微空心阴极放电的基础科学问题的研究

Being capable of stably producing non-thermal plasma at atmospheric pressure, microhollow cathode discharge (MHCD) has a potential in various applications. However, the applications of MHCD in many fields have often occurred by trial-and-error, i.e. without having a good understanding of the underlying basic science. Aiming at some not fully solved problems in basic science of MHCD, we will further investigate the following issues: the mechanisms and conditions for producing “hollow cathode effect”; the similarity of hollow cathode discharge (HCD) and its physical meaning; diagnostics of MHCD plasmas based on the similarity of HCD; the essential difference between MHCD at atmospheric pressure and HCD at low pressure. All these researches will be helpful in deeply understanding MHCD and promoting the applications of MHCD.

微空心阴极放电可以产生稳定的大气压非热平衡等离子体，因而具有广泛的应用前景。但是，在许多应用领域，由于不了解该放电现象背后的基础科学，人们只好采用屡试屡败，屡败屡试的方法。本申请针对低气压空心阴极放电和高气压微空心阴极放电仍未解决的一些基础科学问题展开研究，具体研究内容包括：“空心阴极效应”产生的原因，条件和判断方法；空心阴极放电相似性及其物理含义；基于放电相似性的微空心阴极放电等离子体诊断方法；大气压微空心阴极放电与低气压空心阴极放电的本质差别。项目的完成将有助于人们深入了解微放电，促进微放电等离子体应用的发展。

空心阴极放电(尤其是微空心阴极放电)可以产生大面积的稳定的大气压非热平衡等离子体，它在等离子体照明和显示，准分子真空紫外辐射源等领域具有重要的应用前景。本项目的主要研究内容是：1、正常辉光放电阴极区约化长度p.dn的实验确定方法，其中p是气压；2、中空阴极放电模式的工作范围；3、大气压下实现中空阴极放电模式的可行性；4、中空阴极放电的相似性及其物理含义。本项目取得的重要结果是：1、正常辉光放电阴极区约化长度p.dn是研究中空阴极放电的重要参数。我们提出了一种利用朗缪探针测量p.dn的方法，并成功地得到了不同气体和不同阴极材料组合下的p.dn数值。2、基于实验测量得到的铝阴极和氩气中空阴极放电伏安特性，我们发现：当阴极孔径D在50微米至300微米范围内时，中空阴极放电模式的工作范围始终为1Torr.cm至4Torr.cm。基于p.dn和p.D的相对大小关系，我们对此现象进行了物理解释：只有当p.D略大于2p.dn时，孔内两个相对顶的正常辉光放电才能产生“钟摆电子”，这是产生“中空阴极效应”的条件。3、利用50微米狭缝的“U”型铝电极，实现了大气压下氩气中空阴极放电模式，这证明了大气压下中空阴极放电模式的可行性。4、实验表明：若p.D略大于2p.dn，则中空阴极放电满足汤森相似性；若p.D比2p.dn大的多，则满足Allis-White定标律。产生此现象的原因至今仍不清楚，我们进行了猜测：中空阴极放电是阴极中孔内两个对顶的辉光放电，阴极区对辉光放电是必不可少的，并且它满足汤森相似性，而其它各区（如等离子体正柱区）对辉光放电是可有可无的，它不满足汤森相似性。若p.D比2p.dn大的多，则意味着除阴极区之外，阴极中孔内还存在其它各区，它们破坏了汤森相似性。但是，理论分析，数值模拟和实验结果均表明：平行平板电极间的正常辉光放电正柱区不会破坏汤森相似性。