3-第二章-气体放电和低温等离子体

第二章气体放电和低温等离子体第二章气体放电和低温等离子体带电粒子在电磁场中的运动气体原子的电离和激发气体放电发展过程低温等离子体概述低温等离子体的产生辉光放电弧光放电高频放电低压力高密度等离子体放电2.1带电粒子在电磁场中的运动一、带电粒子在电场中的运动FqEma电子经过电势差为U所得到的能量变成动能。2122mveUeUvm故电子与电势差的关系1、带电粒子在平行电场中的运动2、带电粒子在径向电场中的运动两个同轴圆柱电极，两极之间的电场是径向的。则其强度为12211lnrUUErrr设电子以横向速度v0在r=r0处进入此电场，若电子在r=r0处受到的径向电场力与惯性离心力大小相等，方向相反，则径向加速度为零，于是电子沿圆周运动，这时电场强度为0200()rrrmvEer若电子以横向速度v1v0或者v1v0,则电子的运动轨迹不为圆周，如图所示。当带电粒子沿磁场方向运动时:当带电粒子的运动方向与磁场方向垂直时:0v0vF粒子作匀速直线运动。二、带电粒子在磁场中的运动1、带电粒子在均匀磁场中的运动粒子在磁场中做匀速圆周运动。qBmvR0qBmvRT220mqBT2周期和角频率只与B有关。正离子回转方向与电子方向相反，且回转半径大、角速度小、周期长（3）如果与斜交成角B0vqBmT2粒子作螺旋运动，hRB0sinmvRqB螺距qBmvvRvTvhcos220//////vv0v2、带电粒子在非均匀磁场中的运动三、带电粒子在电磁场中的运动当电子初速度v0=0时，电子在正交均匀电磁场中的运动是回旋运动加上一个垂直于电场和磁场方向的漂移运动。运动轨迹为旋轮线。1、在正交均匀电磁场中的运动EuBY方向前进的漂移速度：漂移速度只与E和B有关，与q、m均无关。不管是正粒子还是负粒子，漂移方向是一样的；离子和电子的漂移速度相同。但是正离子的旋轮半径比电子大得多，角速度小得多。2mEeBReBm旋轮半径和旋转角频率带电粒子在径向电场中运动，还要受到轴向磁场的影响。径向力包括径向电场产生的电场力，轴向磁场产生的洛伦兹力，还有离心力。横向力只有轴向磁场产生的洛伦兹力。电子和粒子的运动轨迹如图所示。2、带电粒子在径向电场和轴向磁场中的运动电子的回转半径小，回转频率大，最后漂移到阳极上去。离子的的回转半径大，回转频率小，最后漂移到阴极上去。实现等离子体分离。在真空电弧中，带电粒子的轨迹很复杂。在电场作用下做直线漂移运动，在磁场作用下做回转运动，在不断地碰撞中做扩散运动。2、带电粒子在径向电场和轴向磁场中的运动带电粒子运动轨迹的曲率取决于粒子在两次碰撞间平均完成旋转的圈数，称为霍耳系数，是重要的等离子体参数。其中，为霍耳系数；为回转频率；为碰撞频率四、磁控管和电子回旋共振圆筒形阳极和中心轴阴极构成电极结构，两电极间加电场。在轴向有与电场垂直的外加磁场。1、磁控管电子在上述电磁场作用下，会在阴极表面周围做回旋漂移运动，称为电子的磁控管运动。发生这一运动的电子，在一定条件下因回旋辐射，会发射频率为GHz的强电磁波(微波)。称这种微波发振管为磁控管当磁场强度一定时，带电粒子回旋运动的频率与速度无关，因此若施加于此频率相同的变化电场，则带电粒子将被接力加速，称为电子回旋共振。2、电子回旋共振（ECR）电子回旋频率与磁场B的关系为102.810fB电子在满足上述条件的区域运动，电子将会获得很大的能量，但由于电子与其他粒子碰撞及电子回旋运动的能量辐射等，电子获得的动能并不是无限的。利用ECR得到的高能电子，可以获得更充分的气体放电。一、碰撞-能量传递过程弹性碰撞：若电子或离子的动能较小，当其与他原子或分子碰撞时，达不到使后者激发或电离的程度，碰撞双方仅发生动能交换。1、弹性碰撞和非弹性碰撞本节主要内容：带电质点（粒子）的产生与消失2.2气体原子的电离和激发非弹性碰撞：若电子或离子的动能达到数电子伏以上，碰撞造成原子或分子的内部状态发生变化，例如造成原子激发、电离、分子解离、原子复合及电子附着等。这样的碰撞称为非弹性碰撞。1、弹性碰撞和非弹性碰撞非弹性碰撞对于气体放电和等离子体状态的维持至关重要。入射粒子向目标粒子的能量转移比率：2、二体弹性碰撞的能量转移2222142cos12tttitiitiimuEmmEmmmv当入射粒子与目标粒子质量相同时，能量转移比率最大，说明同种气体原子间碰撞的能量转移十分有效。非常重的粒子碰撞非常轻的粒子（θ=0时），轻粒子被碰撞后的速度为入射重粒子速度的两倍。非常轻的粒子碰撞非常重的粒子（θ=0时），能量转移比率非常低。但是电子在由阴极向阳极运动的过程中，由于碰撞频繁，每秒内传递给气体分子、原子的能量不可忽视。二体弹性碰撞能量传递系数：24ititmmmm目标粒子内能与入射粒子动能之比的最大值：3、非弹性碰撞的能量转移22cos12titiimUmmmv当离子与气体原子发生第一类非弹性碰撞时，由于其质量大小差不多，因此内能传递系数为0.5。即离子最多也是将其能量的一半传递给中性原子，转换为内能。当电子与气体原子发生第一类非弹性碰撞时，由于质量相差悬殊，内能传递系数为1。即电子几乎是将其所有的动能传递给中性原子，转换为内能titmmm二体非弹性碰撞内能传递系数：在利用气体放电的气相沉积和干法刻蚀中，离子每发生一次弹性碰撞，最多可以损失其全部能量。而发生一次非弹性碰撞，最多可以损失其全部能量的一半；电子在弹性碰撞中几乎不损失能量，而在非弹性碰撞时几乎把所有能量全部传递给中性粒子。激励(激发)：当原子获得外部能量，一个或若干个外层电子跃迁到离原子核较远的轨道上去的现象。激励需要外界给原子一定的能量，称为激励能。产生带电质点的物理过程称为电离(游离)，是气体放电的首要前提。二、电离-正离子的形成(带电质点的产生)电离(游离)：若原子从外界获得的能量足够大，以致使一个或几个电子摆脱原子核的束缚形成自由电子和正离子，这一过程称为电离。电离所需的能量称为电离能Wi，通常用电子伏(eV)表示，有时也用电离电位Ui表示，Ui=Wi/e(e为电子的电荷量)。J106.1C106.1V1eV11919电离的方式：碰撞电离光电离热电离分级电离金属表面电离电极表面带电质点的产生电极空间带电质点的产生（空间电离）为维持辉光放电，最为重要的碰撞即为电子碰撞电离。1、电子碰撞电离过程电离碰撞产生2个电子，在电场中加速，直到下一次碰撞电离。依靠这种反复发生的过程维持辉光放电。2eAAe212imveExWiUxE条件：电子或离子在电场作用下加速所获得的动能与质点的电荷(e)、电场强度(E)以及碰撞前的行程(x)有关，即：高速运动的电子与中性的原子或分子碰撞时，如原子或分子获得的能量等于或大于其电离能，则会发生电离，这种由碰撞而引起的电离称为碰撞电离。即使满足碰撞电离条件,也不一定每次碰撞都引起电离——引入“平均自由程”概念。平均自由程：一个质点在每两次碰撞间自由通过的平均距离。碰撞电离是气体放电过程中产生带电质点（离子）的最重要的方式，由电子引起的电离占主要地位。电子：平均自由程大，获取的动能大；质量小，弹性碰撞时几乎不损失动能。离子：平均自由程短，碰撞间获得的动能少；碰撞时要损失动能。电子与原子碰撞的截面与原子的几何截面有关，而碰撞电离的有效截面还与电子的能量有关。2、碰撞电离有效截面电子在气压为1Torr，0℃气体中每经过1cm路程所产生的离子数称为微分电离系数eeiieiSZfZf为单位路程电子与气体分子碰撞的平均次数，即平均自由程的倒数。为产生电离的碰撞占总碰撞次数的比例，称为碰撞电离几率。曲线上升部分近似为直线，直线斜率为常数α，称为电离系数。α表示能量为ε的电子在气压为1Torr，0℃气体中每经过1cm路程所产生的离子数2、碰撞电离有效截面在离子气相沉积中，为了提高沉积层原子的离化率，不一定追求高的加速电压，按上两图中曲线最大值出现的位置可知，当电子获得几十到一百电子伏能量时，电离几率最大。影响碰撞电离系数的因素由光辐射引起的气体分子的电离过程，称为光电离。即当气体分子受到光辐射时，若光子能量大于气体分子电离能，则可能引起气体分子的光电离。Wh普朗克常数6.63×10-34J·sihcW条件：频率为v的光子能量：因为大气层的阻挡，阳光到达地面的波长λ≥290nm（可见光波长为380~780nm），因此，普通阳光照射不足以引起气体分子的光电离。例如波长为300nm的紫外线，其光波能量为：eV14.4)10300/(1031062.6/9834hcW3、其他电离方式光电离hAA热电离气体在热状态下引起的电离过程称为热电离。热电离本质：高速运动的气体分子的碰撞电离和光电离，只不过能量不是来自电场而是气体分子本身的热能。气体分子平均动能与分子温度的关系：32WkT波尔茨曼常数1.38×10-23J/K热力学温度热电离实质上是热状态产生的碰撞电离和光电离的综合。3、其他电离方式3、其他电离方式热电离室温气体分子的动能只有0.1eV左右，远不能引起激发和电离，只有当气体的温度达到3000K以上时，才可以观察到高速原子碰撞而引起的热激发和热电离。通常，在一个大气压以上的弧光放电的温度可达5000-6000k，可能导致热电离。而在一般低气压气体放电中，中性气体分子很难达到如此的高温，很难发生热电离。原子中电子在外界因素的作用下可跃迁到能级较高的外层轨道，称之为激励（激发），所需的能量称为激励能We。激励能比电离能小，原子或分子有可能在外界给予的能量小于电离能Wi但大于激励能We时发生激励。气体电离能激励能N215.56.1O212.57.9CO213.710.0SF615.66.8H2O12.77.6原子或分子在激励态再获得能量而发生电离称为分级电离，此时所需要能量为Wi-We。激发态不稳定，经过约10-8s就会回复到基态。分级电离概率小。某些原子具有亚稳激发态，其平均寿命较长，可达10-4~10-5s。只有亚稳激发态才会引起分级电离。3、其他电离方式分级电离分级电离若混合气体中甲气体的亚稳激励态能高于乙气体的电离能，则会出现潘宁效应（潘宁电离），可使混合气体的击穿强度低于这两种气体各自的击穿强度。从绝缘的观点看，潘宁效应是很不利的；但在气体放电应用中，如在电光源和激光技术中，则常常利用潘宁效应。3、其他电离方式*ABABe在离子气相沉积中，潘宁电离起着非常重要的作用。离子沉积中通常通入保护气体或反应气体，如氩气、氮气等。氩气的亚稳激发电位是11.55eV，多数沉积元素是金属或其化合物，金属的电离电位是7-10eV。当氩的亚稳原子与金属原子相互作用时，产生潘宁电离，提高金属的离化率。中性亚稳原子之间的碰撞电离3、其他电离方式受某一激发能激发的中性亚稳原子之间发生碰撞，若二者能量之和大于其中某一中性粒子的电离能，则可引起电解。中性亚稳原子激发能量之和同B的电离能之差变为电子的动能。**ABABe一些金属的逸出功金属逸出功铝1.8银3.1铜3.9铁3.9氧化铜5.3电子从金属电极(阴极)表面逸出来的过程称为电极表面电离。使阴极释放电子需要的能量:逸出功。逸出功与金属的微观结构和表面状态有关,与金属温度无关。金属表面逸出功比气体电离能小很多，因此电极表面电离在气体放电过程中有相当重要的作用。3、其他电离方式电极表面的电子逸出（电极表面电离或金属表面电离）。电极表面的电子逸出正离子撞击阴极：正离子能量传递给阴极，不小于2倍金属表面逸出功时发生电离。光电子发射：金属表面受到短波长光照时，光子能量金属表面逸出功时，可造成电离。强场发射：在阴极附近施加强电场可使阴极释放电子。在真空的击穿过程中，具有决定性的作用。热电子发射：加热阴极，使电子获取足够动能，克服金属表面逸出功。仅对电弧放电有意义。三、