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偽火花放電是一種特殊的低氣壓放電，既具有輝光放電的彌散特征，又具備火花放電大電流、短時(shí)延和低抖動(dòng)的特點(diǎn)，同時(shí)能夠運(yùn)行于高重復(fù)頻率下。偽火花放電現(xiàn)象自20世紀(jì)70年代末被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，受到了國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注，在脈沖放電開(kāi)關(guān)、電子束源等方面獲得了廣泛應(yīng)用。

偽火花放電裝置具有如下特征：陰極為中空帶孔結(jié)構(gòu)，孔直徑、孔深度、主間隙距離均在2~10mm之間；孔的個(gè)數(shù)可以是一個(gè)或多個(gè)，形狀可以是圓形，也可以是環(huán)形槽或其他類(lèi)型；同樣地，裝置可以是僅由陰、陽(yáng)極構(gòu)成的單間隙結(jié)構(gòu)，也可以插入中間懸浮電極構(gòu)成多間隙結(jié)構(gòu)；常用的氣體介質(zhì)有氫氣、氦氣、氮?dú)?、氬氣和空氣等，工作氣壓一般?~100 Pa之間，擊穿特性位于巴申曲線左半支。

與高氣壓火花放電中少量電子引發(fā)雪崩電離并形成流注等貫穿性放電通道不同，在偽火花放電的結(jié)構(gòu)和氣壓條件下，電子的平均自由程大于或接近主間隙距離，間隙中少量電子難以引發(fā)足夠數(shù)量的雪崩電離并促使流注形成。

圖1所示為典型的單間隙偽火花放電裝置，觸發(fā)單元布置在陰極腔內(nèi)部，在觸發(fā)脈沖作用下產(chǎn)生初始電子，這些電子在自身動(dòng)能和透入電勢(shì)的牽引下穿過(guò)陰極孔并進(jìn)入主間隙，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與氣體分子發(fā)生碰撞電離，進(jìn)而引燃整個(gè)間隙。與霍爾推進(jìn)器、離子濺射源等裝置中穩(wěn)態(tài)或亞穩(wěn)態(tài)的空心陰極放電不同，偽火花放電關(guān)注的是大電流脈沖放電過(guò)程，空心陰極放電作為重要的等離子體倍增階段，為后續(xù)超密集輝光放電等階段中陰極表面形成數(shù)量眾多的微陰極斑點(diǎn)提供了必要條件。

圖1 偽火花開(kāi)關(guān)的典型結(jié)構(gòu)

偽火花放電研究可分為機(jī)理和應(yīng)用研究?jī)深?lèi)，前者借助光電診斷及仿真等手段闡明放電發(fā)生和轉(zhuǎn)變的物理機(jī)制，后者集中于偽火花放電在氣體開(kāi)關(guān)、電子束源、極紫外光源等中的應(yīng)用。

偽火花放電子過(guò)程多且轉(zhuǎn)變迅速，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種理論試圖解釋相關(guān)現(xiàn)象，但仍然沒(méi)有獲得廣泛認(rèn)可的清晰物理圖像。尤其是在小電流、低能量條件下，關(guān)于電流淬滅和阻抗波動(dòng)的發(fā)生機(jī)制和抑制措施研究還很不充分。此外，基于偽火花放電的氣體開(kāi)關(guān)、電子束源和極紫外光源的關(guān)鍵參數(shù)和運(yùn)行穩(wěn)定性等亟需提升，相關(guān)調(diào)控方法和應(yīng)用仍有待進(jìn)一步研究。

西安交通大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)對(duì)偽火花放電的物理機(jī)制和典型應(yīng)用進(jìn)行綜述，指出當(dāng)前存在的主要問(wèn)題，并提出今后可能的發(fā)展方向。

研究人員認(rèn)為，偽火花放電裝置中電子的平均自由程大于主間隙距離，單個(gè)的電子不能引燃主間隙。放電通道呈現(xiàn)出彌散狀態(tài)，顯著區(qū)別于火花放電和電弧放電的細(xì)絲狀通道，在預(yù)放電、空心陰極放電、超密集輝光放電和真空電弧放電等階段，維持電流的主要機(jī)制依次為湯遜放電、電子鐘擺運(yùn)動(dòng)、微陰極斑點(diǎn)爆炸式電子發(fā)射和宏觀陰極斑點(diǎn)發(fā)射。各個(gè)階段的轉(zhuǎn)變依賴于等離子體團(tuán)密度地持續(xù)增大和陰極鞘層的不斷壓縮，放電機(jī)制逐漸由氣相過(guò)程占主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)榈入x子體與陰極表面相互作用占主導(dǎo)。目前，有關(guān)超密集輝光放電的物理機(jī)制仍未形成公認(rèn)的理論，相應(yīng)地淬滅的物理機(jī)制也不清晰。

研究人員指出偽火花放電的應(yīng)用主要有偽火花開(kāi)關(guān)、電子束源和極紫外光源等。

1）偽火花開(kāi)關(guān)適合于高重頻和大通流的應(yīng)用場(chǎng)合，已被廣泛應(yīng)用于多種脈沖功率系統(tǒng)，如激光器、等離子體點(diǎn)火裝置、同步加速器勵(lì)磁裝置等。

2）基于偽火花放電的電子束源在電流密度和束流亮度等方面有著綜合優(yōu)勢(shì)，在時(shí)間分布上依次存在高能低密和低能高密的兩種主要組分的電子，其在太赫茲、材料處理和醫(yī)學(xué)研究等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

3）在下一代光刻技術(shù)中，基于偽火花放電的極紫外光源發(fā)展?jié)摿薮?，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)靶材污染和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，目前已達(dá)到21W/mm2sr的出光功率，距離工業(yè)應(yīng)用需求的115W/mm2sr仍有進(jìn)一步提升的空間。

研究人員最后表示，偽火花放電技術(shù)今后的主要發(fā)展方向有：一是闡明超密集輝光放電階段和淬滅的物理機(jī)制；二是采用新工藝和新方法進(jìn)一步提升偽火花開(kāi)關(guān)的壽命和工作穩(wěn)定性；三是改善基于偽火花放電的電子束源的束流特性、修正能量分布測(cè)量并拓展其應(yīng)用場(chǎng)景；四是提升基于偽火花放電的極紫外光源的平均出光功率、運(yùn)行穩(wěn)定性和連續(xù)運(yùn)行時(shí)間。

以上研究成果發(fā)表在2021年第11期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“偽火花放電的物理機(jī)制與應(yīng)用綜述”，作者為閆家啟、申賽康 等。