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1、等离子体产生技术2,本讲安排,等离子体如何形成 生成等离子体的方法直流放电理论,等离子体的形成,汤生放电原理 帕邢定律 等离子体形成过程,汤生放电原理,作用与作用 电流I随电极间的距离x呈指数函数增长I=I0ex 系数依赖于气体压强p和电场E： 作用 离子在高能状态下轰击固体表面使表面发射电子，即二次电子发射。,帕邢定律 Paschen,18651947,德国,帕邢定律的内容： 气体击穿电压由气体压强 p 和电极间距d的乘积( pd )所决定，并有极小值。,汤生理论对帕邢定律的解释,气体发生击穿后是如何趋向稳定的等离子体状态？,以刚击穿时的时刻为t=0，此时带电粒子还很少，可近似认为是真空介质
2、，所以电极间的电位分布如图中的点划线所示为一条直线。这就是说，这时的电位分布与阳极板带正电荷、阴极板带负电荷的真空电容器大致相同。 如果开始放电，随着时间的推移，阳极附近就会出现大量的由电离倍增产生的离子和电子。当这些电荷的数量与电极上的面电荷数量大体相当时，等离子体中的电子就会屏蔽阳极上的电荷，同样离子也会屏蔽阴极面电荷。结果，如图所示，tt1时电位分布中的平坦部分(等离子体状态)出现在靠近阳极一侧。 随着平坦部分向阴极一侧的延伸，阴极面上的电场不断增强，电离倍增更加剧烈，等离子体密度会不断增加。最后，如图中的 曲线所示电压几乎都加到阴极前面 的薄鞘层内，放电成为稳定的辉光放电。,汤生理论的
3、局限性,电极间的电场分布不均匀，局部存在强电场； 压强高至大气压附近，pd700Pam； 压强非常低（p0.01Pa），pd0.01Pam； 热阴极产生的热电子或者由紫外线照射产生的光电子强于由离子产生的二次电子； 非直流放电的高频放电或微波放电。,高气压放电与流注理论,在压强较高、PL 较大的区域(700 Pa.m)，着火电压会偏离 帕邢定律，在低电压下就可以发生绝缘击穿。 汤生理论是无法解释这一现象的。,Meak和Leob等人于1993年引入了被称为”流注”(Streamer) 的新概念,并成功地解释了着火电压,放电延迟时间以及横贯 电极间的细光柱等实验现象和结果。其基本思想是考虑 作用,
4、光电离以及空间电荷电场,而完全不考虑 作用.,流注理论,(b),(c),(d),空间电荷 电场Er,小电 子崩,流 注,等 离 子 体,潘宁效应,在工业应用中常常利用潘宁效应来降低气体的击穿电压 在亚稳电位较高的基本气体（如氖和氦气）中混入少量的电离电位较低的杂质气体（如氩和汞蒸汽），使得混合气体的有效电离截面增加，两种气体发生能量传递，使混合气体的击穿电压降低。这种现象成为潘宁效应。 典型例子 氖（亚稳电位16.6eV）氩（电离电位15.75eV） 氩（亚稳电位11.5eV）汞蒸汽（电离电位10.4eV）,第3章 等离子体的生成方法,直流放电 交流放电,直流辉光放电 空心阴阴放电 直流脉冲放
5、电 电弧放电,电容耦合放电 感应耦合放电 介质阻挡放电 微波放电 表面波放电,3.1 直流辉光放电,冷热阴极放电的区别, 冷阴极放电依靠阴极的二次电子发射来维持放电，热阴极依靠阴极本身的热电子发射来维持放电； 热阴极放电需要较高的阴极温度 （10003000C），但在低气压（如0.1Pa）下仍能维持放电； 冷阴极放电需要较高的着火电压与放电维持电压（用于加速离子），而热阴极放电的放电维持电压较低； 冷阴极放电器件不需要加热灯丝有较长的寿命，且节能，热阴极放电器件有较高的功率；,空心阴极放电的原理与优点, 阴极面积大，易于产生较高的电流密度，从而得到高密度等离子体； 空心阴极放电的阴极属冷阴极，
6、依靠二次电子发射维持放电； 空心阴极有利于提高电离效率 径向电子运动在一定条件下可以维持很长的寿命，从而增加其参与电离的次数（条件：平均自由程大于圆筒半径，阴极表面的鞘层厚度小于圆筒半径，电子在另一侧鞘层内被反射） 阳极面积小，可以减少阳极对电子的吸收，可加强放电；,直流放电的伏安特性,放电状态的变化, a-b: 放电开始阶段，电流随电压的升高而增加，形成的微弱电流不稳定（暗流）； b-c: 着火阶段，到达着火电压后，电流迅速增大，c点即放电着火状态； c-d: 前期辉光放电阶段，电流增大，电压却下降，产生负阻（原因：等离子体密度的增加使等离子体电阻变小）； d-e: 正常辉光放电阶段，增大电
7、流，电压一定（原因：电流密度一定，导电截面积增加）； e-f: 反常辉光放电阶段，电压随电流增大（导电面积饱和）； f-g: 过渡到弧光放电；,直流放电管的空间分区,直流辉光放电的阴极效应,二次电子发射（secondary electron emission） 溅射（sputtering）,阴极区 放电管电压降大部分落在放电管的阴极和阴极暗区至负辉光之间的边界之 间，这个区域叫做阴极区。从阴极表面(x0)到负辉光的边界(xdc)的长度为dc ，电压 降称之为阴极降，值为Vc伏特。大部分功率消耗在辉光放电的阴极区。在这个区域内，被 加速电子的能量高到足以产生电离，使负辉光区和负辉光右面的区域产生
8、雪崩。 在低气压辉光放电中，可以调整阴极区的轴向长度dc，得到乘积pdc的最小值 ，这个乘积等于帕邢(Pashen)最小值。 在帕邢最小值下，可以在阴极电压降和功率 消耗的最小条件下维持放电。在正常辉光放电下，当总放电电流变化时，等离子体与阴极接 触的面积随总电流的增加而增大时，流到阴极的电流密度仍然近似为一个常数在1托压力 的空气中，一般的电流密度为0.3mA/cm2，dc=0.5cm，阴极电压降在100到300V之间。,正电柱 正电柱是准中性的，这是朗缪尔在定义“等离子体”时考虑的。在正电柱中电场很小，一般是1Vcm这种电场的大小刚好足以在它的阴极端保持所需的电离度；在正电柱中电子密度通常
9、为10151016m3，电子温度为12eV。空气中正电柱等离子体是粉红色至蓝色。在不变的压力下，随着放电管长度的增加阴极结构区的长度仍然不变(pdc常量)，正电柱变长。正电柱是一个长的均匀的辉光，除非触发了自发不动的或运动的辉纹，或产生了扰动引发的电离波。,直流脉冲放电,电极升温 控制电子温度 同电流密度条件电子密度更高,异常辉光放电,电弧放电, 在辉光放电中，随着放电电流的增大，大量高能量等离子体碰撞阴极使其温度上升 阴极热电子发射满足Richardson-Dushman方程，其饱和电子发射流随温度升高而增大 当放电的V-I特性曲线与外电路的负载直线相交时，放电电流趋于稳 阴极材料选择对实现弧光放电很重要，常见的 有钨、钼等,电弧的产生1热电子,电弧的产生2场致发射, 在常温状态下，对阴极表面施加强电场，由于隧道效应，电子从阴极发射出来； 当等离子体电位达到100V以上时，接地等离子体容器内的污染表面容易出现许多闪烁辉点，这也是一种场致发射引起的电弧放电微电弧； 在很多场合下，热电子发射和场致发射兼有；,电晕与电弧,机制的区别 电流区别 阴极电晕 阳极电晕,臭氧发生 导线传输损耗 射频干扰 X射线辐射,磁控管放电, 属冷阴极放电，二次电子维持放电； 阴极表面的磁场与正交电场使电子产生EB漂移，电子作旋转式摆线运动，增长了电子的寿命；,
