第4章氣體放電和低溫等離子體

第4章氣體放電和低溫等離子體第一頁，共79頁。帶電粒子在電磁場中的運動氣體原子的電離和激發(fā)氣體放電發(fā)展過程低溫等離子體概述低溫等離子體的產(chǎn)生輝光放電弧光放電高頻放電低壓力高密度等離子體放電2第二頁，共79頁。4.1帶電粒子在電磁場中的運動一、帶電粒子在電場中的運動電子經(jīng)過電勢差為U所得到的能量變成動能。1、平行電場3第三頁，共79頁。2、徑向電場兩個同軸圓柱電極，兩極之間的電場是徑向的。則其強度為：設電子以橫向速度v0在r=r0處進入此電場，若電子在r=r0處受到的徑向電場力與慣性離心力大小相等，方向相反，則徑向加速度為零，于是電子沿圓周運動，這時電場強度為：若電子以橫向速度v1<v0或者v1>v0,則電子的運動軌跡不為圓周。4第四頁，共79頁。當帶電粒子沿磁場方向運動時:粒子作勻速直線運動。二、帶電粒子在磁場中的運動1、均勻磁場

當帶電粒子的運動方向與磁場方向垂直時:粒子在磁場中做勻速圓周運動。周期和角頻率只與B有關。正離子回轉方向與電子方向相反，且回轉半徑大、角速度小、周期長5第五頁，共79頁。（3）如果與斜交成角：粒子作螺旋運動，螺距h:6第六頁，共79頁。2、非均勻磁場帶電粒子在非均勻磁場中向磁感應強度增加的方向運動7第七頁，共79頁。三、帶電粒子在電磁場中的運動當電子初速度v0=0時，電子在正交均勻電磁場中的運動是：回旋運動加上一個垂直于電場和磁場方向的漂移運動，運動軌跡為旋輪線。1、正交均勻電磁場Y方向前進的漂移速度：旋輪半徑和旋轉角頻率8第八頁，共79頁。帶電粒子在徑向電場中運動，還要受到軸向磁場的影響。徑向力包括徑向電場產(chǎn)生的電場力，軸向磁場產(chǎn)生的洛倫茲力，還有離心力。橫向力只有軸向磁場產(chǎn)生的洛倫茲力。電子和粒子的運動軌跡如圖所示。2、徑向電場和軸向磁場電子的回轉半徑小，回轉頻率大，最后漂移到陽極上去。離子的的回轉半徑大，回轉頻率小，最后漂移到陰極上去，實現(xiàn)等離子體分離。9第九頁，共79頁。在真空電弧中，帶電粒子的軌跡很復雜。在電場作用下做直線漂移運動，在磁場作用下做回轉運動，在不斷地碰撞中做擴散運動。2、徑向電場和軸向磁場帶電粒子運動軌跡的曲率取決于粒子在兩次碰撞間平均完成旋轉的圈數(shù)，稱為霍耳系數(shù)，是重要的等離子體參數(shù)。10第十頁，共79頁。四、磁控管和電子回旋共振圓筒形陽極和中心軸陰極構成電極結構，兩電極間加電場。在軸向有與電場垂直的外加磁場。1、磁控管電子在上述電磁場作用下，會在陰極表面周圍做回旋漂移運動，稱為電子的磁控管運動。發(fā)生這一運動的電子，在一定條件下因回旋輻射，會發(fā)射頻率為GHz的強電磁波(微波)。稱這種微波發(fā)振管為磁控管。11第十一頁，共79頁。當磁場強度一定時，帶電粒子回旋運動的頻率與速度無關，因此若施加于此頻率相同的變化電場，則帶電粒子將被接力加速，稱為電子回旋共振。2、電子回旋共振（ECR）電子回旋頻率與磁場B的關系為：電子在滿足上述條件的區(qū)域運動，電子將會獲得很大的能量，但由于電子與其他粒子碰撞及電子回旋運動的能量輻射等，電子獲得的動能并不是無限的。利用ECR得到的高能電子，可以獲得更充分的氣體放電（高密度的等離子體）。12第十二頁，共79頁。一、碰撞-能量傳遞過程彈性碰撞：若電子或離子的動能較小，當其與他原子或分子碰撞時，達不到使后者激發(fā)或電離的程度，碰撞雙方僅發(fā)生動能交換。1、彈性碰撞和非彈性碰撞4.2氣體原子的電離和激發(fā)13第十三頁，共79頁。非彈性碰撞：若電子或離子的動能達到數(shù)電子伏以上，碰撞造成原子或分子的內(nèi)部狀態(tài)發(fā)生變化，例如造成原子激發(fā)、電離、分子解離、原子復合及電子附著等。這樣的碰撞稱為非彈性碰撞。1、彈性碰撞和非彈性碰撞非彈性碰撞對于氣體放電和等離子體狀態(tài)的維持至關重要。14第十四頁，共79頁。入射粒子向目標粒子的能量轉移比率：2、二體彈性碰撞的能量轉移當入射粒子與目標粒子質量相同時，能量轉移比率最大，說明同種氣體原子間碰撞的能量轉移十分有效。非常重的粒子碰撞非常輕的粒子（θ=0時），輕粒子被碰撞后的速度為入射重粒子速度的兩倍。非常輕的粒子碰撞非常重的粒子（θ=0時），能量轉移比率非常低。但是電子在由陰極向陽極運動的過程中，由于碰撞頻繁，每秒內(nèi)傳遞給氣體分子、原子的能量不可忽視。二體彈性碰撞能量傳遞系數(shù)：15第十五頁，共79頁。目標粒子內(nèi)能與入射粒子動能之比的最大值：3、非彈性碰撞的能量轉移當離子與氣體原子發(fā)生第一類非彈性碰撞時，由于其質量大小差不多，因此內(nèi)能傳遞系數(shù)為0.5。即離子最多也是將其能量的一半傳遞給中性原子，轉換為內(nèi)能。當電子與氣體原子發(fā)生第一類非彈性碰撞時，由于質量相差懸殊，內(nèi)能傳遞系數(shù)為1。即電子幾乎是將其所有的動能傳遞給中性原子，轉換為內(nèi)能二體非彈性碰撞內(nèi)能傳遞系數(shù)：16第十六頁，共79頁。

在利用氣體放電的氣相沉積和干法刻蝕中，離子每發(fā)生一次彈性碰撞，最多可以損失其全部能量。而發(fā)生一次非彈性碰撞，最多可以損失其全部能量的一半；電子在彈性碰撞中幾乎不損失能量，而在非彈性碰撞時幾乎把所有能量全部傳遞給中性粒子。17第十七頁，共79頁。產(chǎn)生帶電質點的物理過程稱為電離，是氣體放電的首要前提。二、電離-正離子的形成(帶電質點的產(chǎn)生)電離：若原子從外界獲得的能量足夠大，以致使一個或幾個電子擺脫原子核的束縛形成自由電子和正離子，這一過程稱為電離。電離所需的能量稱為電離能Wi，通常用電子伏(eV)表示，有時也用電離電位Ui表示，Ui=Wi/e(e為電子的電荷量)。18第十八頁，共79頁。電離的方式：碰撞電離光電離熱電離潘寧電離亞穩(wěn)原子間的電離金屬表面電離電極表面帶電質點的產(chǎn)生電極空間帶電質點的產(chǎn)生（空間電離）19第十九頁，共79頁。為維持輝光放電，最為重要的碰撞即為電子碰撞電離。1、電子碰撞電離過程電離碰撞產(chǎn)生2個電子，在電場中加速，直到下一次碰撞電離。依靠這種反復發(fā)生的過程維持輝光放電。20第二十頁，共79頁。電子或離子在電場作用下加速所獲得的動能與質點的電荷(e)、電場強度(E)以及碰撞前的行程(x)有關，即：高速運動的電子與中性的原子或分子碰撞時，如原子或分子獲得的能量等于或大于其電離能，則會發(fā)生電離，這種由碰撞而引起的電離稱為碰撞電離。21第二十一頁，共79頁。電子與原子碰撞的截面與原子的幾何截面有關，而碰撞電離的有效截面還與電子的能量有關。2、碰撞電離有效截面22第二十二頁，共79頁。2、碰撞電離有效截面在離子氣相沉積中，為了提高沉積層原子的離化率，不一定追求高的加速電壓，按上兩圖中曲線最大值出現(xiàn)的位置可知，當電子獲得幾十到兩百左右的eV能量時，電離幾率最大。

23第二十三頁，共79頁。由光輻射引起的氣體分子的電離過程，稱為光電離。若光子能量大于氣體分子電離能，則可能引起氣體分子的光電離。3、其他電離方式光電離：閾值能量極限波長24第二十四頁，共79頁。熱電離氣體在熱狀態(tài)下引起的電離過程稱為熱電離。熱電離本質：高速運動的氣體分子的碰撞電離和光電離，只不過能量不是來自電場而是氣體分子本身的熱能。氣體分子平均動能與分子溫度的關系：波爾茨曼常數(shù)1.38×10-23J/K熱力學溫度熱電離實質上是熱狀態(tài)產(chǎn)生的碰撞電離和光電離的綜合。3、其他電離方式25第二十五頁，共79頁。潘寧電離若混合氣體中甲氣體的亞穩(wěn)激發(fā)態(tài)能高于乙氣體的電離能，則會出現(xiàn)潘寧電離，可使混合氣體的擊穿強度低于這兩種氣體各自的擊穿強度。從絕緣的觀點看，潘寧效應是很不利的；但在氣體放電應用中，如在電光源和激光技術中，則常常利用潘寧效應。3、其他電離方式

在離子氣相沉積中，潘寧電離非常重要。離子沉積中通常通入保護氣體或反應氣體，如氬氣、氮氣等。氬氣的亞穩(wěn)激發(fā)電位是11.55eV，多數(shù)沉積元素是金屬或其化合物，金屬的電離電位是7~10eV。當氬的亞穩(wěn)原子與金屬原子相互作用時，產(chǎn)生潘寧電離，提高金屬的離化率。26第二十六頁，共79頁。中性亞穩(wěn)原子之間的碰撞電離3、其他電離方式受某一激發(fā)能激發(fā)的中性亞穩(wěn)原子之間發(fā)生碰撞，若二者能量之和大于其中某一中性粒子的電離能，則可引起電離。中性亞穩(wěn)原子激發(fā)能量之和同B的電離能之差變?yōu)殡娮拥膭幽堋?7第二十七頁，共79頁。一些金屬的逸出功金屬逸出功鋁1.8銀3.1銅3.9氧化銅5.3電子從金屬電極(陰極)表面逸出來的過程稱為電極表面電離。使陰極釋放電子需要的能量:逸出功。逸出功與金屬的微觀結構和表面狀態(tài)有關,與金屬溫度無關。金屬表面逸出功比氣體電離能小很多，因此電極表面電離在氣體放電過程中有相當重要的作用。3、其他電離方式電極表面電離或金屬表面電離28第二十八頁，共79頁。電極表面的電子逸出正離子撞擊陰極：正離子能量傳遞給陰極，不小于2倍金屬表面逸出功時發(fā)生電離。光電子發(fā)射：金屬表面受到短波長光照時，光子能量>金屬表面逸出功時，可造成電離。強場發(fā)射：在陰極附近施加強電場可使陰極釋放電子。在真空的擊穿過程中，具有決定性的作用。熱電子發(fā)射：加熱陰極，使電子獲取足夠動能，克服金屬表面逸出功。29第二十九頁，共79頁。三、激發(fā)—亞穩(wěn)原子的形成電子與常態(tài)原子A發(fā)生非彈性碰撞，A中的電子吸收了入射電子的能量后，從低能級躍遷到高能級，破壞了原子的穩(wěn)定狀態(tài)稱為激發(fā)態(tài)，該原子稱為受激原子。1、電子碰撞激發(fā)亞穩(wěn)原子：受激原子如果不能以輻射光量子的形式自發(fā)的回到正常的穩(wěn)態(tài)，而是停留時間較長，達到10-4秒到數(shù)秒，這種激發(fā)態(tài)稱為亞穩(wěn)態(tài)，其激發(fā)原子稱為亞穩(wěn)原子。30第三十頁，共79頁。2、電子碰撞激發(fā)截面由于分子可能發(fā)生振動激發(fā)及旋轉激發(fā)，因此其閾值比原子小。31第三十一頁，共79頁。3、其他激發(fā)方式

光致激發(fā)當光子能量超過原子的激發(fā)閾值時，會引起原子激發(fā)。

離子碰撞激發(fā)具有一定動能的離子與原子碰撞時，可以引起原子激發(fā)。32第三十二頁，共79頁。4、亞穩(wěn)原子在氣相沉積中的作用亞穩(wěn)原子在離子氣相沉積中，既可提高沉積原子的能量，又可產(chǎn)生累積電離，提高離化率。亞穩(wěn)原子是長壽命的受激原子，它的作用首先是使逐次躍遷和累積電離的可能性增加；另一個重要作用是進行第二類非彈性碰撞，如前面提到的潘寧電離、中性亞穩(wěn)原子之間的碰撞電離等。33第三十三頁，共79頁。四、附著—負離子的產(chǎn)生（氣體中負離子的形成）電子被原子、分子等捕獲形成負離子的過程叫做附著，反之，電子被負離子放出的過程叫離脫。附著過程發(fā)生的幾率，與中性粒子（原子、分子）對電子的親和力（電負性）有關。電負性氣體分子捕獲電子的能力除與氣體性質有關外，還與電子的動能有關，電子速度高時不容易被捕獲，因此電場強度很高時電子附著率很低。34第三十四頁，共79頁。五、回復—退激發(fā)光激發(fā)過程產(chǎn)生的激發(fā)狀態(tài)，一般情況下是不穩(wěn)定的。受激原子在10-7到10-8秒內(nèi)放出所獲得的能量回復到正常狀態(tài)，放出的能量以光子形式輻射出去。

該過程又稱退激發(fā)光。平常見到的等離子體發(fā)光，幾乎都是這種回復過程產(chǎn)生的。回復是激發(fā)的逆過程35第三十五頁，共79頁。回復過程放出光的波長與核外電子從較高能級返回較低能級的能量差有關。這對原子、分子來說是固有的。因此，對等離子體的發(fā)光光譜進行分析，可以確定等離子體中激發(fā)原子的種類。36第三十六頁，共79頁。六、解離—分解為單個原子或者離子解離是由幾個原子組成的分子分解為單個原子的過程。通過非彈性碰撞，分子若能獲得大于其結合能的能量，可以實現(xiàn)解離。一般工程用等離子體中，這種解離過程以及前述的激發(fā)過程和后面復合過程，都可以形成激發(fā)態(tài)的亞穩(wěn)原子。利用這些亞穩(wěn)原子可以進行等離子體刻蝕和等離子體化學氣相沉積等。實現(xiàn)解離的方法主要有：37第三十七頁，共79頁。七、復合—中性原子或原子團的形成帶異號電荷的質點相遇，發(fā)生電荷的傳遞和中和而還原為中性質點的過程，稱為復合。復合是電離的逆過程。38第三十八頁，共79頁。39第三十九頁，共79頁。帶電粒子除了進行上述的空間復合之外，還可能在器壁上復合或者進入電極消失。電子進入陽極：電子在電場作用下進入陽極，電子的動能轉變?yōu)闊崮埽龟枠O升溫或者激發(fā)出二次電子。正離子進入陰極：正離子從陰極拉出電子與其復合成中性原子。正離子轟擊陰極，其能量轉變?yōu)闊崮?，使陰極升溫或者激發(fā)出二次電子。這是維持氣體放電的關鍵。負離子到達陽極放出一個電子變?yōu)橹行粤Ｗ?。帶電粒子在器壁上復合：帶電粒子在器壁上碰到一起很容易復合，多余的能量使器壁升溫?0第四十頁，共79頁。4.3氣體放電發(fā)展過程41第四十一頁，共79頁。電介質：不導電或導電率極小的物質。例如：空氣、橡膠、純凈水。電介質擊穿：電介質變?yōu)閷щ娡ǖ赖默F(xiàn)象。氣體放電：氣體電介質的擊穿現(xiàn)象。自持式放電、非自持式放電：將真空容器抽真空至10-1Pa的某一壓強時，接通相距d的兩個電極間的電源，使其電壓逐漸上升。當電壓低時，基于宇宙線及存在于自然界的極微量放射性物質射線引起的電離，電路中僅流過與初始電子數(shù)相當?shù)陌惦娏鳌ｋS著電壓增加，當加速電子能量大到一定值之后，與中性氣體分子或者原子碰撞使之電離，于是電子數(shù)按等比級數(shù)迅速增加，形成電子繁衍過程，稱為雪崩式放電過程。但此時的放電屬于非自持式放電過程，其特點是，若將原始電離源出去，放電立刻停止。若將原始電離源去掉放電仍能維持，稱為自持式放電過程。42第四十二頁，共79頁。α過程：電子在電場作用下，向陽極加速運動，超過一定能量值后，與氣體分子發(fā)生碰撞電離。一個電子產(chǎn)生了兩個電子，重復這一過程，實現(xiàn)了電子的繁衍。定義α為電子對氣體的體積電離系數(shù)，即每個電子從陰極到陽極的繁衍過程中，單位距離所增加的電子數(shù)。γ過程：離子在陰極位降的作用下，轟擊陰極，產(chǎn)生γ電子，即二次電子。以γ電子為火種，引起后續(xù)的α過程，繼而繼續(xù)產(chǎn)生γ電子。達到一定條件，即使沒有外界因素產(chǎn)生的電子，也能維持放電進行，即放電進入自持狀態(tài)。一、自持放電條件（湯生放電理論）43第四十三頁，共79頁。要達到自持放電的條件，必須在氣隙d內(nèi)初始電子崩消失前產(chǎn)生新的電子（二次電子）來取代外電離因素產(chǎn)生的初始電子。均勻電場中自持放電的條件（湯生放電理論）：物理意義：一個電子自陰極逸出后產(chǎn)生的各種直接和間接過程將使陰極再發(fā)出一個電子，使得氣體放電轉為自持式放電。該式為自持式放電的起始條件，此時對應的電壓為擊穿電壓。44第四十四頁，共79頁。湯生理論的實質：氣體間隙中發(fā)生的電子碰撞電離是氣體放電的主要原因(電子雪崩)。二次電子來源于正離子撞擊陰極表面逸出電子，逸出電子是維持氣體放電的必要條件。所逸出的電子能否接替起始電子的作用是自持放電的判據(jù)。適用條件：均勻電場，低氣壓，短氣隙。45第四十五頁，共79頁。二、氣體擊穿的帕邢定律1889年，帕邢（Paschen）從大量實驗中總結了擊穿電壓Uz與pd的關系，稱為帕邢定律。當氣體和電極材料一定時，氣隙的擊穿電壓是氣體壓力p和氣隙距離d乘積的函數(shù)，即：

46第四十六頁，共79頁。對應于某一pd值，空氣間隙的擊穿電壓最低，即Uz有極小值。帕邢定律與湯生理論的關系：前者為后者提供實驗結果支持；后者為前者提供理論依據(jù)。47第四十七頁，共79頁。三、氣體放電的伏安特性曲線48第四十八頁，共79頁。四、不均勻電場的放電不均勻電場中，氣隙中的最大場強比平均場強大的多。外加電壓較低時，曲率大的電極附近電場強度已足夠大，可引起強烈的電離，在這局部的強場區(qū)形成放電。這種僅僅發(fā)生在強場區(qū)的局部放電稱為電暈放電。電暈放電是極不均勻電場特有的一種自持放電形式。大曲率電極附近很小的區(qū)域內(nèi)場強足夠高，會發(fā)生電離。電離區(qū)中的復合過程和從激發(fā)回復正常態(tài)等過程，會產(chǎn)生大量光輻射，形成電暈。而其他電極空間場強太小，電離無法發(fā)生。49第四十九頁，共79頁。4.4低溫等離子體概述日常生活中的等離子現(xiàn)象閃電極光太陽等離子體電視50第五十頁，共79頁。一、什么是等離子體常被視為是除去固、液、氣外，物質存在的第四態(tài)。它廣泛存在于宇宙中。廣義上，等離子體可定義為：帶正電的粒子與帶負電的粒子具有幾乎相同的密度，整體呈電中性狀態(tài)的粒子集合體。等離子體通常由離子、電子、基態(tài)原子或分子，激發(fā)態(tài)原子或分子、以及由分子解離而形成的活性基等基本粒子構成。等離子體的性質是這些粒子集體行為的表現(xiàn)。51第五十一頁，共79頁。52第五十二頁，共79頁。二、等離子體的基本概念等離子體溫度：等離子體中含有電子、離子和大量的中性粒子或基團。當?shù)入x子體系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時遵從麥克斯韋分布，其平均運動能量可用下式表示：然而，低氣壓放電等離子體經(jīng)常處于非平衡態(tài)，組成等離子體的電子、離子和中性粒子等各自具有的溫度不同，因此等離子體的溫度應區(qū)分為電子溫度Te、離子溫度Ti和中性粒子溫度Tn。53第五十三頁，共79頁。等離子體的溫度：等離子體中，電子和離子的溫度多數(shù)情況下都以平均動能表示，并以eV為單位，它與溫度對應的關系按習慣可以表示為：在薄膜技術中，所用等離子體的電子溫度一般為數(shù)十電子伏。54第五十四頁，共79頁。輝光放電、射頻放電、低氣壓弧光放電產(chǎn)生的等離子體均屬于低溫等離子體。這種等離子體中，電子能量相對較高，且因質量小，運動速度較大，這些電子與氣體分子進行非彈性碰撞，使氣體電離，產(chǎn)生新電子繼續(xù)維持放電過程。在大多數(shù)離子氣相沉積中，一般都是部分氣體和金屬原子被電子碰撞電離為離子。隨著氣壓升高，在弧光放電中，單位時間碰撞次數(shù)增加，電子與氣體重粒子之間也會發(fā)生比較充分的動能交換，電子溫度與離子溫度、氣體溫度（中性粒子溫度）逐漸趨于相等。則等離子體由非平衡態(tài)過渡到熱平衡態(tài)。55第五十五頁，共79頁。二、等離子體的基本概念等離子體振蕩：等離子體中粒子的密度分布會產(chǎn)生起伏。假定等離子體中電子相對于離子發(fā)生位移，則某處的電子密度變大，而另一處的離子密度變大，在等離子體空間會形成電場。電子會在該電場的庫侖力的作用下向回運動。但是由于慣性，電子會越過平衡位置，又會再次受到反方向的庫侖力作用，因此電子將以某個特征頻率圍繞著平衡位置振蕩，叫做等離子體振蕩。等離子體振蕩分為等離子體電子振蕩和等離子體離子振蕩。56第五十六頁，共79頁。等離子體振蕩頻率：是指等離子體內(nèi)部對發(fā)生電場產(chǎn)生屏蔽作用的時間響應尺度。等離子體離子振蕩頻率一般遠小于等離子體電子振蕩頻率。等離子體電子振蕩頻率等離子體離子振蕩頻率57第五十七頁，共79頁。例如：若電磁波入射電離層等離子體中，如果電磁波的頻率比等離子體的頻率高得多，電子來不及響應，則電波能穿過電離層而傳輸。使用這種頻率的電磁波，可以進行地球與人造衛(wèi)星之間的通信。如果電磁波的頻率低于等離子體的頻率，地球上發(fā)出的電磁波被電離層發(fā)射，可以進行全地球表面的遠距離通信。58第五十八頁，共79頁。二、等離子體的基本概念德拜長度：是指等離子體內(nèi)部對電場產(chǎn)生的空間屏蔽效應?；蛘哒f等離子體中帶電粒子的庫侖力作用范圍是有限的當系統(tǒng)的幾何限度遠大于德拜長度時，系統(tǒng)內(nèi)包含的電離氣體才能被看成等離子體。這時凈電荷僅在小于德拜長度內(nèi)存在，而在其外的等離子體是宏觀電中性的。所以德拜長度表示了維持等離子體宏觀電中性的空間特征尺度。德拜長度59第五十九頁，共79頁。德拜屏蔽：如果在等離子體中施加電場，帶電粒子將起到降低電場影響的作用。這種降低局域電場影響的響應，即等離子體對內(nèi)部電場產(chǎn)生的空間屏蔽效應。德拜屏蔽使等離子體保持準電中性的特性。假設在浸入等離子體的兩個表面上施加電壓，表面將吸引等量的異性帶電粒子。兩個表面附近積累的帶電粒子將屏蔽帶電表面，使等離子體保持電中性。這時外加電壓將集中在電極表面附近的德拜長度的距離中。60第六十頁，共79頁。二、等離子體的基本概念等離子體鞘層：等離子體雖然是電中性的，但是當它們與器壁接觸時，它們與器壁之間會形成一個薄的正電荷區(qū)域，不滿足電中性條件，該區(qū)域稱為等離子鞘層。鞘層的形成過程：等離子體被兩個接地的極板包圍，這兩個極板具有吸收帶電粒子的功能，由于靜電荷密度為零，在各處的電場強度和電勢都為零。61第六十一頁，共79頁。在電子上的作用力指向等離子體內(nèi)部，阻止了等離子體中的電子向器壁的運動，使電子回到等離子體中。而對離子的作用是使進入鞘層的離子加速向器壁運動。由于電子的熱運動速度是離子熱運動速度的100倍以上，等離子體中的電子可以迅速到達極板而消失。經(jīng)過很短的時間后，器壁附近的電子損失掉，形成一個很薄的正離子鞘層。這鞘層中ni遠大于ne，因此有凈電荷存在、該電荷密度產(chǎn)生了一個在等離子內(nèi)部為正，在鞘層兩側迅速下降為零的電勢分布。因為鞘層內(nèi)的電場方向指向器壁，這個電勢分布是一個約束電子的勢阱，對離子而言則是一個勢壘。62第六十二頁，共79頁。三、等離子體的分類按照存在方式分：天然等離子體：地球大氣電離層、太陽、日冕、星際空間等人工等離子體：日光燈、霓虹燈等。由人工通過外加能量如電場、磁場、輻射、光和熱能激發(fā)電離物質形成的等離子體。按照電離度分：完全電離等離子體：α=1部分電離等離子體：0.01<α<1。弱電離等離子體：10-6<α<0.01。63第六十三頁，共79頁。4.5低溫等離子體的產(chǎn)生一、輝光放電直流輝光放電：在低氣壓氣體中插入兩個金屬電極并施加直流電壓，使其電壓逐漸上升到某個值時就會發(fā)現(xiàn)氣體導電并發(fā)光了，這就形成了直流輝光放電等離子體?；具^程：當電壓低時，基于宇宙線及存在于自然界的極微量放射性物質射線引起的電離，氣體中存在少量自由電子，電路中僅流過與初始電子數(shù)相當?shù)陌惦娏?。隨著電壓增加，當加速電子能量大到一定值之后，與中性氣體分子或者原子碰撞使之電離，于是電子數(shù)按等比級數(shù)迅速增加，形成電子繁衍過程，稱為雪崩式放電過程。當電子與離子的增加數(shù)與等離子體中消失的電子和離子數(shù)相等時，放電實現(xiàn)了自持。氣體被擊穿，變成了導電流體，同時發(fā)光，稱作輝光放電。64第六十四頁，共79頁。進入輝光放電時，電壓下降到幾百伏，電流急劇增加到幾毫安到幾百毫安，這時的放電模式為正常輝光。產(chǎn)生正常放電所需的最小電壓閾值稱為擊穿電壓。65第六十五頁，共79頁。直流輝光放電特性：66第六十六頁，共79頁。直流輝光放電特性：67第六十七頁，共79頁。直流輝光放電特性：法拉第暗區(qū)68第六十八頁，共79頁。直流輝光放電特性：69第六十九頁，共79頁。直流輝光放電特性：70第七十頁，共79頁。輝光放電產(chǎn)生的條件：在放電開始前，放電間隙中電場是均勻的，或至少是沒有很大的不均勻性。輝光放電過程主要靠陰極上發(fā)射電子的γ過程來維持。放電氣壓一般需要保持在4-10-4Pa范圍內(nèi)。因pd不同，擊穿電壓及放電狀態(tài)各異。輝光放電電流密度一般在10-1-102mA/cm2,而電壓一般在300-5000V，屬于高電壓小電流密度放電。與此相應，放電回路中的電流和電阻應允許通過數(shù)百毫安的電流。交流輝光放電