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1、等离子体物理学前沿大作业题一、（1）有哪几种低气压射频放电？简述其放电产生等离子体的原理。（2）有哪几种电子加热机制？简述其物理图象。（1）低气压电感耦合和电容耦合射频放电。 电感耦合：感性放电中的等离子体是通过将射频功率加在一个非共振线圈上 产生的根据法拉第电磁感应定律 ,当平面型或者圆柱型的线圈中通入环向交变 电流时,在被这些线圈缠绕的放电腔室内 ,该电流会激发出磁场 ,这个交变的磁场 又会感应出环向的电场从而将腔室内的气体击穿 ,产生等离子体 由于环向电场 对电子和离子的加速作用,在放电腔室内会诱导出环向的等离子体电流,该电流与 线圈中的电流藕合起来,不断地修正所激发的电磁场的空间分布
2、通过强电离和 输运扩散过程,最终等离子体演变到稳定状态 这种放电机制激发的等离子体与 放电环路之间的祸合作用可以等效成为一个变压器 ,因此这种放电模式被称为感 性放电模式.电容耦合: 电容耦合方式是由接地的放电室 （由复合系数很小的材料如石英 做成）和引入的驱动电极作为耦合元件.驱动电极上镀有溅射产额较低的陶瓷材料 以减少离子的对阴极材料的溅射。当与电源接通后 ,在放电室和驱动电极之间产 生高频电场,自由电子在此作用下做上下往复运动,并激发放电。由于电子的自由 程远大于放电室的尺寸,因此主要靠它们从管壁上打出的二次电子而获得倍增,后 者成为这种放电的维持者,而由气体电离所产生的二次电子将起次要
3、作用。（2）电子加热方式分为欧姆加热和随机加热，欧姆加热也称碰撞加热,它是 通过做振荡运动的电子与中性粒子碰撞后产生的动量转移造成的。对于随机加热, 在感性祸合放电中,电子是在趋肤层中获得能量的 ,趋肤效应产生的条件如下:当 入射电磁场的频率低于等离子体频率时,电磁场只能进入等离子体的表层,这一表 层称为趋肤层,这一表层的厚度称为趋肤深度 ,因此,在感性祸合放电中,如果感应 的电磁场在等离子体表面产生趋肤效应,那么电磁场只存在于趋肤层中,而不能深 入到等离子体内部.二、简述等离子体鞘层形成的机理和种类，并指出鞘层在等离子体处理工艺中所 起的作用。等离子体鞘层形成的机理：在有界的等离子体的边缘存
4、在一个电位变化区 域。它的作用是滞留易动的带电粒子，并使得流向器壁的正负载流粒子的流量相 等。在通常情况下，由等数量的正离子和电子组成、呈电正性的等离子体中，电 子的迁移率远大于离子的迁移率。因此，相对于接地的器壁，等离子体是带正电 的，这个位于等离子体和器壁间的非电中性电位变化区域称为鞘层。离子体鞘层种类：直流鞘层，高电压鞘层。 由于鞘层的存在，当带电粒子进入鞘层后，会被鞘层电场加速获得能量。因 而在利用等离子体处理材料时，鞘层的存在为粒子提供了足够的动能和材料相互 作用。三、(1)解释什么是尘埃等离子体？并进行举例说明。 (2)描述等离子体中尘埃颗粒的充电、受力和输运过程的主要物理模型。(
5、1) 尘埃等离子体(dusty plasma)物理是最近一二十年中迅速成长起来的研 究领域，也被称为复杂等离子体(complex plasma).这种等离子体的组分除了电子、 离子以及中性气体以外,还包含有带电微粒(多数情况下为固体微粒,成分可以是 金属或非金属)，微粒的尺寸通常小的可到纳米量级、大的可到几微米或几十微米 甚至到毫米量级，微粒的形状可以是规则的，也可以是不规则的.这一物质形态最 重要的特点是微粒在等离子体中是带电的 (通常情况下带负电)，每个颗粒能带成 千上万个基本电荷，但荷质比却比离子要小很多个数量级;此外所带的电荷不是常 数，是随等离子体参数的变化而变化的 ;颗粒的运动除了
6、受重力作用外 ，主要受电 磁力的支配.举例：微电子工业中经常遇到颗粒污染问题。(2) 等离子体中的尘埃颗粒表面，同任何暴露于等离子体中的表面一样，会由 于收集电子、离子而携带电荷，或由于光电发射、二次发射而产生电荷改变.如果 经过鞘层电场加速的电子流有足够大能量，则可引起尘埃粒子二次电子发射，而使 尘埃粒子上电荷数减少，电势升高.等离子体中非均匀和随时间变化的电场也会影 响尘埃颗粒的电荷情况.在没有电子发射情况下，带电过程由周围等离子体中进入 的电子、离子的能量支配，由于电子的迁移率高，所以尘埃微粒带负电荷.用 Shukla 方程描述其充放电过程：Qq_ 11di +v q = I +1Qte
7、h d1 e1i1qd1为尘埃粒子电量在某个值附近的起伏值，,1订是电子和离子对尘埃粒子的充电电流， 是尘埃粒子电荷弛豫速率，它与电子、离子的浓度和温度，尘eh埃粒子的大小以及电量有一定量的关系。较大的尘埃粒子主要受重力作用运动，较小的尘埃粒子主要受静电力作用运 动；而且在鞘层中由于离子的超声速定向运动，离子会和尘埃粒子碰撞，此作用 力称为离子拖拽力；还有收到中性气体的摩擦力作用；如果有较强的温度梯度， 则存在沿着热流方向的热泳力；假如空间环境存在强电磁辐射，则尘埃粒子会受 到辐射压力的作用。四、（1）简述大气压放电等离子体的基本特征；（2）假设简单平板放电系统，放电气压分别为 10 mTor
8、r, 和 760 Torr。 请 问哪种气压下的放电采用流体模型描述更最准确，并简述一下原因。（1） 常见的大气压气体放电形式有：电晕放电、电弧放电、截止阻挡放 电以及辉光放电。不同的放电形式下，其产生的等离子体具有不同的特征，比如 电弧放电产生的等离子体具有高温的特点；电晕放电通常发生在极不均匀电场中 的强电场区域的小范围空间，放电比较弱，产生等立体及活性粒子效率太低；截 止阻挡放电，通常由一些放电细丝组成，其电流密度很大；对于大气压辉光放电， 主要有一下几点特征： 辉光放电在电极间的光强分布是明、暗相间的有规律分布； 管压降 U 明显低于着火电压 Ub 。正常辉光放电的管压降不随放电电流的
9、 变化而改变； 阴极电子的发射主要是 过程，即正离子、亚稳态原子、光子和高速运 动的中性粒子打到阴极上产生次电子发射； 阴极位降区是维持辉光放电必不可少的区域，具有大约70400V的阴极 位降（大小与气体种类、阴极材料有关）。在这一区域产生电子雪崩放电，满足 维持自持放电条件，净余空间电荷为正电荷；这与罗果夫斯基的空间电荷分布假 设很相近。辉光放电的电流密度大约为uAmA/cm2。（2）760 Torr 下采用流体模型更好。因为在 10 mTorr 低气压下，电子、离 子等粒子的分布远离波尔兹曼分布，无法利用 Boltzmann 方程，得到这些宏观物 理量所满足的偏微分方程组、等离子体流体力学
10、方程组，因此在高气压下流体模 型可以更好的模拟描述其放电。五、在大气压等离子体放电稳定性控制技术中常采用的措施是什么，试列举 说明。通常采用高频交流场、短脉冲直流电源、交流介质阻挡放电、增大气流率、 多电极结构、选用合适的放电气体、采用预电离技术、带有电阻的分布式阴极等 技术方法。下图是几种实例：带有电阻的分布式阴极Metal D ectrodeMttin DiscItMrgi Power SourceMain DiwliargrMiin Dhcbairgr Power SupplyPlasma CathodePIjuiimi Cthod, Power SourceMaia DhcluireeMicro-Iloilew Cathode Dischargea预电离技术介质阻挡放电
