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将空心阴极辉光放电(hollow cathode glow discharge)的工作气压范围拓展至0.01–0.1 Pa，使其放电等离子体可应用于以往因气压始终高于p = 1 Pa而无法实现的多项工艺过程。研究人员通过对浸入p < 0.1 Pa等离子体中钢制
将空心阴极辉光放电(hollow cathode glow discharge)的工作气压范围拓展至0.01–0.1 Pa，使其放电等离子体可应用于以往因气压始终高于p = 1 Pa而无法实现的多项工艺过程。研究人员通过对浸入p < 0.1 Pa等离子体中钢制工件施加40 kV脉冲进行氮离子注入，可获得厚度达40 μm的表面改性层，硬度达13 GPa，为基体硬度的6.5倍，且处理时间缩短一个数量级。在p = 0.1 Pa下对钢件进行渗氮(nitriding)可显著提高渗氮速率。将钛工件作为放电阳极且其表面积不超过临界值时，因电子在正阳极位降区(anode fall of potential)被加速加热至钛熔点1670 °C，可使钛阳极熔化。
《Plasma》刊载论文"Technological Capabilities of Hollow Cathode Glow Discharge"学术解读
该研究背景如下：传统冷空心阴极辉光放电(cold hollow cathode glow discharge)用于表面处理时受限于较高工作气压(p > 1 Pa)，文献中缺乏无磁场、气压低于1 Pa时的相关数据。以往认为放电熄灭是因阴极发射快电子被阴极自身吸收或电离平均自由程大于阴极内尺寸，但已有大尺寸空心阴极实验表明熄灭压力低至~0.02 Pa，远低于按直径比例推算值，说明熄灭机制实为快电子从阴极开口逃逸所致，且下限压力po正比于电子损失开口面积So；当阳极表面积Sa小于临界值S* = (2m/M)1/2S时会出现正阳极位降(anode fall)并可加热熔化小面积阳极。将导电真空室作为封闭大空心阴极并在内置阳极后，辉光放电可在室内产生均匀致密等离子体，将放电下限压力降低两个数量级至0.01–0.1 Pa后，开辟了新的技术应用可能，本文即展示这些新工艺能力。
研究人员采用的主要关键技术方法如下：使用直径50 cm、长60 cm的不锈钢真空室（内体积V = 0.12 m3，内壁冷却面积S = 1.5 m2）作为大空心阴极，室内置圆盘阳极或悬挂试件作阳极，配带弧光保护的直流电源DC-I（≤10 A，≤700 V）维持辉光放电，DC-II（≤2 A，≤5 kV）用于工件负偏压或试件作阳极，脉冲发生器可施加幅值≤40 kV、脉宽50 μs、重复频率≤50 Hz的负高压脉冲于工件，通过移动盘形探针测量等离子体密度分布，用红外测温仪测工件温度，显微硬度计测改性层硬度剖面，多普勒频移光谱法验证快原子束。
2.1. 腔内均匀等离子体填充(Filling a Chamber with Homogeneous Plasma)
研究人员在氩气压力p ≈ 0.1 Pa、放电电流I = 1–10 A下点燃空心阴极辉光放电，用直径40 mm可移动盘形探针测量距室法兰不同距离h处的探针电流Ip。结果显示在放电电流I = 2 A时，腔体中心区域(h = 5–30 cm)等离子体密度不均匀度不超过±5%。这是由于快电子在阴极鞘层(sheath)内经数百次反射往复振荡并不断改变方向，使气体电离概率在腔体内均匀分布，证明该放电可在较大容积真空室内产生高度均匀的等离子体。
2.2. 真空下金属加热与熔化(Heating and Melting Metals in Vacuum)
研究人员将不同表面积钛板或钛棒悬挂于室中央作阳极，当阳极面积Sa> 临界值S* = (2m/M)1/2S ≈ 82 cm2时阳极电位浮近等离子体电位，电子均匀加热阳极使其整体发红；当换用Sa= 20 cm2(< S*)并降压至p ≈ 0.02 Pa时，阳极位降升至~500 V，放电电压U升至1–3 kV，在I = 4 A时电子加热功率达2 kW，使钛(熔点1670 °C)从棒端开始熔化并滴入陶瓷坩埚。结论：阳极表面积小于临界值时出现正阳极位降，被阳极加速的电子可实现对小尺寸金属试样的真空电子束加热乃至熔化，具备真空冶金应用潜力。
2.3. 金属零件热化学处理(Thermochemical Treatment of Metal Parts)——渗氮(Nitriding)
研究人员将AISI 5135钢件浸入p = 0.1 Pa氮气辉光放电等离子体，工件加–400至–1000 V偏压，阴极鞘层宽度d = 6.6–8.5 mm，氮离子电荷交换平均自由程λ = 0.17 m >> d，离子无碰撞以全能量(最高~1000 eV)轰击表面，每个离子可产生Nd= εo/2εd= 25个晶格位移原子，促进氮沿缺陷扩散。经580 °C、2 h处理后，获得厚约100 μm硬化层，表面最高显微硬度~10 GPa（基体~3.5 GPa），沿深度均匀递减。结论：低压(p = 0.1 Pa)下离子无碰撞加速至高能量引发表层晶格损伤(cascade of collisions)，显著加速氮的渗入，渗氮速率较传统离子渗氮(p ~ 50 Pa，需>10 h)提高一个数量级。
2.4. 等离子体浸没离子注入(Plasma Immersion Ion Implantation, PIII)
研究人员将AISI 321钢件浸入p = 0.05 Pa氮等离子体，先以–800 V直流偏压预处理15 min，再施加40 kV、50 μs、50 Hz高压脉冲1 h。氮离子电荷交换平均自由程λ = 0.34 m > 高压鞘层宽度d ≈ 20 cm，离子全程无碰撞以40 keV能量注入。结果表明改性层厚~40 μm，表面硬度达~13 GPa（基体~2 GPa），为基体的6.5倍，硬度平台维持至深度~20 μm后下降；沿工件不同位置硬度分布一致，证实整面同时处理效果均匀；表面粗糙度依初始状况可微增或微降。结论：在低压大腔体中PIII可实现整件同时注入，无需扫描，获得深硬化层与大幅硬度提升，处理时间较常规方法缩短一个数量级。
2.5. 产生宽束快原子(Producing Broad Beams of Fast Atoms)
研究人员在p = 0.06–0.1 Pa氩或氦等离子体中浸入加负偏压(–3至–5 kV)的多片平行钛板栅网，等离子体离子被栅网加速后在气体中发生电荷交换(collisional charge exchange)或撞栅网表面中和，向两侧产生宽束快原子(fast neutral atoms/atoms)。用多普勒频移光谱验证快氦原子双向速度分量，用钢盘接收刻蚀印记测得200×175 mm栅网产生165×125 mm有效快原子束，Al2O3基片刻蚀率~1 μm/h。改进方案为用栅网分隔腔室，仅在等离子体侧轻微溅射且窄缝限制溅射材料进入处理区。结论：空心阴极辉光放电配合偏压栅网可产生大面积快原子束，适用于介电质工件表面处理。
讨论与结论总结：
研究人员指出本气体放电的核心特征为低工作气压(0.01–0.1 Pa)使离子平均自由程足够大，离子可无能量损失穿过整个真空室及鞘层到达工件，从而实现离子能量最大化；多次反射振荡快电子使等离子体高度均匀；小面积阳极出现正阳极位降并可提供主要加热功率使金属熔化。将空心阴极辉光放电工作气压下限拓展至0.01–0.1 Pa后，可实现：(1)在p = 0.05 Pa氮等离子体中以40 kV脉冲对AISI 321钢进行氮离子注入，获40 μm厚、硬度13 GPa(为基体6.5倍)改性层，处理时间缩短一个数量级；(2)在p = 0.1 Pa下对AISI 5135钢渗氮，离子无碰撞加速引发表层缺陷促进氮扩散，2 h获100 μm厚、表面硬度~10 GPa硬化层，速率较传统离子渗氮快一个数量级；(3)钛工件作阳极且表面积不大于临界值时，因正阳极位降区加速电子加热至1670 °C可使之熔化，可用于真空冶金；(4)偏压栅网浸入放电等离子体可产生宽束快原子用以处理介电质工件。
