西安交通大学科研团队发表伪火花放电的物理机制与应用综述

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伪火花放电是一种工作于巴申曲线左半支、引燃于空心阴极结构、具有弥散的主放电通道的特殊低气压放电，在脉冲功率和等离子体等领域得到广泛应用。电力设备电气绝缘国家重点实验室（西安交通大学）的研究人员闫家启、申赛康、孙国祥、丁卫东，在2021年第11期《电工技术学报》上撰文，综述了近年来有关伪火花放电物理机制和典型应用的研究。

首先分析伪火花放电主要过程的典型特征、微观机制和影响因素，依次为预放电、空心阴极放电、超密集辉光放电和真空电弧放电四个阶段；其次讨论当前伪火花放电研究中仍存在的问题，如电流淬灭和阻抗波动等；然后介绍伪火花放电的典型应用，包括伪火花开关、电子束源、极紫外光源等，并着重介绍相关装置的参数水平和技术特点；最后探讨伪火花放电研究今后的发展趋势。

伪火花放电是一种特殊的低气压放电，既具有辉光放电的弥散特征，又具备火花放电大电流、短时延和低抖动的特点，同时能够运行于高重复频率下。伪火花放电现象自20世纪70年代末被发现以来，受到了国内外众多学者的广泛关注，在脉冲放电开关、电子束源等方面获得了广泛应用。

伪火花放电装置具有如下特征：阴极为中空带孔结构，孔直径、孔深度、主间隙距离均在2~10mm之间；孔的个数可以是一个或多个，形状可以是圆形，也可以是环形槽或其他类型；同样地，装置可以是仅由阴、阳极构成的单间隙结构，也可以插入中间悬浮电极构成多间隙结构；常用的气体介质有氢气、氦气、氮气、氩气和空气等，工作气压一般在1~100 Pa之间，击穿特性位于巴申曲线左半支。

与高气压火花放电中少量电子引发雪崩电离并形成流注等贯穿性放电通道不同，在伪火花放电的结构和气压条件下，电子的平均自由程大于或接近主间隙距离，间隙中少量电子难以引发足够数量的雪崩电离并促使流注形成。

图1所示为典型的单间隙伪火花放电装置，触发单元布置在阴极腔内部，在触发脉冲作用下产生初始电子，这些电子在自身动能和透入电势的牵引下穿过阴极孔并进入主间隙，在运动过程中与气体分子发生碰撞电离，进而引燃整个间隙。与霍尔推进器、离子溅射源等装置中稳态或亚稳态的空心阴极放电不同，伪火花放电关注的是大电流脉冲放电过程，空心阴极放电作为重要的等离子体倍增阶段，为后续超密集辉光放电等阶段中阴极表面形成数量众多的微阴极斑点提供了必要条件。

图1 伪火花开关的典型结构

（1—触发单元；2—绝缘支撑；C—阴极；A—阳极；C0,L0,R0—放电回路参数；C1—触发阴极；A1—触发阳极；R1—限流电阻；PC—等离子体区；V0—充电电压；VT—触发脉冲）

伪火花放电研究可分为机理和应用研究两类，前者借助光电诊断及仿真等手段阐明放电发生和转变的物理机制，后者集中于伪火花放电在气体开关、电子束源、极紫外光源等中的应用。

伪火花放电子过程多且转变迅速，国内外学者提出了多种理论试图解释相关现象，但仍然没有获得广泛认可的清晰物理图像。尤其是在小电流、低能量条件下，关于电流淬灭和阻抗波动的发生机制和抑制措施研究还很不充分。此外，基于伪火花放电的气体开关、电子束源和极紫外光源的关键参数和运行稳定性等亟需提升，相关调控方法和应用仍有待进一步研究。

西安交通大学科研团队对伪火花放电的物理机制和典型应用进行综述，指出当前存在的主要问题，并提出今后可能的发展方向。

研究人员认为，伪火花放电装置中电子的平均自由程大于主间隙距离，单个的电子不能引燃主间隙。放电通道呈现出弥散状态，显著区别于火花放电和电弧放电的细丝状通道，在预放电、空心阴极放电、超密集辉光放电和真空电弧放电等阶段，维持电流的主要机制依次为汤逊放电、电子钟摆运动、微阴极斑点爆炸式电子发射和宏观阴极斑点发射。各个阶段的转变依赖于等离子体团密度的持续增大和阴极鞘层的不断压缩，放电机制逐渐由气相过程占主导转变为等离子体与阴极表面相互作用占主导。目前，有关超密集辉光放电的物理机制仍未形成公认的理论，相应的淬灭的物理机制也不清晰。

研究人员指出伪火花放电的应用主要有伪火花开关、电子束源和极紫外光源等。

1）伪火花开关适合于高重频和大通流的应用场合，已被广泛应用于多种脉冲功率系统，如激光器、等离子体点火装置、同步加速器励磁装置等。

2）基于伪火花放电的电子束源在电流密度和束流亮度等方面有着综合优势，在时间分布上依次存在高能低密和低能高密的两种主要组分的电子，其在太赫兹、材料处理和医学研究等领域有着广泛的应用。

3）在下一代光刻技术中，基于伪火花放电的极紫外光源发展潜力巨大，具有结构简单、无靶材污染和寿命长等优点，目前已达到21W/mm2sr的出光功率，距离工业应用需求的115W/mm2sr仍有进一步提升的空间。

研究人员最后表示，伪火花放电技术今后的主要发展方向有：一是阐明超密集辉光放电阶段和淬灭的物理机制；二是采用新工艺和新方法进一步提升伪火花开关的寿命和工作稳定性；三是改善基于伪火花放电的电子束源的束流特性、修正能量分布测量并拓展其应用场景；四是提升基于伪火花放电的极紫外光源的平均出光功率、运行稳定性和连续运行时间。

以上研究成果发表在2021年第11期《电工技术学报》，论文标题为“伪火花放电的物理机制与应用综述”，作者为闫家启、申赛康 等。

下载论文PDF版，请点击左下角“阅读原文”，访问期刊网站。

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