輝光放電課件

直流輝光放電與射頻輝光放電DCandRFglowdischargesByWenQiLU9/19/2005kTe1/2)2)

Contentsinlastlecture等離子體及其溫度(forcoldplasma,thetemperaturesaredifferentforions,electronsandneutralparticals)德拜屏蔽，鞘層，德拜長(zhǎng)度Bohm鞘層判據(jù)u(0)>()

mi

κiDe+κeDi雙極性擴(kuò)散Dd=

κi+κeλD=(kTeε01/2

nee

ne21/2等離子體振蕩ωe=(meε0)≈9000n(Hz)ωi=(

ne21/2miε0(forthetypicalDCglowdischargeplasma,ωeisinGigahertzorder whileωiisinmegahertzorder)氣體放電的分類擊穿電壓無(wú)規(guī)則脈沖電流)氣體的擊穿—帕邢定律Vs=

BPd APdln( 1 ln

γ

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)，γ表示一個(gè)正離子撞擊陰極表面時(shí)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(shí)驗(yàn)測(cè)得的曲線。注意對(duì)應(yīng)不同Pd，Vs有一極小值。直流輝光放電>放電區(qū)的結(jié)構(gòu)和分布>陰極區(qū)陽(yáng)極暗區(qū)陰極區(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。電流密度直流輝光放電>放電區(qū)的結(jié)構(gòu)和分布>負(fù)輝區(qū)

負(fù)輝區(qū)是電極間發(fā)光最強(qiáng)的區(qū)域，陰極出發(fā)的電子到達(dá)這里時(shí)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(jìn)入該區(qū)，形成負(fù)空間電荷區(qū)。電子速度的減慢加大了激發(fā)與復(fù)合的幾率，使發(fā)光特別強(qiáng)。電流密度直流輝光放電>放電區(qū)的結(jié)構(gòu)和分布>Faraday暗區(qū)

與負(fù)輝區(qū)相比，該區(qū)電子和離子密度較小，電場(chǎng)很弱，激發(fā)和復(fù)合的幾率都比較小。電流密度直流輝光放電>放電區(qū)的結(jié)構(gòu)和分布>正柱區(qū)正柱區(qū)電子和離子濃度相等，接近理想等離子體。電流密度直流輝光放電>放電區(qū)的結(jié)構(gòu)和分布>陽(yáng)極區(qū)

陽(yáng)極區(qū)包括陽(yáng)極暗區(qū)和陽(yáng)極輝區(qū)。陽(yáng)極暗區(qū)實(shí)質(zhì)上是陽(yáng)極與正柱區(qū)等離子體間的鞘層；陽(yáng)極輝區(qū)由陽(yáng)極加速電子引起激發(fā)和電離而產(chǎn)生。電流密度直流輝光放電>放電區(qū)的結(jié)構(gòu)和分布>短間隙放電

極間距離縮短時(shí)，正柱區(qū)和法拉第暗區(qū)將縮短直至消失，而陰極暗區(qū)和負(fù)輝區(qū)不受影響，這種情況稱為短間隙輝光放電。直流輝光放電>放電區(qū)的結(jié)構(gòu)和分布>briefsummary陰極區(qū)：陰極與a之間，這里有很大的電場(chǎng)強(qiáng)度。負(fù)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(kuò)散性電子流。正柱區(qū)：cd之間，這里電場(chǎng)強(qiáng)度為常數(shù)。陽(yáng)極區(qū)：陽(yáng)極附近的發(fā)光區(qū)及陽(yáng)極鞘層。最后三個(gè)部分可以不存在。直流輝光放電>放電的損耗過(guò)程直流輝光放電>空心陰極放電*

A為環(huán)形陽(yáng)極，C1和C2為陰極。若C1和

C2間的距離d縮短到一定長(zhǎng)度時(shí)，兩個(gè) 負(fù)輝區(qū)合并在一起，發(fā)生空心陰極放電 現(xiàn)。特點(diǎn)：對(duì)比正常輝光放電，陰極位降變化條件下，電流密度大大提高，陰極濺射強(qiáng)烈。負(fù)輝區(qū)中電子能量分布非常適于激勵(lì)金屬蒸氣離子激光系統(tǒng)。Electronswithinthisplasmaareconstantlybeingrepelledwhenapproachingthehollowcathodewalls:Anoscillatorymotionoftheelectronsresultsyieldinggreatlyimproved

ionizationratesandtherebyhigherplasma densities*徐學(xué)基等，氣體放電物理，復(fù)旦大學(xué)出版社。射頻輝光放電>交流放電的一般規(guī)律電壓頻率與放電行為的關(guān)系100~104Hz每個(gè)半周期都經(jīng)歷一次擊穿、維持和熄火的過(guò)程，放電不連續(xù)，相當(dāng)于正負(fù)電極交替的直流放電~1MHz極性變換的連續(xù)放電1~100MHz電子在放電空間不斷來(lái)回運(yùn)動(dòng)，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(fù)運(yùn)動(dòng)碰撞電離引起，電極上的γ過(guò)程變得不重要，因此電極可以放在放電室外面。射頻輝光放電>交流放電的一般規(guī)律臨界頻率f1和f2(f1<f2)

f1和f2(f1<f2)分別相應(yīng)于離子和電子到達(dá)電極所需時(shí)間。f>f1時(shí)，電極間存在正空間電荷，對(duì)電離起增強(qiáng)作用，擊穿電壓比直流時(shí)低；f>f2時(shí)，電子隨電壓的交替在電極間振蕩，與氣體分子碰撞的幾率增加，擊穿電壓降低。不同頻率下?lián)舸╇妷号c氣體壓力的關(guān)系關(guān)于第二極小值的解釋氣壓降低時(shí)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(chǎng)強(qiáng)度和電離率來(lái)補(bǔ)償，以維持氣體擊穿。提高頻率時(shí)，第二極小值向低氣壓處移動(dòng)。射頻輝光放電>射頻輝光放電的特點(diǎn)采用射頻電壓的必要性利用輝光放電等離子體進(jìn)行濺射、刻蝕或沉積時(shí)，電極上經(jīng)常會(huì)有絕緣覆蓋層存在，因此利用直流不能實(shí)現(xiàn)持續(xù)放電。射頻輝光放電的特點(diǎn)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(shí)際用于氣體放電的射頻源頻率統(tǒng)一為13.56MHz，以避免干擾正常通訊。射頻輝光放電>射頻電極的自偏壓（產(chǎn)生過(guò)程一）t=0Vb≈-1000V，

C‘t=0時(shí)，Va=-1000V,∵C>>C‘,Vb≈Va，氣體擊穿放電。射頻輝光放電>射頻電極的自偏壓（產(chǎn)生過(guò)程二）0<t<T/2Vb→-800V，+++C‘0<t<T/2區(qū)間，由于離子運(yùn)動(dòng)慢，C充電速度不高，Vb緩慢升至-800V,相應(yīng)地Vb–Va=200V射頻輝光放電>射頻電極的自偏壓（產(chǎn)生過(guò)程三）

Va=1000V，t=T/2Vb=1200V，

C‘t=T/2時(shí)，Va跳變?yōu)?1000V,由于C上存有–200V電壓（下正上負(fù)）,Vb=1200V。射頻輝光放電>射頻電極的自偏壓（產(chǎn)生過(guò)程四）T/2<t<TVb→+100V，

eeeT/2<t<T區(qū)間，電子迅速中和C上正電荷，Vb快速下降至+100V，相應(yīng)地Vb–Va=-900V。C‘射頻輝光放電>射頻電極的自偏壓（產(chǎn)生過(guò)程五）

V阿≈-1000V，t=TVb≈-1900V，

C‘ t=T時(shí)，Va跳變?yōu)?1000V，由于

C上存有900V電壓（上正下負(fù)）, Vb=-1900V。如上所示每經(jīng)歷一周期，Va都將更負(fù)一些。到若干周期以后，電壓波形趨于穩(wěn)定，整體向負(fù)電位偏移而產(chǎn)生