基于电子注入的微腔放电紫外辐射机理及特性研究

UV light source is greatly involved in the environmental, energy source, fabrication, luminance, medical, and biology science, because of its tremendous characteristics in florescence, biology, photochemistry and photo-electronics. Nevertheless, low efficiency is still an open question in mercury free UV light source, restricting the development of the UV light source technology. Therefore, improving the efficiency of the UV light source is the key scientific problem. The fundamental research to improve UV emission efficiency by injecting ballistic electrons into microcavity plasma is proposed. The electrode structure of the electron source, composite oxidation method and polymeric barrier developing method is researched to explore the key process in developing the microcavity device having electron source operated in high pressure noble gas. Negative resistive effect, surface electric field distribution of the electron source, and mechanism of electron exciting gas are researched, and manipulation methods in efficient electron emission control and gas discharge excited by ballistic electrons are proposed. Meanwhile, electron energy distribution is analyzed and UV emission properties are explored. The research results shows scientific significance in research of compatible and efficient UV light source, and has theoretical and applicable value in promoting the development of UV light source in our country.

紫外辐射源可广泛应用于环保、能源、加工、照明、医疗、生物和国防等领域，但是无汞紫外辐射源输出效率低，制约了紫外辐射源的发展和广泛应用。因此，研究新的紫外辐射机理、发光材料和器件，获得高效率的紫外辐射技术，是当前紫外光源研究首要解决的科学问题。本项目将开展电子注入激发微腔放电，提升紫外辐射效率的基础研究。通过研究电子源表面电极结构、复合氧化方法、以及聚合物障壁生长技术，获得可在气体氛围高效、稳定工作的电子源微腔关键制备工艺；研究电子源的负阻效应、电子源表面电场分布、以及电子激发气体发光的机理，获得高效率电子注入和电子辅助激发气体放电的控制方法；研究电子能量分布、电子能量控制方法，以及电子能量与气体激发能的匹配关系，获得电子源微腔器件高效率紫外输出特性。研究结果对辐射效率高且易于集成的紫外辐射源的研究，以及推动我国紫外光源及相关产业的发展具有重要的科学意义和应用价值。

微腔等离子体具有高电子浓度、高负载功率、放电空间小、电场强度高、可在很宽气压范围内稳定持续产生活性粒子和紫外辐射等特点，受到人们广泛关注。向微腔中注入电子时，电子在强电场下获得能量轰击气体分子，不仅可以降低气体着火电压，提升气体电离效率，当电子能量与气体激发能匹配时，还可以显著提高气体激发及紫外辐射效率。然而，电子注入对于微腔气体放电的作用机理及特性尚不明确，电子源微腔器件的关键制备工艺仍有待研究优化。解决上述问题是推动微腔等离子体在紫外光源及相关领域应用的关键。.项目设计了电子源制备工艺及结构，实现了电子向微腔器件的有效注入；研究获得了电子源-微腔新型器件的一体化结构及关键制备工艺；制备了可稳定工作的电子源-微腔阵列器件；设计并搭建了全参数可调、且能适应不同负载的双极性高压纳秒脉冲驱动系统；研究了电子注入对微腔气体放电特性的影响规律及作用机理。另外，为了研究微腔等离子体的放电特性，项目建立了基于漂移扩散近似的二维流体模型和蒙特卡洛粒子模型，研究了微腔等离子体的耦合机理；实验研究了不同驱动参数对微腔等离子体非线性特性及电学、光学特性的影响规律。.本项目的研究内容及成果，是获得无污染、高辐射效率，体积小的新型紫外器件的重要基础，对我国紫外光源及相关产业的发展具有重要的科学意义。