偽火花放電的物理機(jī)制與應(yīng)用綜述

閆家啟 申賽康 孫國(guó)祥 丁衛(wèi)東

偽火花放電的物理機(jī)制與應(yīng)用綜述

閆家啟 申賽康 孫國(guó)祥 丁衛(wèi)東

（電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西安交通大學(xué)） 西安 710049）

偽火花放電是一種工作于巴申曲線左半支、引燃于空心陰極結(jié)構(gòu)、具有彌散的主放電通道的特殊低氣壓放電，在脈沖功率和等離子體等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。該文綜述了近年來(lái)有關(guān)偽火花放電物理機(jī)制和典型應(yīng)用的研究。首先分析偽火花放電主要過(guò)程的典型特征、微觀機(jī)制和影響因素，依次為預(yù)放電、空心陰極放電、超密集輝光放電和真空電弧放電四個(gè)階段；其次討論當(dāng)前偽火花放電研究中仍存在的問(wèn)題，如電流淬滅和阻抗波動(dòng)等；然后介紹偽火花放電的典型應(yīng)用，包括偽火花開(kāi)關(guān)、電子束源、極紫外光源等，并著重介紹相關(guān)裝置的參數(shù)水平和技術(shù)特點(diǎn)；最后探討偽火花放電研究今后的發(fā)展趨勢(shì)。

偽火花放電 物理機(jī)制 偽火花開(kāi)關(guān) 電子束源 極紫外光源

0 引言

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)[1]，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[2-3]。

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[2]。圖1所示[3]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[4]，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)[3]

1—觸發(fā)單元 2—絕緣支撐 C—陰極 A—陽(yáng)極0,0,0—放電回路參數(shù) C1—觸發(fā)陰極 A1—觸發(fā)陽(yáng)極1—限流電阻 PC—等離子體區(qū)0—充電電壓T—觸發(fā)脈沖

Fig.1 Schematic of the pseudospark switch[3]

偽火花放電研究可分為機(jī)理和應(yīng)用研究?jī)深?，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。

本文對(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。

1 偽火花放電的機(jī)制

偽火花放電具備明顯的階段特征，根據(jù)放電特征和物理機(jī)制的不同可以劃分為四個(gè)階段[6,8-11]：預(yù)放電、空心陰極放電、超密集輝光放電和真空電弧放電，如圖2所示。

圖2 偽火花放電各階段的典型特征[7]

1.1 預(yù)放電

當(dāng)工作于巴申曲線左半支時(shí)，間隙約化電場(chǎng)強(qiáng)度/（為電場(chǎng)強(qiáng)度，為氣體密度）越高，電子與氣體分子發(fā)生碰撞電離的概率越小[6]。對(duì)典型的偽火花放電間隙而言，/可達(dá)10-15V·m2，陰極表面發(fā)射的少量電子不能在主間隙中引發(fā)有效的雪崩電離并促使主間隙擊穿。另一方面，對(duì)于陰極孔和陰極空腔，由于透入電勢(shì)有限，/遠(yuǎn)小于主間隙，且電子運(yùn)動(dòng)到陽(yáng)極表面的路徑較長(zhǎng)，觸發(fā)注入到空心陰極內(nèi)部的大量初始電子（密度應(yīng)大于109/ cm3）[12]能夠引發(fā)強(qiáng)烈的碰撞電離。所產(chǎn)生的二次電子向陽(yáng)極遷移并最終被吸收，正離子因質(zhì)量較大幾乎未發(fā)生移動(dòng)。該階段的放電模式類似于湯遜放電，電子電流的產(chǎn)生主要由電離系數(shù)和離子轟擊陰極表面造成二次電子發(fā)射的系數(shù)主導(dǎo)，電流密度約為10-6～10-4A/cm2。此時(shí)，陽(yáng)極電壓尚未跌落，回路電流幾乎可以忽略。隨著放電的發(fā)展，正離子在主間隙和陰極孔區(qū)域不斷累積，逐漸形成了正空間電荷區(qū)（虛陽(yáng)極），等效于主間隙距離被壓縮，陰極側(cè)的電場(chǎng)得到加強(qiáng)。由于虛陽(yáng)極內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度較低，電子碰撞電離的概率大大增加。陰極表面發(fā)射的電子在電場(chǎng)中加速后進(jìn)入虛陽(yáng)極與氣體分子發(fā)生劇烈的碰撞電離。因而，虛陽(yáng)極內(nèi)部的等離子體密度不斷增大并逐漸從陽(yáng)極側(cè)向陰極側(cè)擴(kuò)展。最終，虛陽(yáng)極透入到陰極空腔內(nèi)部，回路電流迅速增加，陽(yáng)極電壓迅速跌落。氣壓、陰極材料、孔徑、孔深和主間隙距離等均會(huì)影響電勢(shì)透入或虛陽(yáng)極的擴(kuò)展過(guò)程。

在預(yù)放電階段，有兩個(gè)問(wèn)題需要予以關(guān)注，其一是偽火花放電的氣壓閾值，其二是弱觸發(fā)及自擊穿條件下的電離機(jī)理。

A. V. Kozyrev和Y. D. Korolev等認(rèn)為偽火花放電發(fā)生時(shí)氣壓必須高于某閾值，當(dāng)氣壓低于該值時(shí)，即使初始電子充足，也不能引發(fā)上述虛陽(yáng)極形成及擴(kuò)展過(guò)程，此時(shí)間隙中的過(guò)程類似于具有等離子體陰極的真空二極管[12]。假設(shè)陰極具備無(wú)窮大電子發(fā)射能力（強(qiáng)烈的觸發(fā)放電促使陰極腔內(nèi)部充滿初始等離子體），臨界氣體密度的計(jì)算公式為

式中，/為電子與離子的質(zhì)量比；i為電子與氣體分子發(fā)生碰撞電離的平均截面積；為主間隙距離。

在強(qiáng)觸發(fā)條件下初始電子較為充足，觸發(fā)時(shí)延一般在數(shù)十到數(shù)百納秒，可只考慮電子碰撞氣體分子和離子碰撞陰極表面引起的電子發(fā)射過(guò)程，基于該假設(shè)的仿真模型能夠較好地預(yù)測(cè)不同條件下的觸發(fā)時(shí)延[12-13]。在弱觸發(fā)及自擊穿條件下初始電子數(shù)量有限，觸發(fā)時(shí)延達(dá)數(shù)微秒或更長(zhǎng)，離子和快原子可引發(fā)顯著的碰撞電離和電極表面發(fā)射，以及電子、離子和快原子在電極表面的背向散射等過(guò)程對(duì)放電發(fā)展的貢獻(xiàn)將不可忽略，甚至起到主導(dǎo)作用[14]。目前針對(duì)這方面的研究仍很不充分，僅H. Pak和M. J. Kushner等做了非常初步的探索[15]。

1.2 空心陰極放電

經(jīng)過(guò)預(yù)放電階段的發(fā)展，虛陽(yáng)極經(jīng)陰極孔擴(kuò)展到陰極腔內(nèi)部，空心陰極放電開(kāi)始發(fā)生，其典型特征在于陰極空腔和陰極孔結(jié)構(gòu)對(duì)電子倍增具有明顯的增強(qiáng)效果。放電通道呈現(xiàn)彌散狀，放電形式也被稱為密集輝光放電，電流密度可達(dá)1kA/cm2。J. P. Boeuf和L. C. Pitchford等率先建立了混合流體-粒子（蒙特卡洛）模型對(duì)偽火花放電的初始階段進(jìn)行了較為深入的研究[16]。圖3所示為在氦氣0.5 Torr（1Torr=133.322Pa）、陽(yáng)極電壓2 kV條件下仿真得到的偽火花放電在不同時(shí)刻下的碰撞電離和電勢(shì)分布。從仿真結(jié)果中，確定了一系列導(dǎo)致電流快速上升和偽火花放電模式起始的物理機(jī)制，即依次為初始湯遜放電（圖3a），虛陽(yáng)極形成和擴(kuò)展（圖3b），電子不斷倍增并引起空心陰極放電（圖3c），然后鞘層逐漸收縮（圖3d），并導(dǎo)致陰極電子發(fā)射模式發(fā)生進(jìn)一步轉(zhuǎn)變。此后，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研究了初始電子的能量、密度、位置等參數(shù)與觸發(fā)時(shí)延和抖動(dòng)之間的關(guān)系，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果獲得了良好吻合[13]。

圖3 偽火花放電不同時(shí)刻的碰撞電離和電勢(shì)分布[16]

從仿真結(jié)果可以看出，空心陰極特殊的結(jié)構(gòu)和電勢(shì)分布能夠?qū)﹄娮悠鸬绞`作用。一側(cè)陰極表面由于正離子碰撞陰極發(fā)射的電子及其在鞘層中發(fā)生碰撞電離新產(chǎn)生的電子均可在鞘層電場(chǎng)中獲得加速，垂直于軸線方向運(yùn)動(dòng)并穿越虛陽(yáng)極后，會(huì)被另一側(cè)的鞘層電場(chǎng)減速并反射回來(lái)。在被從陰極孔抽出之前，電子得以在陰極腔和陰極孔區(qū)域進(jìn)行多次“鐘擺”運(yùn)動(dòng)，等效運(yùn)動(dòng)路徑大大增長(zhǎng)，與氣體分子發(fā)生碰撞電離的概率和次數(shù)大大增加，大部分的電子能量以激發(fā)和電離的形式被消耗掉，顯著增強(qiáng)電離效果，并產(chǎn)生更多的二次電子。上述過(guò)程是空心陰極階段等離子體團(tuán)密度迅速增加的主要原因，且大部分的電子電流由等離子體團(tuán)所維持。該階段鞘層厚度仍然較大，鞘層內(nèi)部也存在大量的碰撞電離，隨著等離子體團(tuán)密度不斷增大，陰極鞘層逐漸收縮，陰極表面電場(chǎng)強(qiáng)度持續(xù)增大，使得陰極表面的電子發(fā)射過(guò)程逐漸增強(qiáng)并起到主導(dǎo)作用，放電機(jī)制將轉(zhuǎn)變?yōu)槌芗x光放電。由于放電區(qū)域的導(dǎo)電性急劇增強(qiáng)，部分電子通過(guò)虛陽(yáng)極進(jìn)入陽(yáng)極，因而回路電流明顯上升，回路阻抗降低至約幾歐，如圖2中階段Ⅱ所示。該階段的主要影響因素是孔徑、孔深、氣體密度等。此外，陰極發(fā)射的部分電子在鞘層中獲得加速后直接穿越主間隙，在陽(yáng)極孔后方可觀測(cè)到能量高、密度小的電子束流。

在強(qiáng)觸發(fā)條件下，預(yù)放電和空心陰極放電階段的建立過(guò)程非常迅速。暫態(tài)過(guò)程和復(fù)雜電極結(jié)構(gòu)給實(shí)驗(yàn)診斷帶來(lái)很大困難。為了揭示實(shí)驗(yàn)中難以觀測(cè)的微觀過(guò)程和等離子體參數(shù)，多位學(xué)者進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了基于粒子模擬和蒙特卡洛碰撞方法的仿真模型[17-20]，研究了碰撞電離的時(shí)空演變、初始電子能量分布對(duì)放電發(fā)展的影響、電子束流的特性等，仿真結(jié)果能夠很好地預(yù)測(cè)諸多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

1.3 超密集輝光放電

隨著陰極鞘層的進(jìn)一步收縮，陰極表面不僅有離子碰撞引起的二次電子發(fā)射，也出現(xiàn)了爆炸式電子發(fā)射和離子濺射等電極表面過(guò)程，放電轉(zhuǎn)入超密集輝光放電階段，并伴隨有陽(yáng)極電壓的再次突降和放電電流的明顯增大，如圖2所示。在一些文獻(xiàn)中，該階段也被稱為陰極孔階段，或輝光向電弧轉(zhuǎn)變的暫態(tài)階段[6]。

該階段的放電通道宏觀上仍呈現(xiàn)出均勻且彌散的形態(tài)，電流密度為103～104A/cm2，單孔結(jié)構(gòu)下參與放電的陰極表面積可達(dá)1 cm2以上，電極燒蝕速率約10 μg/C，遠(yuǎn)小于真空電弧和火花放電。相較于空心陰極放電，該階段電子束流密度更大，但能量較低。光學(xué)觀測(cè)表明，空心陰極階段以氣體分子發(fā)射譜線為主，發(fā)光區(qū)域從陰極孔中心向孔邊緣擴(kuò)展；超密集輝光放電階段，氣體分子發(fā)射譜線和陰極原子發(fā)射譜線共存，且前者相對(duì)強(qiáng)度逐漸降低，后者不斷增大。圖4是加濾光片拍攝的偽火花放電不同時(shí)刻的高速相機(jī)圖像[7]，曝光時(shí)間30 ns，其中1～3為Cu I-510.7 nm，采用半高寬5.8 nm的濾光片，4～6為Cu II-776.9 nm，采用半高寬22.2 nm的濾光片。在空心陰極階段末期，陰極孔環(huán)形內(nèi)壁開(kāi)始出現(xiàn)銅原子的發(fā)射譜線。直到超密集輝光放電末期，譜線強(qiáng)度持續(xù)增大。當(dāng)陽(yáng)極電壓再次發(fā)生突降后，環(huán)形發(fā)光區(qū)域消失，轉(zhuǎn)變?yōu)楣铝⒌暮暧^陰極斑點(diǎn)。影響超密集輝光放電階段的主要因素是陰極孔尺寸和電極材料。

圖4 偽火花放電高速相機(jī)圖像[7]

W. Hartmann等根據(jù)宏觀上均勻融化的陰極表面和彌散的放電通道等實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，認(rèn)為該階段的物理機(jī)制是離子面源轟擊冷陰極表面所引起的均勻場(chǎng)增強(qiáng)熱電子發(fā)射[11]。該模型后將發(fā)射面源修正為數(shù)量眾多的、被離子轟擊加熱的微發(fā)射點(diǎn)。G. A. Mesyats和V. F. Puchkarev等根據(jù)低電極燒蝕速率等實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，認(rèn)為大電流密度是由陰極表面大量的爆炸式發(fā)射中心提供的[21]。陰極鞘層的高電場(chǎng)強(qiáng)度保證了較大的場(chǎng)致發(fā)射電流密度（約108A/cm2），進(jìn)而對(duì)微凸起進(jìn)行歐姆加熱并引發(fā)微爆炸，該過(guò)程也被描述為“Ecton”模型[22]，電流上升時(shí)間取決于陰極表面發(fā)射中心的倍增過(guò)程。該觀點(diǎn)認(rèn)為數(shù)量眾多、連續(xù)不斷產(chǎn)生的“Ecton”能夠維持超密集輝光階段的大電流密度。

A.Anders等[23]修正了爆炸式電子發(fā)射模型，指出超密集輝光放電與真空電弧放電的相似性，并認(rèn)為大電流密度是由數(shù)量眾多且均勻分布的真空電弧狀微陰極斑點(diǎn)所提供。即使沒(méi)有觀察到絲狀通道或電弧，該階段對(duì)應(yīng)的物理過(guò)程依然是電弧而非輝光。圖5是該模型描述的陰極表面過(guò)程示意圖[24]，其中，1為初始斑點(diǎn)，2為新斑點(diǎn)。與真空電弧放電不同，偽火花放電中陰極表面覆蓋著密集的等離子體團(tuán)，且鞘層厚度很?。◣孜⒚椎綆资⒚祝Ｔ陉帢O孔附近，電極表面的微凸起和缺陷處場(chǎng)增強(qiáng)系數(shù)可達(dá)10～1000。在高電場(chǎng)強(qiáng)度下，這些位置首先爆炸發(fā)射產(chǎn)生直徑在微米量級(jí)的微陰極斑點(diǎn)，而這些初始斑點(diǎn)并不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)鞘層的消失，其他位置的電場(chǎng)強(qiáng)度仍足以促使新的微陰極斑點(diǎn)不斷產(chǎn)生。最終，數(shù)量眾多的微陰極斑點(diǎn)支撐了外回路所需的大電流密度，并在宏觀上表現(xiàn)出彌散的特點(diǎn)。

圖5 超密集輝光放電階段陰極表面過(guò)程示意圖[24]

上述模型均認(rèn)為電流主要由陰極發(fā)射的電子分量提供的，這就要求陰極表面具備非常高的電子發(fā)射能力。與之相對(duì)的，A. Anders等又提出了離子自持自濺模型[9]。該模型認(rèn)為從陰極表面濺射出的金屬原子的平均電離自由程可能小于主間隙距離，能夠被陰極鞘層加速后的電子所電離，新產(chǎn)生的離子在鞘層中獲得加速，能夠回到陰極表面并發(fā)生二次濺射，并且自濺射系數(shù)大于1。大部分陰極表面電流可以由均勻的離子流提供，而并不需要陰極表面具備很高的電子發(fā)射密度。

此外，Y. D. Korolev等將偽火花放電當(dāng)作可以根據(jù)外回路電流自動(dòng)重構(gòu)的系統(tǒng)，認(rèn)為是陰極表面的微爆炸引起了超發(fā)射，并考慮了金屬材料自濺射的作用[8]。圖6是該模型描述的超密集輝光放電階段陰極孔區(qū)域等離子體、徑向電勢(shì)和軸向電勢(shì)的分布情況，其中，A為等效陽(yáng)極（表示等離子體和陽(yáng)極的綜合作用），C為陰極孔，MP為金屬蒸氣等離子體，NG為負(fù)輝光等離子體，d為放電電壓，am為最大電壓，C為陰極電壓降。模型定義了廣義二次電子發(fā)射系數(shù)，以描述不同階段電子發(fā)射機(jī)制轉(zhuǎn)變帶來(lái)的電子倍增效果的變化，并定量估算了各階段的等離子體參數(shù)。

總的說(shuō)來(lái)，大多數(shù)學(xué)者均認(rèn)為超密集輝光放電的大電流密度和彌散的放電通道，主要是由陰極表面數(shù)量眾多的微發(fā)射點(diǎn)引起的，并強(qiáng)調(diào)了金屬材料的自持自濺過(guò)程。該階段物理機(jī)制的研究目前存在的主要問(wèn)題是，同一現(xiàn)象的解釋并不唯一，并且這些理論更多的是定性描述，并未給出很好的定量估算，當(dāng)前對(duì)超密集輝光放電過(guò)程的仿真研究幾乎未見(jiàn)報(bào)道，主要原因在于電極表面過(guò)程起主導(dǎo)作用，多物理場(chǎng)耦合在一起，仿真模型的搭建困難。

圖6 超密集輝光放電階段等離子體與電勢(shì)示意圖[8]

1.4 真空電弧階段

隨著放電電流繼續(xù)增大，數(shù)量眾多的微陰極斑點(diǎn)有可能合并為孤立的大陰極斑點(diǎn)，其直徑為數(shù)十到數(shù)百微米，此時(shí)的電流密度可達(dá)10kA/cm2以上。如圖4中點(diǎn)3和6及對(duì)應(yīng)電壓電流波形所示，這些強(qiáng)烈的局部發(fā)光區(qū)域（陰極斑點(diǎn)）首先分布在陰極孔邊緣，然后隨著放電電流的進(jìn)一步增大，逐漸擴(kuò)展到電極平面上；放電波形表現(xiàn)為陽(yáng)極電壓的再次突降和電流上升速率的明顯增大。在大陰極斑點(diǎn)存在的同時(shí)，整個(gè)陰極孔內(nèi)表面和孔邊緣附近平面仍存在連續(xù)的強(qiáng)度較弱的金屬譜線發(fā)射。此時(shí)，主間隙中光譜發(fā)射仍以氣體原子譜線為主，并逐漸沿徑向擴(kuò)展。這表明間隙中放電通道仍以氣體分子電離產(chǎn)生的等離子體為主，且呈現(xiàn)出彌散的狀態(tài)。

當(dāng)單通道放電電流峰值大于40kA時(shí)，放電通道將收縮到陰極表面某一局部位置，該位置的電子密度可達(dá)3×1016/cm3，陽(yáng)極表面過(guò)程的作用也逐漸凸顯。同時(shí)，放電通道的阻抗和能量沉積隨之增大，電極燒蝕速率從10μg/C 顯著增加到100μg/C，放電通道中等離子體團(tuán)也由氣體離子占主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘匐x子占主導(dǎo)。通道直徑小于1mm，電子密度可達(dá)4×1017/cm3。值得注意的是，在不同次放電中，金屬蒸氣等離子體區(qū)域隨機(jī)分布在約數(shù)平方厘米的陰極表面，這使得電極的燒蝕非常均勻且具有相當(dāng)長(zhǎng)的壽命[6]。

1.5 小結(jié)

偽火花放電形成階段的電荷產(chǎn)生機(jī)制可以歸納為：預(yù)放電階段為湯遜放電，空心陰極放電階段為離子碰撞二次電子發(fā)射和電子的“鐘擺”運(yùn)動(dòng)，超密集輝光放電階段為微陰極斑點(diǎn)發(fā)射和離子自持自濺，以及真空電弧階段為陰極斑點(diǎn)發(fā)射。前兩個(gè)階段以氣體中的等離子體過(guò)程為主，后兩個(gè)階段以陰極表面過(guò)程為主。在非極端的電流密度下，放電通道始終呈現(xiàn)出彌散的狀態(tài)，并伴隨著高強(qiáng)度的電子束流和光輻射。

2 偽火花放電存在的問(wèn)題

偽火花放電中每個(gè)階段的起始均依賴其前一階段的充分發(fā)展。當(dāng)暫態(tài)的轉(zhuǎn)變過(guò)程發(fā)展不順利或不穩(wěn)定時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的異常放電現(xiàn)象。目前，偽火花放電存在的主要問(wèn)題是電流淬滅和阻抗波動(dòng)，尤其是小電流情況下，出現(xiàn)概率很高。闡明異常放電的發(fā)生機(jī)制并采取相應(yīng)抑制措施顯得尤為迫切。

2.1 電流淬滅

圖7 偽火花放電的淬滅現(xiàn)象[26]

W. Hartmann和K. Frank等認(rèn)為：淬滅是由等離子體與冷陰極表面的相互作用造成的，與陰極孔表面附近的離子耗盡關(guān)系密切，即陰極鞘層附近等離子體團(tuán)產(chǎn)生的離子小于流向陰極表面的離子通量[25]。時(shí)間分辨發(fā)射光譜表明，淬滅發(fā)生時(shí)陰極附近伴隨有金屬蒸氣的產(chǎn)生，這也被認(rèn)為從側(cè)面支持了離子耗盡的解釋[27]。A. Anders等認(rèn)為，當(dāng)放電進(jìn)入超密集輝光階段時(shí)，陰極表面數(shù)量眾多的微陰極斑點(diǎn)，使得放電電流持續(xù)增大且鞘層壓降進(jìn)一步降低。這導(dǎo)致陰極表面場(chǎng)強(qiáng)減小，不利于新斑點(diǎn)的產(chǎn)生，并導(dǎo)致電流減小[23]。只有當(dāng)鞘層壓降增大或鞘層厚度減小促使電場(chǎng)強(qiáng)度重新增大后，電流才能夠繼續(xù)增加。陰極斑點(diǎn)的壽命通常在2～20ns之間，這也與電流淬滅的特征時(shí)間相近。此外，Y. D. Korolev等認(rèn)為是主間隙中正電荷區(qū)域的電子耗盡導(dǎo)致了電流淬滅，而與陰極孔區(qū)域的物理過(guò)程無(wú)關(guān)[26]。這一解釋的證據(jù)是，淬滅發(fā)生時(shí)，正電荷區(qū)和負(fù)輝光區(qū)之間的雙電層增大，且在陽(yáng)極后方出現(xiàn)強(qiáng)電子束流。

由上述可知，關(guān)于淬滅機(jī)制的解釋存在很大差異，所依托的實(shí)驗(yàn)證據(jù)亦各不相同。造成這一現(xiàn)象的原因在于：①淬滅的過(guò)程非常迅速且具有隨機(jī)性，難以進(jìn)行有效的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)；②有關(guān)超密集輝光放電等階段的物理機(jī)制仍存在爭(zhēng)議，而依托于不同機(jī)制進(jìn)行的解釋必然存在差異；③不同學(xué)者研究淬滅的實(shí)驗(yàn)條件（如氣壓、放電電流等）差別巨大，有可能產(chǎn)生不同的電學(xué)和光學(xué)特征，從而使得相關(guān)解釋較為片面。

事實(shí)上，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中觀察到的電流淬滅根據(jù)發(fā)生階段和表現(xiàn)特征不同，可分為三種類型：空心陰極階段，超密集輝光放電階段和電流換向階段。上述物理模型討論的一般為超密集輝光放電階段的淬滅現(xiàn)象，并不適用于另外兩種。在假設(shè)超密集輝光放電機(jī)制是微陰極斑點(diǎn)發(fā)射的基礎(chǔ)上，有關(guān)微陰極斑點(diǎn)產(chǎn)生不足引起淬滅的解釋可能更接近正確，但仍有待進(jìn)一步的研究。

雖然目前淬滅發(fā)生的機(jī)制尚不明確，但一些學(xué)者已經(jīng)獲得了氣壓、電極結(jié)構(gòu)等參數(shù)對(duì)淬滅發(fā)生概率的影響規(guī)律，并提出了行之有效的抑制措施[2]：①改善觸發(fā)系統(tǒng)，包括提升注入電子密度和縮短注入時(shí)間，這可以改善空心陰極階段發(fā)生的電流淬滅[28]；②采用混合氣體，有研究表明，在氫氣中混入少量氬氣（體積分?jǐn)?shù)＜5%）或在氘氣中混入少量氪氣可有效地降低淬滅發(fā)生概率，其原因可能是不同粒子間存在協(xié)同效應(yīng)，能夠加強(qiáng)氣體的電離；③增大有效放電區(qū)域分子數(shù)，即提高氣壓或增大孔徑，前者的原因可能是能夠獲得更高的碰撞電離概率和等離子體密度，后者的原因可能是面積更大的陰極孔表面存在更多微凸起和缺陷，這有利于增大微陰極斑點(diǎn)產(chǎn)生的概率。

2.2 阻抗波動(dòng)

典型的阻抗波動(dòng)現(xiàn)象如圖8所示，陽(yáng)極電壓在跌落的過(guò)程中，開(kāi)關(guān)阻抗從幾歐姆突變?yōu)閹资翚W，但電壓突變的時(shí)刻在不同次放電中存在較大差異[29]。阻抗波動(dòng)會(huì)造成相同條件下不同次放電轉(zhuǎn)移到負(fù)載上的能量有所差異，進(jìn)而影響負(fù)載的運(yùn)行性能，這對(duì)于一些對(duì)能量精確度要求高的應(yīng)用（如準(zhǔn)分子激光器）來(lái)說(shuō)是難以接受的。造成該現(xiàn)象的原因是放電從超密集輝光放電階段進(jìn)入真空電弧放電階段的時(shí)刻不同，也就是，陰極孔邊緣宏觀陰極斑點(diǎn)的出現(xiàn)時(shí)刻不同。

圖8 偽火花放電的阻抗波動(dòng)現(xiàn)象[29]

研究結(jié)果表明，阻抗波動(dòng)現(xiàn)象與氣壓、電極結(jié)構(gòu)、電極材料和放電電流存在密切關(guān)系。減小孔徑、采用低逸出功和低熔點(diǎn)的金屬材料、增大放電電流等措施，均可縮短超密集輝光放電階段持續(xù)的時(shí)間，減小陽(yáng)極電壓突變時(shí)刻的抖動(dòng)，一定程度上起到抑制阻抗波動(dòng)的作用[2, 29]。

3 偽火花放電的應(yīng)用

3.1 偽火花開(kāi)關(guān)

當(dāng)前，脈沖功率技術(shù)除繼續(xù)向單次超高功率水平方向發(fā)展外，也在向高平均功率重復(fù)脈沖方向發(fā)展。這對(duì)其核心部件之一的開(kāi)關(guān)提出了極高的要求。與其他氣體開(kāi)關(guān)如高氣壓火花間隙開(kāi)關(guān)、真空觸發(fā)開(kāi)關(guān)和氫閘流管等相比, 偽火花開(kāi)關(guān)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電流上升速度快（～1012A/s）、電流導(dǎo)通能力大（大于100kA）、流通反向電流能力強(qiáng)（可達(dá)100%）、放電抖動(dòng)?。尚∮? ns）、電極燒蝕速率低（小于100μg/C）、重復(fù)運(yùn)行頻率高（可達(dá)10kHz）等優(yōu)勢(shì)[3]。單間隙偽火花開(kāi)關(guān)的耐壓極限約為30kV，多間隙結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步提升開(kāi)關(guān)耐壓。單孔維持超密集輝光放電模式的電流極限約10kA，對(duì)于大電流應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)說(shuō)，一般采取多通道結(jié)構(gòu)以減小單孔的電極燒蝕。與半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)相比，偽火花開(kāi)關(guān)具有功率大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和無(wú)需復(fù)雜串并聯(lián)電路等優(yōu)點(diǎn)。

3.1.1 關(guān)鍵參數(shù)分析

1）自擊穿電壓

偽火花開(kāi)關(guān)自擊穿電壓除了與氣壓和間隙距離有關(guān)外，也受到孔徑、孔深和腔深等參數(shù)的影響。相關(guān)研究主要集中在探索電極結(jié)構(gòu)參數(shù)及氣壓與自擊穿電壓之間的關(guān)系，并獲得相應(yīng)的半經(jīng)驗(yàn)公式，其基本形式為[30-32]。

2）重復(fù)頻率

重復(fù)頻率工作是偽火花開(kāi)關(guān)最重要的特性之一。在電流脈沖結(jié)束后，放電產(chǎn)生的帶電粒子通過(guò)復(fù)合和擴(kuò)散過(guò)程逐漸消失，絕緣恢復(fù)的快慢直接影響偽火花開(kāi)關(guān)器件的重復(fù)工作頻率[33-34]。研究表明，絕緣恢復(fù)速度與氣體種類和壓強(qiáng)、電極結(jié)構(gòu)和材料等因素密切相關(guān)。

（1）氣體的種類和壓強(qiáng)。通常來(lái)講，采用相對(duì)分子質(zhì)量小、電荷吸附能力強(qiáng)的氣體，以及低氣壓，均有利于提升等離子體消散和氣體絕緣恢復(fù)速度。

（2）電極結(jié)構(gòu)。絕緣恢復(fù)時(shí)間rec與空心陰極深度和直徑0滿足如式（3）所示的關(guān)系[35]。在空心陰極內(nèi)部設(shè)置阻斷電極，并施加正極性電勢(shì)，可以有效地抽取陰極腔體內(nèi)部的自由電子，抑制主間隙中的預(yù)放電電流并提升器件的絕緣耐受能力，加快氣體間隙絕緣恢復(fù)速度[36]。相比于單通道，多通道結(jié)構(gòu)可以有效地增大參與放電的電極面積，降低載流子密度和電極溫度，加快電極表面附近的復(fù)合過(guò)程。

3）電極燒蝕

電極燒蝕速率決定了開(kāi)關(guān)的壽命和運(yùn)行穩(wěn)定性。一方面，多次放電燒蝕后，電極表面粗糙度上升，可能導(dǎo)致開(kāi)關(guān)失效；另一方面，金屬蒸氣有可能沉積在絕緣材料表面，造成沿面閃絡(luò)概率增大。

得益于放電通道的彌散特征，偽火花開(kāi)關(guān)的壽命可達(dá)106～107C，比一般的高氣壓開(kāi)關(guān)和真空開(kāi)關(guān)高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。燒蝕過(guò)程主要集中在陽(yáng)極孔和陰極孔邊緣，呈現(xiàn)出同心圓形狀，距離孔越近，燒蝕越嚴(yán)重。燒蝕形貌整體較為均勻，典型痕跡和蝕坑尺寸在微米到數(shù)十微米之間。

降低電極燒蝕速率的方法主要有兩種：①采用多通道結(jié)構(gòu)，使放電通道保持彌散狀態(tài)，但需考慮多通道同步觸發(fā)和放電通道移動(dòng)匯合的問(wèn)題；②選用鉬、銅鎢合金等高熔點(diǎn)金屬[38]，或者選用能夠抑制放電通道向電弧轉(zhuǎn)變的石墨和碳化硅等新型材料[39]，但這些材料存在吸氣和污染問(wèn)題。

3.1.2 觸發(fā)方法

高性能的偽火花開(kāi)關(guān)應(yīng)具有低觸發(fā)時(shí)延和抖動(dòng)。觸發(fā)時(shí)延是指從初始電子產(chǎn)生到陽(yáng)極電壓開(kāi)始跌落（或回路電流快速上升）的時(shí)間段，抖動(dòng)是時(shí)延的標(biāo)準(zhǔn)差或極差。根據(jù)初始電子產(chǎn)生方式不同，觸發(fā)方法可以分為電觸發(fā)和光觸發(fā)。觸發(fā)方法及系統(tǒng)對(duì)開(kāi)關(guān)性能影響巨大，除時(shí)延和抖動(dòng)外，也會(huì)影響電壓下降速率、放電穩(wěn)定性、電極燒蝕和淬滅等。

1）電觸發(fā)

電觸發(fā)系統(tǒng)包括觸發(fā)單元和脈沖發(fā)生電路兩個(gè)部分。對(duì)觸發(fā)單元的要求是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)、重復(fù)頻率高，且對(duì)氣壓不敏感。觸發(fā)單元的種類較多，有沿面閃絡(luò)觸發(fā)[40-41]、輝光放電觸發(fā)[42-43]45]、脈沖電暈觸發(fā)[45-46]、鐵電體觸發(fā)[47]等，表1對(duì)不同電觸發(fā)單元的性能參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比。

表1 電觸發(fā)單元性能參數(shù)比較

Tab.1 Comparison of performance parameters of electric trigger unit

觸發(fā)單元常布置在陰極腔內(nèi)部，并設(shè)置阻擋結(jié)構(gòu)，保護(hù)其免受主放電的影響；相比于布置在陽(yáng)極腔內(nèi)部，具有更小的觸發(fā)時(shí)延和抖動(dòng)[50]。

觸發(fā)脈沖對(duì)觸發(fā)性能也有重要影響。同一觸發(fā)單元在不同類型觸發(fā)脈沖作用下，發(fā)生放電的形式和觸發(fā)效果會(huì)有所不同。例如，圖9所示的觸發(fā)單元由鋸齒狀電極、平板電極和高介陶瓷薄片構(gòu)成[48-49]，在納秒脈沖作用下，三結(jié)合點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生密集的強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射，宏觀上放電面積大且均勻，沉積能量小，重復(fù)頻率高；在微秒脈沖作用下，某一鋸齒位置與平板電極邊緣沿高介陶瓷片表面發(fā)生閃絡(luò)，形成貫穿的火花通道，沉積能量大，產(chǎn)生高密度等離子體，但對(duì)陶瓷薄片的燒蝕較大，且放電通道不穩(wěn)定，抖動(dòng)大。通常，高幅值、快前沿和低抖動(dòng)的觸發(fā)脈沖更有利于降低觸發(fā)時(shí)延和抖動(dòng)。

圖9 電暈等離子體觸發(fā)單元[48]

2）光觸發(fā)

光觸發(fā)偽火花開(kāi)關(guān)也被稱為背光閘流管，自20世紀(jì)80年代起，因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)、重復(fù)頻率高等優(yōu)點(diǎn)受到持續(xù)關(guān)注[51]。南加州大學(xué)的M. A. Gundersen團(tuán)隊(duì)對(duì)此開(kāi)展了深入研究[52-54]。觸發(fā)光源包括紫外閃光燈和各類激光器，由光纖引入或石英玻璃透射。典型的光觸發(fā)偽火花開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)如圖10所示[52]，陰極背部覆蓋了一層鎂箔作為光觸發(fā)陰極，激光器產(chǎn)生的光脈沖照射到鎂箔上，產(chǎn)生初始電子并觸發(fā)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通。

圖10 涂敷鎂箔的背光閘流管示意圖[52]

影響光觸發(fā)效果的因素包括光脈沖能量、波長(zhǎng)（光子能量）、光能量密度（匯聚）、光斑作用位置、光陰極材料等。表2是采用不同光源和陰極材料時(shí)觸發(fā)參數(shù)的對(duì)比[52]。可以看出，采用波長(zhǎng)短、能量高的激光脈沖和低逸出功陰極材料，有利于降低觸發(fā)時(shí)延和抖動(dòng)。

表2 典型背光閘流管觸發(fā)參數(shù)對(duì)比

Tab.2 Comparison of trigger parameters of typical backlight thyratron

由于不需要在陰極腔體內(nèi)部布置觸發(fā)單元，光觸發(fā)開(kāi)關(guān)的體積可以大大小于電觸發(fā)偽火花開(kāi)關(guān)，Gundersen團(tuán)隊(duì)曾研發(fā)了一款有效體積僅15cm3，耐壓40kV，通流4.5kA的光觸發(fā)偽火花開(kāi)關(guān)[54]。當(dāng)前，光觸發(fā)最大的問(wèn)題在于高性能脈沖激光器造價(jià)昂貴，難以大規(guī)模應(yīng)用。降低觸發(fā)光源造價(jià)和提高光電轉(zhuǎn)化效率是未來(lái)的研究重點(diǎn)。

3.1.3 成品化開(kāi)關(guān)

當(dāng)前，德國(guó)和俄羅斯的研究所及公司已成功開(kāi)發(fā)出偽火花開(kāi)關(guān)系列產(chǎn)品。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合不同，可分為高重頻和大電流兩類，前者常采用輝光放電觸發(fā)，后者則常采用沿面放電觸發(fā)。表3是幾款典型偽火花開(kāi)關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比。值得注意的是，表中所列參數(shù)為單項(xiàng)可達(dá)到的最大值，各項(xiàng)參數(shù)之間存在相互制約關(guān)系，不能同時(shí)達(dá)到最優(yōu)。表中，F(xiàn)S系列為德國(guó)ALSTOM公司與埃爾朗根大學(xué)K. Frank團(tuán)隊(duì)共同開(kāi)發(fā)[55]，TPI和TDI系列則為俄羅斯Pulsed Technologies公司與俄羅斯大電流電子研究所Y. D. Korolev團(tuán)隊(duì)共同開(kāi)發(fā)[56-57]，最大電壓和電流分別可達(dá)150kV和300kA。這些成品化開(kāi)關(guān)已廣泛應(yīng)用于各類脈沖功率系統(tǒng)當(dāng)中，如激光器、等離子體點(diǎn)火裝置、同步加速器勵(lì)磁裝置等。

圖11是TPI10k-50偽火花開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)圖[3]。該開(kāi)關(guān)采用雙間隙多通道結(jié)構(gòu)和輝光放電觸發(fā)單元，氫氣氣壓通過(guò)氫儲(chǔ)存器的燈絲電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，采用氧化鋁陶瓷做絕緣支撐并通過(guò)金屬-陶瓷焊接密封。圖中電極邊緣存在多處彎曲結(jié)構(gòu)，可屏蔽放電等離子體對(duì)絕緣支撐的轟擊，避免長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)絕緣破壞。該公司在最新產(chǎn)品的氫儲(chǔ)存器上采用了特殊的金屬半透膜材料，開(kāi)關(guān)工作時(shí)無(wú)需燈絲加熱電源，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了開(kāi)關(guān)使用過(guò)程[57]。

圖11 TPI10k-50偽火花開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)圖[3]

A—平板陽(yáng)極 G—柵極 C—空心陰極 A1—觸發(fā)陽(yáng)極 C1—觸發(fā)陰極 EC—高發(fā)射系數(shù)材料

Fig. 11 Schematic of the TPI10k-50 pseudospark switch[3]

表3 典型成品化偽火花開(kāi)關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)比較

Tab.3 Comparison of key parameters of commercial pseudospark switches

注：①帶H的型號(hào)表示電流反向能力可達(dá)95%，不帶H的型號(hào)表示電流反向能力為10%。

國(guó)內(nèi)自1997年起，西安交通大學(xué)的邱毓昌團(tuán)隊(duì)對(duì)偽火花開(kāi)關(guān)的放電特性開(kāi)展了研究[5, 58]。趙會(huì)良等研究了空腔懸浮電極對(duì)雙間隙偽火花開(kāi)關(guān)耐壓的影響[59]。姚學(xué)玲等研究了采用沿面閃絡(luò)型觸發(fā)器的偽火花開(kāi)關(guān)的性能[41]。北京真空電子技術(shù)研究所的張明和周亮等開(kāi)發(fā)的偽火花開(kāi)關(guān)[60]，為雙間隙多通道結(jié)構(gòu)，采用沿面放電型觸發(fā)器，耐壓50kV，通流50kA，可工作于單次或低頻條件；同時(shí)，對(duì)激光觸發(fā)偽火花開(kāi)關(guān)進(jìn)行了初步的研究，獲得了聚焦和非聚焦模式下，激光能量與觸發(fā)時(shí)延和抖動(dòng)的關(guān)系[61]。目前西安交通大學(xué)丁衛(wèi)東團(tuán)隊(duì)和江西景光電子有限公司正在開(kāi)發(fā)高重頻低抖動(dòng)的成品化偽火花開(kāi)關(guān)，已實(shí)現(xiàn)的參數(shù)包括耐壓大于50kV，通流大于40kA，抖動(dòng)小于1ns[62]。今后偽火花開(kāi)關(guān)研究的重點(diǎn)是進(jìn)一步提升開(kāi)關(guān)各項(xiàng)參數(shù)，尤其是壽命和運(yùn)行穩(wěn)定性。

3.2 電子束源

與光電陰極、熱陰極及等離子體斑點(diǎn)陰極等相比，基于偽火花放電的電子束源在電流密度和亮度等方面有著綜合性的優(yōu)勢(shì)，在太赫茲、材料處理和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[63]。

基于偽火花放電的電子束源的典型結(jié)構(gòu)如圖12所示，一般采用多間隙結(jié)構(gòu)以提升裝置耐壓和電子束能量，陰極接負(fù)高壓，陽(yáng)極接地，主電容的容量一般在nF量級(jí)。電子束的典型放電波形如圖13所示[64]，第一個(gè)峰所示的電子束的特點(diǎn)是能量高密度低，第二個(gè)峰能量低密度高，與前文機(jī)制分析所述一致。為了提升后一階段電子束流的能量，英國(guó)思克萊德大學(xué)的Yin H.和西安交通大學(xué)的趙軍平等設(shè)計(jì)了帶有后加速作用的雙間隙偽火花放電結(jié)構(gòu)，對(duì)大量低能電子進(jìn)行加速[65]。

圖12 基于多間隙偽火花放電的電子束源典型結(jié)構(gòu)[63]

圖13 偽火花放電產(chǎn)生電子束的典型放電波形[64]

基于偽火花放電的電子束源的研究主要集中在兩方面。一方面，集中在電極結(jié)構(gòu)（腔深、孔徑、孔深、間隙數(shù)等）、外回路參數(shù)（電壓、主電容、氣壓、氣體種類等）和電壓形式（直流、微秒脈沖、納秒脈沖）等因素對(duì)于電子束密度和能量時(shí)空分布的影響規(guī)律的研究[32, 66-68],。實(shí)際應(yīng)用中，一般要求電子束的密度大、能譜窄或可控、穩(wěn)定性好。因此，如何測(cè)量和靈活調(diào)控電子束參數(shù)是研究的重點(diǎn)。電子束的電流密度一般采用羅氏線圈和法拉第杯的方法進(jìn)行測(cè)量，電子束的能量分布采用外加偏置電壓或偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)直接測(cè)量，或采用自偏置電極結(jié)構(gòu)并反卷積運(yùn)算間接獲得[69-71]。測(cè)量時(shí)應(yīng)注意屏蔽放電等離子體對(duì)法拉第杯信號(hào)的干擾。值得注意的是，當(dāng)前電子束能量分布測(cè)量的研究中，未考慮偏置電壓和偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)電子束輸運(yùn)的影響，即外施電場(chǎng)或磁場(chǎng)會(huì)改變電子到達(dá)接收裝置的時(shí)間，且對(duì)不同能量電子的影響程度不同。在今后的研究中，需要對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。

另一方面，電子束在微波和太赫茲輻射源、超導(dǎo)薄膜材料沉積、金屬刻蝕、加速器、X射線源等方面有著廣泛的應(yīng)用[72-74]。圖14是英國(guó)思克萊德大學(xué)H.Yin等利用偽火花放電電子束驅(qū)動(dòng)的切倫科夫激射器[73]，得到脈寬100ns、峰值功率約2kW，中心頻率為25.5GHz的微波，驗(yàn)證了該方法用于產(chǎn)生毫米波甚至太赫茲微波輻射的可行性。在最新的研究中，該團(tuán)隊(duì)利用偽火花放電產(chǎn)生條狀的電子束，用于驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展交互振蕩器，最終得到脈寬約20ns、峰值功率1.2kW、頻率范圍在104～106GHz的高功率微波。

圖14 偽火花放電電子束用于驅(qū)動(dòng)切倫科夫激射器[73]

3.3 極紫外光源

極紫外（Extreme Ultraviolet，EUV，中心波長(zhǎng)13.5nm）光源是下一代光刻技術(shù)的核心設(shè)備，目前業(yè)界主要采用兩種技術(shù)來(lái)產(chǎn)生極紫外光，一種是激光等離子體技術(shù)，另一種是放電等離子體技術(shù)。激光等離子體技術(shù)面臨的最大挑戰(zhàn)是數(shù)千赫茲重復(fù)頻率的高功率激光器和靶材碎片污染問(wèn)題。相較而言，基于偽火花放電的方案能夠在很大程度上克服上述問(wèn)題[75]。

特殊的空心陰極結(jié)構(gòu)使得偽火花放電等離子體徑向箍縮，箍縮后的等離子體密度達(dá)到1018～1019/cm3，電子溫度達(dá)到幾十電子伏。在此過(guò)程中，氙氣分子受激發(fā)后能夠產(chǎn)生較多中心波長(zhǎng)13.5nm的極紫外輻射。此外，基于偽火花放電的極紫外光源具有放電能量低和等離子體不直接與絕緣材料接觸的特征，容易獲得數(shù)千赫茲的高重復(fù)工作頻率。與偽火花開(kāi)關(guān)相比，極紫外光源工作氣體通常采用氪氣、氙氣等大分子量稀有氣體，且放電通道需要發(fā)生箍縮，不再追求彌散的效果。

德國(guó)夫瑯和費(fèi)激光研究所的K. Bergmann等[35,76-79]自20世紀(jì)90年代至今與飛利浦和ASML等公司展開(kāi)合作，先后研發(fā)了多款基于偽火花放電的極紫外光源樣機(jī)。在絕緣恢復(fù)和重頻運(yùn)行等研究的基礎(chǔ)上，研究了氣體種類、脈沖能量、電極結(jié)構(gòu)等參數(shù)對(duì)出光效率、碎片污染、運(yùn)行穩(wěn)定性等方面的影響規(guī)律。圖15是該團(tuán)隊(duì)于2012年搭建的裝置[78]，在重頻3.3kHz、脈沖能量6J的輸入功率下，能夠獲得中心波長(zhǎng)13.5nm（半高寬2nm）、輸出功率21W/mm2sr的極紫外光源。圖16是實(shí)驗(yàn)中獲得的極紫外光輻射特性。

此外，俄羅斯的Y. D. Korolev和美國(guó)的JiangChunqi等也在對(duì)偽火花開(kāi)關(guān)進(jìn)行深入研究后，對(duì)偽火花放電極紫外光源開(kāi)展了探索性研究[80-81]，但仍然較為初步。國(guó)內(nèi)目前尚未見(jiàn)到基于偽火花放電的極紫外光源研究的相關(guān)報(bào)道。

總體而言，基于偽火花放電的極紫外光源具備和其他技術(shù)方案相當(dāng)?shù)哪芰哭D(zhuǎn)化效率，并且在重復(fù)頻率、電極燒蝕、壽命、碎片污染、造價(jià)等方面具有優(yōu)勢(shì)。在低脈沖能量下，偽火花放電方案的出光效率高，電極的燒蝕小。為保證出光的一致性和穩(wěn)定性，要求光源達(dá)到很高的的工作頻率，而高重復(fù)頻率正是偽火花放電的突出優(yōu)點(diǎn)之一，但目前的出光總功率和運(yùn)行穩(wěn)定性均與商用標(biāo)準(zhǔn)具有較大差距。雖然當(dāng)前已有基于激光等離子體技術(shù)的的商用光刻機(jī)，但造價(jià)十分昂貴，具備小脈沖能量（J級(jí)）、高重復(fù)頻率（kHz級(jí)）特征的偽火花放電極紫外光源仍是一種具有較大潛力的方案。

圖15 基于偽火花放電的極紫外光源[78]

圖16 偽火花放電的極紫外輻射特性[78]

4 結(jié)論

本文綜述了偽火花放電的物理機(jī)制和典型應(yīng)用。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)密度的持續(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)的淬滅的物理機(jī)制也不清晰。

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。

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。

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Review on Physical Mechanisms and Applications of Pseudospark Discharge

Yan Jiaqi Shen Saikang Sun Guoxiang Ding Weidong

（State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment Xi’an Jiaotong University Xi’an 710049 China）

Pseudospark discharge is a special type of low-pressure gas discharge, which works at the left hand of Paschen’s curve, ignites from the hollow cathode, and has a homogeneous discharge channel. It is widely used in the fields of pulsed power technology and plasma driving. This paper reviews the researches on physical mechanisms and typical applications of pseudospark discharge in recent years. Firstly, mechanisms and characteristics of sub-phases of pseudospark discharge are analyzed, which are predischarge, hollow cathode discharge, superdense glow discharge, and vacuum arc discharge; secondly, remained problems in pseudospark discharge are analyzed, such as current quenching and impedance fluctuations; thirdly, typical applications of pseudospark discharge are introduced, including pseudospark switch, electron beam sources, extreme ultraviolet light sources, etc., with emphasis on the key parameters and technical characteristics of these devices. Finally, the future research topics are discussed.

Pseudospark discharge, physical mechanisms, pseudospark switch, electron beam source, extreme ultraviolet light source

TM 89

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.200262

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目資助（51777163）。

2020-03-14

2020-12-07

閆家啟 男，1993年生，博士研究生，研究方向?yàn)閭位鸹ǚ烹姾椭貜?fù)頻率脈沖源。E-mail：yanjqxjtu@foxmail.com

丁衛(wèi)東 男，1976年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闅怏w放電、高電壓測(cè)量和脈沖功率技術(shù)。E-mail：wdding@mail.xjtu.edu.cn（通信作者）

（編輯 郭麗軍）