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。伪火花放电具备明显的阶段特征，根据放电特征和物理机制的不同可以划分为四个阶段：预放电、空心阴极放电、超密集辉光放电和真空电弧放电，如图1所示。

图1 伪火花放电各阶段的典型特征

伪火花放电形成阶段的电荷产生机制可以归纳为：预放电阶段为汤逊放电，空心阴极放电阶段为离子碰撞二次电子发射和电子的“钟摆”运动，超密集辉光放电阶段为微阴极斑点发射和离子自持自溅，以及真空电弧阶段为阴极斑点发射。前两个阶段以气体中的等离子体过程为主，后两个阶段以阴极表面过程为主。在非极端的电流密度下，放电通道始终呈现出弥散的状态，并伴随着高强度的电子束流和光辐射。

伪火花放电中每个阶段的起始均依赖其前一阶段的充分发展。当暂态的转变过程发展不顺利或不稳定时，便会出现相应的异常放电现象。目前，伪火花放电存在的主要问题是电流淬灭和阻抗波动，尤其是小电流情况下，出现概率很高。阐明异常放电的发生机制并采取相应抑制措施显得尤为迫切。

伪火花开关

当前，脉冲功率技术除继续向单次超高功率水平方向发展外，也在向高平均功率重复脉冲方向发展。这对其核心部件之一的开关提出了极高的要求。与其他气体开关如高气压火花间隙开关、真空触发开关和氢闸流管等相比, 伪火花开关具有结构简单、电流上升速度快（~1012A/s）、电流导通能力大（大于100kA）、流通反向电流能力强（可达100%）、放电抖动小（可小于1 ns）、电极烧蚀速率低（小于100μg/C）、重复运行频率高（可达10kHz）等优势。

单间隙伪火花开关的耐压极限约为30kV，多间隙结构可进一步提升开关耐压。单孔维持超密集辉光放电模式的电流极限约10kA，对于大电流应用场合来说，一般采取多通道结构以减小单孔的电极烧蚀。与半导体开关相比，伪火花开关具有功率大、结构简单和无需复杂串并联电路等优点。

当前，德国和俄罗斯的研究所及公司已成功开发出伪火花开关系列产品。根据应用场合不同，可分为高重频和大电流两类，前者常采用辉光放电触发，后者则常采用沿面放电触发。表1是几款典型伪火花开关的关键参数对比。值得注意的是，表中所列参数为单项可达到的最大值，各项参数之间存在相互制约关系，不能同时达到最优。

表1 典型成品化伪火花开关的关键参数

表中，FS系列为德国ALSTOM公司与埃尔朗根大学K. Frank团队共同开发，TPI和TDI系列则为俄罗斯Pulsed Technologies公司与俄罗斯大电流电子研究所Y. D. Korolev团队共同开发，最大电压和电流分别可达150kV和300kA。这些成品化开关已广泛应用于各类脉冲功率系统当中，如激光器、等离子体点火装置、同步加速器励磁装置等。

图2是TPI10k-50伪火花开关的结构图。该开关采用双间隙多通道结构和辉光放电触发单元，氢气气压通过氢储存器的灯丝电流进行调节，采用氧化铝陶瓷做绝缘支撑并通过金属-陶瓷焊接密封。图中电极边缘存在多处弯曲结构，可屏蔽放电等离子体对绝缘支撑的轰击，避免长期运行时绝缘破坏。

图2 TPI10k-50伪火花开关的结构图

（A—平板阳极；G—栅极；C—空心阴极；A1—触发阳极；C1—触发阴极；EC—高发射系数材料）

该公司在最新产品的氢储存器上采用了特殊的金属半透膜材料，开关工作时无需灯丝加热电源，进一步简化了开关使用过程。

国内自1997年起，西安交通大学的邱毓昌团队对伪火花开关的放电特性开展了研究。赵会良等研究了空腔悬浮电极对双间隙伪火花开关耐压的影响。姚学玲等研究了采用沿面闪络型触发器的伪火花开关的性能。北京真空电子技术研究所的张明和周亮等开发的伪火花开关，为双间隙多通道结构，采用沿面放电型触发器，耐压50kV，通流50kA，可工作于单次或低频条件；同时，对激光触发伪火花开关进行了初步的研究，获得了聚焦和非聚焦模式下，激光能量与触发时延和抖动的关系。

目前西安交通大学丁卫东团队和江西景光电子有限公司正在开发高重频低抖动的成品化伪火花开关，已实现的参数包括耐压大于50kV，通流大于40kA，抖动小于1ns。今后伪火花开关研究的重点是进一步提升开关各项参数，尤其是寿命和运行稳定性。

电子束源

与光电阴极、热阴极及等离子体斑点阴极等相比，基于伪火花放电的电子束源在电流密度和亮度等方面有着综合性的优势，在太赫兹、材料处理和医学等领域有广泛的应用。

基于伪火花放电的电子束源的典型结构如图3所示，一般采用多间隙结构以提升装置耐压和电子束能量，阴极接负高压，阳极接地，主电容的容量一般在nF量级。电子束的典型放电波形如图4所示，第一个峰所示的电子束的特点是能量高密度低，第二个峰能量低密度高，与前文机制分析所述一致。为了提升后一阶段电子束流的能量，英国思克莱德大学的Yin H.和西安交通大学的赵军平等设计了带有后加速作用的双间隙伪火花放电结构，对大量低能电子进行加速。

图3 基于多间隙放电的电子束源结构

图4 放电产生电子束的典型放电波形

基于伪火花放电的电子束源的研究主要集中在两方面。一方面，集中在电极结构（腔深、孔径、孔深、间隙数等）、外回路参数（电压、主电容、气压、气体种类等）和电压形式（直流、微秒脉冲、纳秒脉冲）等因素对于电子束密度和能量时空分布的影响规律的研究]。

实际应用中，一般要求电子束的密度大、能谱窄或可控、稳定性好。因此，如何测量和灵活调控电子束参数是研究的重点。电子束的电流密度一般采用罗氏线圈和法拉第杯的方法进行测量，电子束的能量分布采用外加偏置电压或偏转磁场直接测量，或采用自偏置电极结构并反卷积运算间接获得。

测量时应注意屏蔽放电等离子体对法拉第杯信号的干扰。值得注意的是，当前电子束能量分布测量的研究中，未考虑偏置电压和偏转磁场对电子束输运的影响，即外施电场或磁场会改变电子到达接收装置的时间，且对不同能量电子的影响程度不同。在今后的研究中，需要对测量结果进行修正。

另一方面，电子束在微波和太赫兹辐射源、超导薄膜材料沉积、金属刻蚀、加速器、X射线源等方面有着广泛的应用。

图5 电子束用于驱动切伦科夫激射器

图5是英国思克莱德大学H.Yin等利用伪火花放电电子束驱动的切伦科夫激射器，得到脉宽100ns、峰值功率约2kW，中心频率为25.5GHz的微波，验证了该方法用于产生毫米波甚至太赫兹微波辐射的可行性。在最新的研究中，该团队利用伪火花放电产生条状的电子束，用于驱动扩展交互振荡器，最终得到脉宽约20ns、峰值功率1.2kW、频率范围在104~106GHz的高功率微波。

极紫外光源

极紫外（Extreme Ultraviolet，EUV，中心波长13.5nm）光源是下一代光刻技术的核心设备，目前业界主要采用两种技术来产生极紫外光，一种是激光等离子体技术，另一种是放电等离子体技术。激光等离子体技术面临的最大挑战是数千赫兹重复频率的高功率激光器和靶材碎片污染问题。相较而言，基于伪火花放电的方案能够在很大程度上克服上述问题。

特殊的空心阴极结构使得伪火花放电等离子体径向箍缩，箍缩后的等离子体密度达到1018~1019/cm3，电子温度达到几十电子伏。在此过程中，氙气分子受激发后能够产生较多中心波长13.5nm的极紫外辐射。此外，基于伪火花放电的极紫外光源具有放电能量低和等离子体不直接与绝缘材料接触的特征，容易获得数千赫兹的高重复工作频率。与伪火花开关相比，极紫外光源工作气体通常采用氪气、氙气等大分子量稀有气体，且放电通道需要发生箍缩，不再追求弥散的效果。

德国夫琅和费激光研究所的K. Bergmann等自20世纪90年代至今与飞利浦和ASML等公司展开合作，先后研发了多款基于伪火花放电的极紫外光源样机。在绝缘恢复和重频运行等研究的基础上，研究了气体种类、脉冲能量、电极结构等参数对出光效率、碎片污染、运行稳定性等方面的影响规律。图6是该团队于2012年搭建的装置，在重频3.3kHz、脉冲能量6J的输入功率下，能够获得中心波长13.5nm（半高宽2nm）、输出功率21W/mm2sr的极紫外光源。图7是实验中获得的极紫外光辐射特性。

图6 基于伪火花放电的极紫外光源

图7 伪火花放电的极紫外辐射特性

​此外，俄罗斯的Y. D. Korolev和美国的Jiang Chunqi等也在对伪火花开关进行深入研究后，对伪火花放电极紫外光源开展了探索性研究[80-81]，但仍然较为初步。国内目前尚未见到基于伪火花放电的极紫外光源研究的相关报道。

总体而言，基于伪火花放电的极紫外光源具备和其他技术方案相当的能量转化效率，并且在重复频率、电极烧蚀、寿命、碎片污染、造价等方面具有优势。

在低脉冲能量下，伪火花放电方案的出光效率高，电极的烧蚀小。为保证出光的一致性和稳定性，要求光源达到很高的的工作频率，而高重复频率正是伪火花放电的突出优点之一，但目前的出光总功率和运行稳定性均与商用标准具有较大差距。虽然当前已有基于激光等离子体技术的的商用光刻机，但造价十分昂贵，具备小脉冲能量（J级）、高重复频率（kHz级）特征的伪火花放电极紫外光源仍是一种具有较大潜力的方案。

本文摘编自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。