辉光放电

书书书 　第２２卷第１０期 强 激 光 与 粒 子 束 Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．１０　 　２０１０年１０月 ＨＩＧＨ ＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲ ＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳ Ｏｃｔ．，２０１０　 文章编号：　１００１４３２２（２０１０）１０２２９９０４ 纳秒脉冲空气辉光放电等离子体及应用 万　军，　贾向红，　宋铭炜，　王守国 （中国科学院 微电子研究所，微电子器件与集成技术重点实验室，北京１０００２９） 　　摘　要：　采用基于半导体断路开关的纳秒脉冲高压电源，在两个金属电极之间产生放电区间为１６００ ｍｍ×１００ｍｍ×２５ｍｍ的常压辉光空气等离子体。等离子体发生器采用负高压针电极阵列与平板阳极结构， 针电极的直径为１ｍｍ，长度为２０ｍｍ，针电极之间的间隔为２０ｍｍ，针电极与平板零电位之间的距离为２５ ｍｍ，在每个负高压针电极末端周围同时形成圆锥形辉光放电，在平板地电极则形成大面积辉光放电。采用电 压探针测量了该新型等离子体的放电特性，结果表明：放电脉冲的上升时间为２６ｎｓ，最高脉冲输出峰值电压为 ２７ｋＶ；利用该辉光等离子体对幅宽为１０００ｍｍ聚四氟乙烯薄膜进行了表面改性处理，处理后其表面接触角 由原来的１２４°降到６９°，亲水性能大为提高。 　　关键词：　纳秒脉冲放电；　半导体断路开关；　空气辉光等离子体；　表面处理 　　中图分类号：　Ｏ６４６．９　　　　文献标志码：　Ａ　　犱狅犻：１０．３７８８／ＨＰＬＰＢ２０１０２２１０．２２９９ 　　常压低温冷等离子体是在大气压下使气体击穿电离并维持较低温度的气体放电现象，其主要的放电形式 有电晕放电、介质阻挡放电和辉光放电等［１］。电晕放电是使用曲率半径很小的电极并在电极上加高电压，由于 电极的曲率半径很小，靠近电极区域的电场特别强，电子逸出电极发生非均匀放电［２］。电晕放电属于高压尖端 放电，电流弱，放电效率低，并且很容易从电晕过渡到火花甚至电弧放电。 　　介质阻挡放电是一种高气压下的非平衡放电，它产生于两个电极之间，其中至少一个电极上面覆盖有一层 电介质。介质阻挡放电是一种在大空间中随机产生的电子雪崩现象，由于其具有电子密度高和在常压下可连 续运行的特点而被广泛应用［３５］。介质阻挡放电虽然可以得到大体积放电，但是在空气中实现辉光放电依然是 一件非常困难的事情，这也限制了介质阻挡放电在工业上的低成本广泛应用。 　　１９９７年１１月美国ＬｏｓＡｌａｍｏｓ国家实验室采用射频技术成功实现在常压下气体的温和辉光放电，称为 ＡＰＰＪ技术［６］。这一重大突破意味着过去只能在真空室中的低温气体放电可以直接在常压下进行，从而省去 了真空室所带来的空间上和操作上限制。但该射频辉光等离子体只能使用氦气或氩气作为工作气体，其使用 成本较高，并且等离子体发生器的面积和放电间隙均较小，无法满足大尺度工业品表面处理的应用目的。另外 射频常压辉光氩等离子体的放电并不十分稳定，尤其在两个金属电极之间放入待处理的物体时［７］。 　　如何在空气中产生大面积均匀稳定的辉光放电是目前在等离子体源研究上人们十分关注的课题。２０世 纪９０年代，俄罗斯电物理研究所的科学家发现了半导体断路开关（ＳＯＳ）效应，即在半导体中存在ｎｓ级时间内 可关断超大密度电流的现象，并研制了基于ＳＯＳ断路开关的脉冲功率发生器［８］。２００５年，Ｔａｋａｋｉ等人［９］采用 基于ＳＯＳ二极管的纳秒脉冲高压电源，利用针尖电极阵列在电极距离为１０ｍｍ的条件下，在氮气中实现了辉 光放电，但是其放电面积较小。本文采用基于半导体断路开关的纳秒脉冲高压电源，以空气为工作气体，获得 了一种整体放电体积可达１６００ｍｍ×１００ｍｍ×２５ｍｍ的常压辉光等离子体，介绍了该放电的实现途径，并利 用该空气辉光等离子体对宽幅聚四氟乙烯薄膜进行了表面改性研究。 １　实验装置 　　ＳＯＳ二极管是一种特殊设计的二极管，具有ｐ＋ｐｎｎ＋结构，反相恢复时间极短。由于在半导体结构的ｐ 区和ｎ区中有剩余电荷，使得ＳＯＳ可以在特定周期内引导反相电流通过。由正向泵浦电流流过ＳＯＳ时提供 剩余电荷，二极管中剩余电荷的复合导致了快速的关断时间。本文中纳秒脉冲高压电源由晶闸管充电单元 （ＴＣＵ），磁压缩单元（ＭＣＵ），ＳＯＳ放大单元（ＳＡＵ），控制器以及辅助电路等几部分组成。图１为纳秒脉冲高  收稿日期：２００９０８１０；　　修订日期：２０１００１２５ 基金项目：科技部０２重大专项资助课题（２００９ＺＸ０２０３７００８）；中国科学院微电子研究所所长基金项目 作者简介：万　军（１９８２—），男，博士，从事低温等离子体技术及其应用研究；ｐｌａｓｍａ０６２５＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ。 通信作者：王守国（１９６３—），男，博士，从事常压等离子体技术及其应用研究；ｗａｎｇｓｈｏｕｇｕｏ＠ｉｍｅ．ａｃ．ｃｎ。 书书书 Ｆｉｇ．１　Ｍａｉｎｃｉｒｃｕｉｔｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆ ｎａｎｏｓｅｃｏｎｄｐｕｌｓｅｄｐｏｗｅｒ 图１　纳秒脉冲电源的主电路原理图 压电源的主电路原理图。电源采用模块化设计，ＴＣＵ置 于机柜上部，主体部分采用强迫风冷。ＴＣＵ单元的作用 是将市电通过整流二极管和电容器犆１ 转换为电压约为 ５００Ｖ的直流电。利用电感犔１，犔２，犔３，犔４ 和电容犆１， 犆２ 以及晶闸管组成的谐振回路产生幅值约为１ｋＶ，脉 宽１５～２０μｓ的电压脉冲馈入到 ＭＣＵ。ＭＣＵ和ＳＡＵ 置于变压器油中，油箱位于机柜下部，变压器油通过热交 换器冷却。ＳＡＵ作为最后的功率放大器压缩来自 ＭＣＵ 的能量使之成为纳秒高压脉冲。 　　图２为根据ＳＯＳ特殊的关断形式设计的具有双回 路的ＳＯＳ泵浦电路。将反相泵浦电容ＣＨ 和反相泵浦 磁开关 ＭＳ引入到 ＭＣＵ输出和ＳＯＳ之间。作为 ＭＣＵ 输出开关的正向泵浦开关 ＭＳ＋饱和后，最后一个压缩单 元的能量传输到ＣＨ。ＣＨ 的充电电流犐＋同时也就是 ＳＯＳ的正向泵浦电流。ＣＨ的电压上升使得ＭＳ磁化反向。当ＭＳ导通，反向电流Ｉ注入到ＳＯＳ。能量从ＣＨ 传输到反向泵浦电路的电感（饱和开关 ＭＳ的线圈电感或附加电感）。当电流被ＳＯＳ关断后，能量以纳秒脉冲 形式传输到等离子体发生器。等离子体发生器阴极采用负高压针电极阵列，针电极的直径为１ｍｍ，针电极的 长度为２０ｍｍ，针电极之间的间隔为２０ｍｍ，负高压针电极与平板地电极之间的距离为２５ｍｍ，平板地电极的 面积为１６００ｍｍ×１００ｍｍ。在每个负高压针电极末端周围同时形成圆锥形辉光放电，在平板地电极则形成 大面积辉光放电。图３为在针电极末端周围形成的辉光放电的示意图。 Ｆｉｇ．２　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｐｐａｒａｔｕｓ 图２　实验装置的结构原理图 Ｆｉｇ．３　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｐｌａｓｍａｄｉｓｃｈａｒｇｅ 图３　等离子体发生器放电示意图 ２　放电特性及放电机理 　　采用电压探头 （ＴｅｋｔｒｏｎｉｘＰ６０１５Ａ，带宽７５ＭＨｚ）测量了该系统的电压特性。电压波形采用示波器 （ＴｅｋｔｒｏｎｉｘＴＤＳ２１０）记录并连接到计算机数据处理系统。图４为该放电系统的典型的电压波形。从图４可 以看出脉冲高压的上升时间约为２６ｎｓ，最高脉冲输出峰值电压为２７ｋＶ。采用针板结构，传统的直流或者高 Ｆｉｇ．４　Ｔｙｐｉｃａｌｗａｖｅｆｏｒｍｏｆｄｉｓｃｈａｒｇｅｖｏｌｔａｇｅ 图４　典型的放电电压波形 频放电很容易从电晕放电过渡到弧光放电，经典的 Ｔｏｗｎｓｅｎｄ理论和流注理论已经不能很好的解释纳秒脉 冲放电。目前，基于逃逸电子束的逃逸电子模型可以用 来解释Ｔｏｗｎｓｅｎｄ放电范围外的放电过程。逃逸电子模 型认为电子崩中存在高能量的逃逸电子和低能量的热电 子，高能量逃逸电子将能直接电离气体分子，产生大量的 二次电子，这种产生方式比传统的空间光电离更迅速有 效，产生的电子数目更多。在采用纳秒脉冲放电时，快速 上升的电压有利于产生更多高能量的逃逸电子，从而更 有效的电离空气，同时能够抑制等离子体从辉光放电转 向弧光放电［９］。 ００３２ 强 激 光 与 粒 子 束 第２２卷 ３　表面改性研究 　　采用该空气辉光放电等离子体对商业用０．１μｍ厚，幅宽为１０００ｍｍ的聚四氟乙烯薄膜进行了表面改性 的研究。样品改性前后的亲水性使用静态接触角测量仪（上海中晨ＪＣ２０００Ｃ１）测试，在聚四氟乙烯薄膜表面 滴上２μＬ的去离子水，选取３个测量点分别测量后取平均值；样品表面成分变化使用 ＸＰＳ分析仪（美国 Ｔｈｅｒｍｏ公司，仪器型号：ＶＧＥＳＣＡＬＡＢ５，成像空间分辨力小于３μｍ）测试。 Ｆｉｇ．５　Ｐｈｏｔｏｏｆａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｇｌｏｗｄｉｓｃｈａｒｇｅｉｎａｉｒ 图５　常压空气辉光放电照片 　　图５为使用纳秒脉冲电源形成的辉光放电照片。由 图可见蓝色辉光从阴极针状尖端同时发射到达平板阳 极，整个辉光放电均匀和稳定，没有出现电弧现象。通过 调节针板之间的放电距离、放电脉冲电压来调节辉光等 离子体与聚四氟乙烯薄膜的作用强度从而达到表面改性 的目的。图６为聚四氟乙烯薄膜处理前和处理后的接触 角照片。处理条件为：脉冲峰值电压２５ｋＶ，脉冲频率 １ｋＨｚ，针尖与样品之间的距离为１８ｍｍ，处理时间３０ｓ。 经空气辉光放电等离子体处理后，聚四氟乙烯薄膜的接 触角由原样的１２４°（图６（ａ））降到６９°（图６（ｂ））。 Ｆｉｇ．６　Ｐｈｏｔｏｓｏｆｃｏｎｔａｃｔａｎｇｌｅ 图６　接触角照片 　　图７为聚四氟乙烯薄膜原样和经空气辉光等离子体处理后的表面的高分辨Ｃ（ｌｓ）ＸＰＳ谱图。原样主要由 位于２９２．２ｅＶ处的Ｃ－Ｆ２ 键组成以及样品表面少量残余的污染碳原子，经过空气辉光等离子体处理后的样 品的Ｃ（ｌｓ）谱出现了位于２８９．８ｅＶ处对应于Ｃ－Ｆ键的特征峰［１０１１］。Ｃ－Ｆ键的出现和Ｃ－Ｃ键面积的增加表 明空气辉光等离子体处理对聚四氟乙烯薄膜产生了刻蚀作用，从而导致聚四氟乙烯薄膜表面能的增加引起接 触角的降低。 Ｆｉｇ．７　Ｃ１ｓｓｐｅｃｔｒａｏｆｓａｍｐｌｅｓｕｒｆａｃｅ 图７　样品的高分辨Ｃ（ｌｓ）谱图 ４　结　论 　　利用半导体断路开关的纳秒脉冲电源，在负高压针电极阵列与平板地电极之间形成放电区间为１６００ｍｍ １０３２第１０期 万　军等：纳秒脉冲空气辉光放电等离子体及应用 ×１００ｍｍ×２５ｍｍ的常压辉光空气放电等离子体。基于纳秒脉冲的辉光等离子体与传统的低温冷等离子体 的产生方式相比较不需要昂贵的惰性气体作为工作气体，在空气或氮气中可以产生稳定的辉光放电，因此其使 用成本更低，其放电机理正在进一步研究中。用该辉光等离子体对聚四氟乙烯薄膜的表面改性表明，经过空气 等离子体处理后的薄膜接触角由原样的１２４°降到６９°。由于可以在较大的电极间距下产生辉光放电等离子 体，更适合于各种板材表面的处理，如玻璃板、陶瓷板、塑料板和金属材料板等。 参考文献： ［１］　ＳｃｈｕｔｚｅＡ，ＪｅｏｎｇＪＹ，ＢａｂａｙａｎＳＥ，ｅｔａｌ．Ｔｈｅａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｐｌａｓｍａｊｅｔ：ａｒｅｖｉｅｗａｎｄｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｔｏｏｔｈｅｒｐｌａｓｍａｓｏｕｒｃｅｓ［Ｊ］． 犐犈犈犈犜狉犪狀狊狅狀犘犾犪狊犿犪犛犮犻犲狀犮犲，１９９８，２６（６）：１６８５１６９４． ［２］　齐冰，任春生，马腾才，等．多针电晕增强大气压辉光放电稳定性研究［Ｊ］．物理学报，２００６，５５（１）：３３１３３６．（ＱｉＢｉｎｇ，ＲｅｎＣｈｕｎｓｈｅｎｇ， ＭａＴｅｎｇｃａｉ，ｅｔａｌ．Ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｕｌｔｉｐｉｎｔｏｍｕｌｔｉｓｐｈｅｒｅｐｌａｎｅｎｅｇａｔｉｖｅｃｏｒｏｎａｄｉｓｃｈａｒｇｅ．犃犮狋犪犘犺狔狊犻犮犪犛犻狀犻犮犪，２００６，５５（１）：３３１ ３３６） ［３］　李清泉，ＲｏｔｈＪＲ．一种连续处理纤维材料的常压等离子体设备［Ｊ］．高电压技术，２００８，３４（４）：６７８６８１．（ＬｉＱｉｎｇｑｕａｎ，ＲｏｔｈＪＲ．Ｐｌａｓｍａ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｍａｃｈｉｎｅａｔｃｏｎｓｔａｎｔａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅ．犎犻犵犺犞狅犾狋犪犵犲犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵，２００８，３４（４）：６７８６８１） ［４］　罗海云，王新新，毛婷，等．用ＰＥＴ薄膜覆盖金属丝网电极实现大气压空气中均匀放电［Ｊ］．物理学报，２００８，５７（７）：４２９８４３０３．（Ｌｕｏ Ｈａｉｙｕｎ，ＷａｎｇＸｉｎｘｉｎ，ＭａｏＴｉｎｇ，ｅｔａｌ．Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓｄｉｓｃｈａｒｇｅａｔａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｉｎａｉｒｕｓｉｎｇｗｉｒｅｍｅｓｈｃｏｖｅｒｅｄｂｙ ＰＥＴｆｉｌｍｓ．犃犮狋犪犘犺狔狊犻犮犪犛犻狀犻犮犪，２００８，５７（７）：４２９８４３０３） ［５］　刘艳红，张家良，王卫国，等．ＣＨ４或ＣＨ４＋Ａｒ介质阻挡放电中的离子能量和类金刚石膜制备［Ｊ］．物理学报，２００６，５５（３）：１４５８１４６３． （ＬｉｕＹａｎｈｏｎｇ，ＺｈａｎｇＪｉａｌｉａｎｇ，ＷａｎｇＷｅｉｇｕｏ，ｅｔａｌ．ＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｄｉａｍｏｎｄｌｉｋｅｃａｒｂｏｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｉｏｎｅｎｅｒｇｙｉｎＣＨ４ｏｒＣＨ４＋Ａｒｄｉｅｌｅｃ ｔｒｉｃｂａｒｒｉｅｒｄｉｓｃｈａｒｇｅｐｌａｓｍａ．犃犮狋犪犘犺狔狊犻犮犪犛犻狀犻犮犪，２００６，５５（３）：１４５８１４６３） ［６］　ＲｏｔｈＪＲ，ＮｏｕｒｇｏｓｔａｒＳ，ＢｏｎｄｓＴＡ．Ｔｈｅｏｎｅａｔｍｏｓｐｈｅｒｅｕｎｉｆｏｒｍｇｌｏｗｄｉｓｃｈａｒｇｅｐｌａｓｍａ（ＯＡＵＧＤＰ）—ａｐｌａｔｆｏｒｍｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒｔｈｅ２１ｓｔ ｃｅｎｔｕｒｙ［Ｊ］．犐犈犈犈犜狉犪狀狊狅狀犘犾犪狊犿犪犛犮犻犲狀犮犲，２００７，３５（２）：２３３２５０． ［７］　ＭｏｏｎＳＹ，ＣｈｏｅＷ．Ａｕｎｉｆｏｒｍｇｌｏｗｄｉｓｃｈａｒｇｅｐｌａｓｍａｓｏｕｒｃｅａｔａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅ［Ｊ］．犃狆狆犾犘犺狔狊犔犲狋狋，２００４，８４（２）：１８８１９０． ［８］　苏建仓，刘国治，丁臻捷，等．基于ＳＯＳ的脉冲功率源技术新进展［Ｊ］．强激光与粒子束，２００５，１７（８）：１１９５１２００．（ＳｕＪｉａｎｃａｎｇ，Ｌｉｕ Ｇｕｏｚｈｉ，ＤｉｎｇＺｈｅｎｊｉｅ，ｅｔａｌ．ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆＳＯＳｂａｓｅｄｐｕｌｓｅｄｐｏｗｅｒ．犎犻犵犺犘狅狑犲狉犔犪狊犲狉犪狀犱犘犪狉狋犻犮犾犲犅犲犪犿狊，２００５，１７ （８）：１１９５１２００） ［９］　ＴａｋａｋｉＫ，ＨｏｓｏｋａｗａＭ，ＳａｓａｋｉＴ，ｅｔａｌ．Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｇｌｏｗｄｉｓｃｈａｒｇｅｉｎｎｉｔｒｏｇｅｎｕｓｉｎｇｎｅｅｄｌｅａｒｒａｙｅｌｅｃｔｒｏｄｅ［Ｊ］． 犃狆狆犾犘犺狔狊犔犲狋狋，２００５，８６：１５１５０１． ［１０］　ＷａｒｄＬＪ，ＳｃｈｏｆｉｅｌｄＷＣＥ，ＢａｄｙａｌＪＰＳ，ｅｔａｌ．Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｐｌａｓｍａｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｌｙｗｅｌｌｄｅｆｉｎｅｄｐｏｌｙａｃｒｙｌｉｃａｃｉｄｆｉｌｍｓ ［Ｊ］．犆犺犲犿犕犪狋犲狉，２００３，１５（７）：１４６６１４６９． ［１１］　ＭｏｒｒａＭ，ＯｃｃｈｉｅｌｌｏＥ，ＧａｒｂａｓｓｉＦ．ＴｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｐｌａｓｍａｄｅｐｏｓｉｔｅｄｓｉｌｏｘａｎｅｃｏａｔｉｎｇｓｏｎｔｈｅｂａｒｒｉｅｒｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＨＤＰＥ［Ｊ］．犑犃狆狆犾犘狅犾狔犿 犛犮犻，１９９３，４８（８）：１３３１１３４０． 犖犪狀狅狊犲犮狅狀犱狆狌犾狊犲犱犪狋犿狅狊狆犺犲狉犻犮狆狉犲狊狊狌狉犲犵犾狅狑犱犻狊犮犺犪狉犵犲狆犾犪狊犿犪犪狀犱犻狋狊犪狆狆犾犻犮犪狋犻狅狀狊 ＷａｎＪｕｎ，　ＪｉａＸｉａｎｇｈｏｎｇ，　ＳｏｎｇＭｉｎｇｗｅｉ，　ＷａｎｇＳｈｏｕｇｕｏ （犓犲狔犔犪犫狅狉犪狋狅狉狔狅犳犕犻犮狉狅犲犾犲犮狋狉狅狀犻犮狊犇犲狏犻犮犲狊犪狀犱犐狀狋犲犵狉犪狋犲犱犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔，犐狀狊狋犻狋狌狋犲狅犳犕犻犮狉狅犲犾犲犮狋狉狅狀犻犮狊， 犆犺犻狀犲狊犲犃犮犪犱犲犿狔狅犳犛犮犻犲狀犮犲狊，犅犲犻犼犻狀犵１０００２９，犆犺犻狀犪） 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