輝光放電教學內(nèi)容

1、直流輝光放電(fng din)與射頻輝光放電(fng din)DC and RF glow dischargesBy WenQi LU9/19/2005第一頁，共24頁。kTe 1/ 2)2)Contents in last lecture等離子體(dnglzt)及其溫度 (for cold plasma, the temperatures aredifferent for ions, electrons and neutral particals)德拜屏蔽，鞘層，德拜長度Bohm鞘層判據(jù)(pn j) u (0) ( )miiDe + eDi雙極性擴散 Dd =i + eD = (kTe 0

2、1/ 2neene 2 1/ 2等離子體(dnglzt)振蕩 e = ( me 0 ) 9000 n ( Hz )i = (ne 2 1/ 2mi 0(for the typical DC glow discharge plasma, e is in Gigahertz orderwhile i is in megahertz order)第二頁，共24頁。氣體放電(fng din)的分類擊穿(j chun)電壓無規(guī)則脈沖電流第三頁，共24頁。)氣體(qt)的擊穿帕邢定律Vs =BPdAPdln(1ln上式稱為帕邢定律，表示擊穿電壓 Vs 是氣壓P 與極間距離 d 乘積的函數(shù)。其中A和B為常數(shù)

3、(chngsh)，表示一個正離子撞擊陰極表面時平均從陰極表面逸出的電子數(shù)目（二次電子發(fā)射）。圖示為實驗測得的曲線。注意對應不同 Pd，Vs 有一極小值。第四頁，共24頁。直流輝光放電放電區(qū)的結(jié)構(gòu)(jigu)和分布陰極區(qū)陽極(yngj)暗區(qū)陰極(ynj)區(qū)由Aston暗區(qū)，陰極輝區(qū)和陰極暗區(qū)（或稱克羅克斯暗區(qū)）三部分組成。極間電壓大部分加在這里，電子被加速與氣體原子碰撞，使原子激發(fā)或電離。電流密度第五頁，共24頁。直流輝光放電(fng din)放電(fng din)區(qū)的結(jié)構(gòu)和分布負輝區(qū)負輝區(qū)是電極間發(fā)光最強的區(qū)域，陰極出發(fā)的電子到達這里時大部分已經(jīng)因碰撞損失了能量，而陰極暗區(qū)中電離的低速電子也進

4、入該區(qū)，形成負空間電荷區(qū)。電子速度的減慢加大了激發(fā)(jf)與復合的幾率，使發(fā)光特別強。電流密度第六頁，共24頁。直流輝光放電(fng din)放電(fng din)區(qū)的結(jié)構(gòu)和分布Faraday暗區(qū)與負輝區(qū)相比，該區(qū)電子(dinz)和離子密度較小，電場很弱，激發(fā)和復合的幾率都比較小。電流密度第七頁，共24頁。直流輝光(hu un)放電放電區(qū)的結(jié)構(gòu)和分布正柱區(qū)正柱區(qū)電子(dinz)和離子濃度相等，接近(jijn)理想等離子體。電流密度第八頁，共24頁。直流輝光放電放電區(qū)的結(jié)構(gòu)和分布(fnb)陽極區(qū)陽極區(qū)包括陽極暗區(qū)和陽極輝區(qū)。陽極暗區(qū)實質(zhì)上是陽極與正柱區(qū)等離子體間的鞘層；陽極輝區(qū)由陽極加速電子引起

5、激發(fā)和電離(dinl)而產(chǎn)生。電流密度第九頁，共24頁。直流輝光放電放電區(qū)的結(jié)構(gòu)(jigu)和分布短間隙放電極間距離縮短時，正柱區(qū)和法拉第暗區(qū)將縮短直至消失(xiosh)，而陰極暗區(qū)和負輝區(qū)不受影響，這種情況稱為短間隙輝光放電。第十頁，共24頁。直流輝光(hu un)放電放電區(qū)的結(jié)構(gòu)和分布brief summary陰極(ynj)區(qū)：陰極(ynj)與a之間，這里有很大的電場(din chng)強度。負輝區(qū)：ab之間，這里電離和激發(fā)主要是由在陰極位降加速下的快速電子碰撞氣體原子而引起的法拉第暗區(qū)：bc之間，這里電子的能量太低，不足以激發(fā)氣體原子，在ac間的電子流主要是擴散性電子流。正柱區(qū)： cd之

6、間，這里電場強度為常數(shù)。陽極區(qū)：陽極附近的發(fā)光區(qū)及陽極鞘層。最后三個部分可以不存在。第十一頁，共24頁。直流輝光放電放電的損耗(snho)過程第十二頁，共24頁。直流輝光放電空心陰極(ynj)放電*A為環(huán)形陽極，C1和C2為陰極(ynj)。若C1和C2間的距離d縮短到一定長度時，兩個負輝區(qū)合并在一起，發(fā)生空心陰極(ynj)放電現(xiàn)。特點：對比正常輝光放電，陰極位降變化條件(tiojin)下，電流密度大大提高，陰極濺射強烈。負輝區(qū)中電子能量分布非常適于激勵金屬蒸氣離子激光系統(tǒng)。Electrons within this plasma are constantlybeing repelled whe

7、n approaching the hollowcathode walls : An oscillatory motion of theelectrons results yielding greatly improvedionization rates and thereby higher plasmadensities*徐學基等，氣體(qt)放電物理，復旦大學出版社。第十三頁，共24頁。射頻輝光放電(fng din)交流放電(fng din)的一般規(guī)律電壓頻率與放電行為(xngwi)的關系100 104 Hz每個半周期(zhuq)都經(jīng)歷一次擊穿、維持和熄火的過程，放電不連續(xù)，相當于正負電極

8、交替的直流放電 1 MHz極性變換的連續(xù)放電1 100 MHz電子在放電空間不斷來回運動，增加了與氣體分子碰撞的次數(shù)，使電離能力顯著提高，擊穿電壓明顯降低，放電比直流條件下更易自持。由于射頻下放電由電子在放電空間的往復運動碰撞電離引起，電極上的 過程變得不重要，因此電極可以放在放電室外面。第十四頁，共24頁。射頻輝光放電(fng din)交流放電(fng din)的一般規(guī)律臨界頻率f1和f2 (f1f2)f1和f2 (f1 f1 時，電極間存在正空間電荷，對電離起增強作用，擊穿電壓比直流時低； f f2 時，電子(dinz)隨電壓的交替在電極間振蕩，與氣體分子(fnz)碰撞的幾率增加，擊穿電壓

9、降低。不同頻率下?lián)舸╇妷号c氣體壓力的關系關于第二極小值的解釋氣壓降低時電子振幅增加，使一些電子跑上電極，這些電子的損失只能靠提高電場強度和電離率來補償，以維持氣體擊穿。提高頻率時，第二極小值向低氣壓處移動。第十五頁，共24頁。射頻輝光放電(fng din)射頻輝光放電(fng din)的特點采用(ciyng)射頻電壓的必要性利用(lyng)輝光放電等離子體進行濺射、刻蝕或沉積時，電極上經(jīng)常會有絕緣覆蓋層存在，因此利用(lyng)直流不能實現(xiàn)持續(xù)放電。射頻輝光放電的特點擊穿電壓低，放電氣壓低，放電易自持，電極可以放在放電室外面等。實際用于氣體放電的射頻源頻率統(tǒng)一為13.56 MHz，以避免干擾正

10、常通訊。第十六頁，共24頁。射頻(sh pn)輝光放電射頻(sh pn)電極的自偏壓（產(chǎn)生過程一）t=0Vb -1000 V，Ct = 0 時，Va = -1000 V, C C,Vb Va，氣體擊穿(j chun)放電。第十七頁，共24頁。射頻輝光放電(fng din)射頻電極的自偏壓（產(chǎn)生過程二）0 t T/2Vb -800 V，+C0 t 射頻(sh pn)電極的自偏壓（產(chǎn)生過程三）Va = 1000 V，t = T/2Vb = 1200 V，Ct = T/2 時，Va 跳變?yōu)?+1000 V, 由于(yuy)C 上存有 200 V電壓（下正上負）,Vb = 1200 V。第十九頁，共2

11、4頁。射頻輝光放電射頻電極(dinj)的自偏壓（產(chǎn)生過程四）T/2 t TVb +100 V，eeeT/2 t 射頻電極的自偏壓（產(chǎn)生(chnshng)過程五）V阿 -1000 V，t=TVb -1900 V，Ct = T 時，Va跳變?yōu)?-1000 V，由于C 上存有 900 V電壓（上正下負）,Vb = -1900 V。如上所示每經(jīng)歷一周期， Va都將更負一些。到若干周期以后，電壓波形趨于穩(wěn)定，整體向負電位偏移而產(chǎn)生(chnshng)負的直流分量，即負的自偏壓。第二十一頁，共24頁。射頻輝光(hu un)放電射頻電極的自偏壓（六）實用(shyng)中采用的正弦波電壓及所產(chǎn)生的直流自偏壓。第二十二頁，共24頁