/min不變。圖4為氮?dú)獾牧髁繛?，50，200和1000mL/min的放電照片。從圖中可以明顯看出，400W 輸入功率下的氬氣放電為均勻輝光放電，當(dāng)?shù)獨(dú)饬髁可仙��?0mL/min后，放電面積明顯發(fā)生了收縮，但是放電仍然為輝光放電，沒(méi)有出現(xiàn)放電絲。而氮?dú)獾牧髁坷^續(xù)增加到500mL/min時(shí)，放電完全轉(zhuǎn)變?yōu)榱私z狀放電。繼續(xù)增加氮?dú)饬髁恐?000mL/min時(shí)，放電仍然為絲狀放電，但是放電絲的數(shù)量大幅度減少，放電絲的顏色也由暗紅色變?yōu)樯钭仙�。如果繼續(xù)增加氮?dú)獾谋壤�，則放電不能維持。

圖4　3.3mm雙介質(zhì)氬氣摻雜氮?dú)夥烹娬掌?/p>

　　2.2.2、單介質(zhì)放電

　　純氬氣放電的實(shí)驗(yàn)得出了單介質(zhì)放電容易出現(xiàn)放電絲的結(jié)論。在氬氣摻雜氮?dú)鈫谓橘|(zhì)放電的實(shí)驗(yàn)中，對(duì)于氮?dú)獾谋壤龑?duì)放電模式的影響也進(jìn)行了研究，上電極仍為水電極，結(jié)果如圖5所示。放電功率保持為400W 不變，總氣流為2L/min。

　　由圖5可以看出，純氬氣的放電很均勻，沒(méi)有放電絲。氮?dú)饬髁考又?0mL/min時(shí)明顯地出現(xiàn)了一些放電細(xì)絲，但整體上還是均勻的放電。氮?dú)膺_(dá)到500mL/min時(shí)，放電出現(xiàn)了在銅電極表面收縮，在介質(zhì)表面擴(kuò)展的放電通道。這種放電通道與雙介質(zhì)氬氣摻雜氮?dú)夥烹姷姆烹娊z，除了尺寸上的區(qū)別外，這種放電通道的位置比較穩(wěn)定，會(huì)固定存在于電極的某個(gè)位置。而雙介質(zhì)放電中的放電絲穩(wěn)定性比較差。從氮?dú)饬髁繛?00mL/min時(shí)的放電照片可以明顯看出有兩種等離子體的存在，一種是在銅電極表面收縮，在介質(zhì)表面擴(kuò)展的放電通道；另一種就是均勻彌散的等離子體。當(dāng)?shù)獨(dú)獾牧髁刻岣咧?000mL/min時(shí)，等離子體的形式完全轉(zhuǎn)變?yōu)橐贿吺湛s，另一邊擴(kuò)展的放電通道。

圖5　3.3mm單介質(zhì)氬氣摻雜氮?dú)夥烹娬掌?/p>

　　通過(guò)對(duì)混合氣體中氮?dú)獾谋壤龑?duì)放電模式的影響的研究可以得出，在雙介質(zhì)氬氣摻雜氮?dú)夥烹娭�，氮�(dú)獗壤�的提高�?huì)使放電面積收縮，放電模式進(jìn)而發(fā)生改變；氮?dú)獗壤�較高時(shí)放電無(wú)法維持。這也是為什么普遍大家都采用惰性氣體來(lái)獲得等離子體，如氬氣和氦氣。從單介質(zhì)氬氣摻雜氮?dú)鈱?shí)驗(yàn)也可以得出類(lèi)似的結(jié)論。但從其放電通道可以看出，在裸電極表面放電通道更易收縮，這與之前氬氣放電的結(jié)果也是吻合的。

3、結(jié)論

　　通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，要獲得大面積、大間隙的大氣壓射頻均勻輝光放電，重要的條件有放電氣體、放電電壓以及介質(zhì)阻擋。裸電極的氬氣放電可以獲得小間隙的均勻輝光放電，但是放電對(duì)功率和電極溫度很敏感，很容易轉(zhuǎn)變?yōu)槭湛s的放電模式。采用介質(zhì)阻擋后，可以獲得大間隙的均勻輝光放電。雙介質(zhì)阻擋可以保證放電維持大功率、大面積以及較大間隙的氬氣均勻輝光放電。在單介質(zhì)阻擋放電中，較低的電壓可以維持均勻輝光放電，這說(shuō)明介質(zhì)可以防止放電絲的形成。最后，通過(guò)在氬氣中摻入氮?dú)�，得出使用惰性氣體放電也是獲得均勻輝光放電的重要條件，但摻入少量的氮?dú)庖部梢垣@得均勻輝光放電。同時(shí)，輝光放電和絲狀放電的機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。