等离子体化学-3

第三章等离子体的发生获取plasma的方法和途径很多。涉及经典的微观过程，物理效应和实验方法。3.1等离子体的主要发生方法P107图3.13.1.1气体放电法（1）常用的电场类型：（按电场的频率不同：直流放电，低频，高频，微观放电等）a：直流：简单易行b：低频：1~100KHzc：高频：10~100MHz，属于无线电波频谱范围，故称射频放电(RF放电)，常为13.56MHz.d：微波：超过1GHz,(MW放电为2450MHz)，它能导致电子回旋共振，增加放电频率，有利于提高工艺质量。（2）主要放电形式P109图3.2，P111表3-1（3）电场和气压对等离子体的性质的影响P111图3.3。a：注意:在低压，强电场条件下，电流密度小时容易产生辉光放电，电流密度增大到一定值后过度到弧光放电。b：若一个大气压或更高的气压下，可不经过辉光放电直接从电晕放电过度到弧光放电。（4）等离子体温度与气压的关系：P112图3.43.1.2射线辐照法P1123.1.3光电离法3.1.4激光等离子体（激光诱导）只要光子的能量之和大于或等于电离能，电离过程便能发生。注意：由于单光子能量小于原子，分子的电离能，如红宝石激光器的波长是0.69µm，单光子能量只1.78ev，因此单光子电离是不可能的。P114表3-2给出光子数s值。3.1.5热电离法：主要由相互碰撞引起电离MeAMA3.2汤生放电理论3.2.1汤生第一电离系数：1：汤生第一电离系数：在放电过程中，设每个电子沿电场方向移动1cm距离时与气体分子或原子碰撞所产生的平均电离次数为α,则α叫汤生第一电离系数.2:影响α的因素:(1):电子从电场中获取的能量在每次碰撞中损失怠尽。(2):若电离的几率只取决于电子能量时:a:E电子能量E电离能,电离几率为0，b:E电子能量E电离能,电离几率为1。这时引入自由程,即电子行进1cm距离时与气体分子的碰撞次数为:eeN13.2.2电子数目增长函数（4）自持放电和非自持放电：P124从上分析可知，不论α取何值，若i0不存在时，即i0=0（外界电离剂停止作用）有i0=0，即放电停止。这为非自持放电。要进行自持放电，必需要有除电子碰撞电离机制外的其他因素。3.2.3自持放电条件和自持电流在图3.2中（P109）当伏安曲线越过击穿点B时，外界电离剂停止后，也可放电，这为自持放电。P124的解释。一:正离子子碰撞引起的电离，即β过程a：β是正离子碰撞电离系数，指一个离子在电场方向1cm行程中与气体分子碰撞所产生的平均电离次数，按图3.8描述P122。b：当x面所在位置为x处时，圆筒中单位时间内流向阳极的电子数为：n=n0+np+nq,其中n0为外界电离剂单位时间,单位面积发射的电子数,np是在0~x区间内的圆筒部分中产生的电子数,nq是在x~dx区间内产生正离子数,同时产生nq个电子。c:下面分析电子和离子对电离的贡献:1:电子对dx间:将有n0+np个电子从左向右进入dx中,这时碰撞电离为n0+npαdx2:离子对dx间:另外有nq个正离子从右向左进入内,由这些离子产生的电离为nqβdx3:单位时间在x~dx区间内产生的总电子数为(np的增量)：消去上式中的nq可得:(3.23)P125dxnnndnqpp0qpnnnn0dxnnndnpp04:考虑到初始和边界:x=0时，；积分上式整理得：即为单位时间到达单位阳极面积上的电子数。讨论:当令β＝0,得到与前面仅考虑到电子碰撞时结果一致。0pn0nnndxp时(3.25)ddnnexpexp0denn05:自持放电的判断根据:若所有粒子是一级电离且漂移速度相同,那么电流密度为:由（3.26）（*）式中为电流密度倍增率.当分母为0时,i为无限大,这就是自持放电的判据;即（3.27）或者记为：（3.28）ddsnsnsniexpexp0得0ii0expdddee(**)实验知:在同一电场同一长度上电子碰撞电离要比分子碰撞电离步频繁得多。即αβ,这时(3.25)(3.26)可变为:（3.29）要达到击穿,即为自持放电时:，由于离子引起的β效应较小，仅靠β过程远不能满足自持放电要求。ddeeiinn100de二:阴极发射二次电子的作用:1:γi：正离子轰击阴极时，阴极发射二次电子的几率为γi；设n0为电离剂的初始电子,为γi效应后阴极发射的总电子，n为到达阳极的电子数：。整理得:（3.30）0/n000nnnniiinnn1002:因为αβ，将正离子碰撞电离略去不计,利用(3.17)式,有：（3.31）将(3.30)代入(3.31)整理得到为:（3.32）同理可得:（3.33）与前面讨论β过程中的电流时条件相似,即上式分母为0时，i将无限大,即这样得到自持放电条件为:（3.34）denn0110dideenn110dideeii011die11dieP127物理意义3.3帕邢定律气体击穿电压与放电条件的关系3.3.1气体击穿电压:1:气体击穿电压VB是放电开始所必需的最低电压。在一定的放电气压范围内,VB是气压和极间距离乘积的函数,即:VB=---帕邢定律P128图3.9----------几种气体放电的帕邢曲线.2:从中可见,VB存在一极小值。从中还可见:p，d,反应p，d。pdf3.3.2帕邢定律表达式由P128(3.37)式的击穿判据整理得:（3.38）又由(3.6)式：，在击穿时，E是击穿电压EB,且，这样可将(3.38)式变为:（3.39）11ln1dPEBApexpdVEBB)11ln(expApVBpddB设γ为常数,（3.40）这就是帕邢定律的表达式，其中γ为汤生第二电离系数。讨论:1:在低气压下气体分子数少,则电子平均自由程大,即大部分电子并未跟气体分子发生碰撞便非抵阳极了,这时只有增大电压VB,产生足够多的电离以使气体击穿。且11lnlnApdBpdVB越越，BVp2:在高压下,分子数多,小,电子与气体分子碰撞频繁,即电子难以获得足够能量引起电离.这时也需要提高电压,即3:气体击穿电压极小值:对(3.40)的(pd)求微商令为0,得到VB取极值的条件,整理得到:e越越，BVp11ln718.2minABVB