3气体放电和低温等离子体
由气体放电产生的部分电离等离子体
I1
g1 A1v1
E1 E2
e KT
I2
g2 A2v2
用朗谬尔探针测量电子温度
随机电流 I eJ r As
Jr
1 4
nv
n 4
8Te
m
V1
Vs
V2
eV
对于双探针
I
Ii
tanh
2kTe
dI
eIi
dV I 0,V 0
2kTe
气体放电的全伏安特性曲线
BD: 汤生放电 DE: 亚辉光放电 EF：正常辉光放电 FG：反常辉光放电 GH：弧光放电
依靠高频辉光放电形成的化学活性游离基与被腐蚀材料发生化学反 应的一种选择性腐蚀方法
（2）等离子体溅射镀膜
在低真空室中,将待溅射物制成靶置于阴极,用高压（通常在1000V以上） 使气体电离形成等离子体,等离子中的正离子以高能量轰击靶面,使待溅 射物的原子离开靶面,淀积到阳极工作台上的基片上,形成薄膜.
e kT
3粒子组分满足化学平衡和质量守衡
4带电粒子浓度满足沙哈方程
neni
2gi
(2 mekT )3/2
Ei
e kT
n0 g0
h3
等离子体光谱 1原子的线光谱：电子与原子碰撞，使其激发，激发态原子退 激发，以辐射的形式放出能量 E hv hc特/ 别的把第 激发态向基态跃迁产生的辐射称为共振辐射
等离子体的一般描述
通俗地说，等离子体就是电离气体，又被称为物质的第四态。按照严格定义， 等离子体指包含自由带电粒子的体系，其中库仑力起主要作用。一般情况下， 等离子体是电子、离子和中性原子组成的混合物。
电中性：宏观尺度上，等离子体空间任意一点呈电中性
德拜屏蔽：
低温等离子体介绍
低温等离子体介绍基本概念等离子体是物质存在的第四种状态。
它由电离的导电气体组成，其中包括六种典型的粒子，即电子、正离子、负离子、激发态的原子或分子、基态的原子或分子以及光子。
事实上等离子体就是由上述大量正负带电粒子和中性粒子组成的，并表现出集体行为的一种准中性气体，也就是高度电离的气体。
无论是部分电离还是完全电离，其中的负电荷总数等于正电荷总数，所以叫等离子体。
等离子体的分类1、按等离子体焰温度分：（1）高温等离子体：温度相当于108~109 K完全电离的等离子体，如太阳、受控热核聚变等离子体。
（2）低温等离子体：热等离子体：稠密高压（1大气压以上），温度103~105K，如电弧、高频和燃烧等离子体。
冷等离子体：电子温度高（103~104K）、气体温度低，如稀薄低压辉光放电等离子体、电晕放电等离子体、DBD介质阻挡放电等离子体、索梯放电等离子体等。
2、按等离子体所处的状态：（1）平衡等离子体：气体压力较高，电子温度与气体温度大致相等的等离子体。
如常压下的电弧放电等离子体和高频感应等离子体。
（2）非平衡等离子体：低气压下或常压下，电子温度远远大于气体温度的等离子体。
如低气压下DC辉光放电和高频感应辉光放电，大气压下DBD介质阻挡放电等产生的冷等离子体。
什么是低温（冷）等离子体？冰升温至0℃会变成水，如继续使温度升至100℃，那么水就会沸腾成为水蒸气。
随着温度的上升，物质的存在状态一般会呈现出固态→液态→气态三种物态的转化过程，我们把这三种基本形态称为物质的三态。
那么对于气态物质，温度升至几千度时，将会有什么新变化呢? 由于物质分子热运动加剧，相互间的碰撞就会使气体分子产生电离，这样物质就变成由自由运动并相互作用的正离子和电子组成的混合物（蜡烛的火焰就处于这种状态）。
我们把物质的这种存在状态称为物质的第四态，即等离子体态(plasma)。
因为电离过程中正离子和电子总是成对出现，所以等离子体中正离子和电子的总数大致相等，总体来看为准电中性。
第二章气体放电和低温等离子体
R
mE eB 2
eB
m
u E
B
漂移速度只与E和B有关，与q、m均无关。不管是正粒子还
是负粒子，漂移方向是一样的；离子和电子的漂移速度相同。
但是正离子的旋轮半径比电子大得多，角速度小得多。
2、带电粒子在径向电场和轴向磁场中的运动
带电粒子在径向电场中运动， 还要受到轴向磁场的影响。径 向力包括径向电场产生的电场 力，轴向磁场产生的洛伦兹力， 还有离心力。 横向力只有轴向磁场产生的洛 伦兹力。电子和粒子的运动轨 迹如图所示。
运动的能量辐射等，电子获得的动能并不是无限的。 利用ECR得到的高能电子，可以获得更充分的气体 放电。
2.2气体原子的电离和激发
本节主要内容：带电质点（粒子）的产生与消失
一、碰撞- 能量传递过程
1、弹性碰撞和非弹性碰撞
弹性碰撞：若电子 或离子的动能较小， 当其与他原子或分 子碰撞时，达不到 使后者激发或电离 的程度，碰撞双方 仅发生动能交换。
转移比率：
Et
1 2
mt
ut2
Ei
1 2
mi
vi2
4mi mt mi mt
2 cos2
二体弹性碰撞能量传 递系数：
4 射粒子与目标粒子质量相同时，能量转移比率最大，说明
同种气体原子间碰撞的能量转移十分有效。
非常重的粒子碰撞非常轻的粒子（θ=0时），轻粒子被 碰撞后的速度为入射重粒子速度的两倍。
当离子与气体原子发生第一类非弹性碰撞时，由于其质量大小 差不多，因此内能传递系数为0.5。即离子最多也是将其能量 的一半传递给中性原子，转换为内能。
当电子与气体原子发生第一类非弹性碰撞时，由于质量 相差悬殊，内能传递系数为1。即电子几乎是将其所有 的动能传递给中性原子，转换为内能
低温等离子工作原理
低温等离子工作原理低温等离子是一种在低温条件下产生的等离子体，其工作原理主要涉及电离和激发过程。
在低温等离子体中，气体分子被电子激发或电离，形成带电的离子和自由电子。
这些带电粒子之间的相互作用和碰撞会引发一系列的物理和化学过程，从而产生一些特殊的性质和应用。
低温等离子的工作原理可以分为以下几个步骤：1. 气体放电：在低温等离子体产生的过程中，需要通过电场作用将气体分子电离或激发。
一般情况下，通过加入电压或电流来产生电场，使得气体分子中的电子获得足够的能量，从而跃迁到高能级或被电离。
2. 电子碰撞：在低温等离子体中，电子与其他气体分子或离子之间会发生碰撞。
这些碰撞会导致能量和动量的传递，从而引发一系列的反应和过程。
例如，电子与气体分子碰撞后，可以将能量传递给气体分子，使其激发或电离。
3. 激发和电离：在低温等离子体中，电子与气体分子碰撞后，会激发或电离气体分子。
激发是指电子跃迁到高能级，而电离是指电子从气体分子中脱离，形成带正电荷的离子。
激发和电离过程会释放出能量，产生光辐射或热能。
4. 电子复合和再电离：在低温等离子体中，带电的离子和自由电子会发生碰撞和复合。
这个过程中，带电离子会捕获自由电子，重新形成中性的气体分子。
同时，也会发生再电离的过程，即带电离子再次被电子激发或电离。
低温等离子的工作原理可以应用于多个领域，如材料表面处理、等离子体显示器、等离子体喷涂、等离子体医疗等。
通过控制和调节低温等离子体的参数，可以实现对材料表面的清洁、改性、涂层等处理。
此外，低温等离子体还可以产生丰富的光辐射，用于显示器的照明和发光。
同时，低温等离子体还可以用于医疗领域，如细胞治疗、癌症治疗等。
总结起来，低温等离子的工作原理主要涉及电离、激发、碰撞和复合等过程。
通过控制这些过程，可以实现对材料的处理和改性，以及产生光辐射和热能。
低温等离子的应用领域广泛，对于材料科学、能源、医疗等领域都具有重要意义。
气体放电物理知识要点总结2014-6-6
气体放电物理知识要点总结1．气体放电过程中一般存在六种基本粒子：电子，正离子，负离子，光子，基态原子（或分子），激发态原子（或分子）。
2．光子能量,其中为光的频率，h为普朗克常数。
3．原子能量由原子内部所有粒子共同决定，通常人们感兴趣的是原子最外层电子即价电子，因为气体放电过程主要是由最外层电子参加的。
原子通常处于稳定的能级，成为基态（基态能量E1），当价电子从外界获得额外能量时，它可以跳跃到更高能级，此时原子处于激发态（激发态能量E2），电子处于激发态的时间很短，然后会跃迁到基态或低激发态，并以光子形式释放出能量（）。
当电子获得的能量超过电离能时，电子就与原子完全脱离而成为自由电子，原子变为正离子。
4．正离子也可被电离，负离子是电子附着到某些原子或分子上而形成的。
负离子的能量等于原子或分子的基态能量加上电子的亲和能。
气体放电中的带电粒子是电子和各种离子（正离子和负离子）。
每种离子都将影响气体放电的电特性，电子的作用通常占主导地位。
5．波数等于波长的倒数，表示在真空中每厘米的波长个数。
即6. 原子所处的状态取决于其核外电子的运动状态，可用四个量子数来描述。
主量子数n(n=1,2,3…), 它是由电子轨道主轴的尺寸决定；轨道角量子数l，(l=0,1,2,3…n-1),它是由椭圆轨道的短轴和长轴之比决定。
轨道磁量子数m l,其取值范围为，它是由轨道相对于磁场的位置决定的；自旋磁量子数.7．在光谱中，将电子组态用规定的符号来标志，轨道角量子数用字母s,p,d,f等表示，相应的l值分别为0，1，2，3等。
电子组态所形成的原子态符号可以表示为第二章.气体放电的基本物理过程1．带电离子的产生方式：碰撞电离，光电离，热电离，金属表面电离2．电子与原子碰撞时，若碰撞不引起原子内部的变化，这种碰撞称为弹性碰撞，若电子能量足够大，电子与原子碰撞后，可引起原子内部发生变化，即引起原子的激发或电离，这种碰撞称为非弹性碰撞。
低温等离子体的产生方法
低温等离子体的产生方法低温等离子体是指温度低于室温、高于绝对零度的气体中的正离子和自由电子共存并局部电中性的状态。
低温等离子体在物理、化学和工程学等领域具有广泛的应用，如等离子体显示器、等离子体刻蚀、等离子体辅助化学反应等。
在以下的回答中，我将介绍几种产生低温等离子体的方法：1.放电法产生低温等离子体：这是最常见的一种方法。
通过在气体中传递电流产生放电，使气体中的分子碰撞、电离、激发从而形成等离子体。
例如，高压电晕放电等离子体是利用电极间的放电空间产生的。
2.激光等离子体产生法：激光可以提供高强度、短脉冲的能量，通过作用于气体或固体材料，产生高温和高电子密度的等离子体。
这种方法常用于激光等离子体刻蚀、激光等离子体化学反应等领域。
3.等离子体电化学法：在液体中使用电流产生等离子体现象。
例如，在含有电解质的溶液中通电，产生电解质的阳离子和自由电子，形成等离子体。
这种方法常用于等离子体修复和合成化学反应等领域。
4.电子束法：通过电子束轰击气体或固体材料，使其电离、激发从而形成等离子体。
这种方法常用于电子束等离子体刻蚀技术、电子束等离子体源等领域。
5.射频等离子体法：通过高频电场（射频场）在气体中激发电离和激发过程，形成等离子体。
在射频等离子体法中，通常使用带有射频电源的电极（如平行板电极、螺旋电极），将气体放置在电极之间形成射频等离子体。
这种方法常用于等离子体刻蚀、等离子体辅助化学反应等领域。
需要注意的是，这些方法产生的低温等离子体都有一定的特性和优缺点。
例如，放电等离子体和射频等离子体相对易于产生，但温度较高，常用于需要高温等离子体的应用；而激光等离子体和电子束等离子体产生的温度较低，但设备复杂、成本较高。
因此，在具体应用时需要根据实际需求选择合适的方法来产生低温等离子体。
低温等离子工作原理
低温等离子工作原理一、概述低温等离子技术是一种应用广泛的高新技术，通过在低温环境下产生等离子体，可以实现多种应用，如表面处理、材料改性、气体清洁等。
本文将详细介绍低温等离子工作原理及其应用领域。
二、低温等离子工作原理低温等离子技术是通过在低温环境下产生等离子体来实现各种应用。
等离子体是一种高度激发的气体状态，由电子、离子和中性粒子组成。
在低温等离子体中，电子与气体分子发生碰撞，使得气体分子电离，产生大量自由电子和正离子。
这些自由电子和离子具有高度活性，可以用于表面处理、材料改性等应用。
低温等离子工作原理主要包括以下几个步骤：1. 气体放电：通过在低温环境下施加高电压，使得气体分子发生电离，产生等离子体。
放电可以采用不同的方式，如直流放电、交流放电、脉冲放电等。
2. 等离子体形成：在气体放电的作用下，气体分子电离产生大量的自由电子和正离子，形成等离子体。
等离子体的性质取决于气体的组成和放电条件。
3. 等离子体反应：等离子体中的自由电子和正离子具有高度活性，可以与材料表面发生反应。
这些反应包括化学反应、物理反应和生物反应等，可以实现表面处理、材料改性等效果。
4. 等离子体消失：等离子体在一定时间内保持活跃，随着时间的推移，等离子体中的自由电子和正离子逐渐重新组合成气体分子，等离子体逐渐消失。
三、低温等离子应用领域低温等离子技术具有广泛的应用领域，以下是几个典型的应用案例：1. 表面处理：低温等离子技术可以用于表面清洁、去污、除油等处理。
例如，在半导体制造过程中，可以使用低温等离子技术清洗硅片表面，去除杂质，提高硅片的质量和性能。
2. 材料改性：低温等离子技术可以改变材料的表面性质，如增加材料的硬度、耐磨性、耐腐蚀性等。
这对于提高材料的性能和延长使用寿命具有重要意义。
例如，在汽车制造过程中，可以使用低温等离子技术对发动机零部件进行硬化处理，提高其耐磨性和耐腐蚀性。
3. 气体清洁：低温等离子技术可以用于气体清洁，如去除有害气体、净化空气等。
低温等离子体发生器
低温等离子体发生器在现代科学技术领域，等离子体技术被广泛应用于各种领域，低温等离子体发生器是其中的一种重要设备。
低温等离子体发生器是一种能够产生低温等离子体的装置，其通过特定的方式实现气体离子化的过程，为研究、工业生产等多个领域提供了重要的支撑。
1. 低温等离子体发生器的原理低温等离子体发生器通常由气体供给系统、电源系统、等离子体反应室等组成。
其工作原理主要是通过气体放电，将气体原子或分子激发成其对应的局部电离状态，生成低温等离子体。
这种低温等离子体通常包含电子、正离子、中性原子等组成部分，在不同的应用中，可以调节气体种类、电场强度等参数以获得特定性质的等离子体。
2. 低温等离子体发生器的应用低温等离子体发生器在材料表面处理、等离子体改性、化学气相沉积等领域具有重要应用。
在材料表面处理中，低温等离子体发生器可实现表面清洁、活化处理、涂层制备等功能，提高材料表面的性能。
在化学气相沉积过程中，低温等离子体发生器能够提供高效的激发气体，促进反应物质的分解和沉积，实现薄膜的生长和改性。
此外，低温等离子体发生器还可用于生物医学领域的细胞处理、药物释放等方面，为医学领域提供新的可能性。
3. 低温等离子体发生器的发展前景随着科学技术的不断发展，低温等离子体发生器的性能和应用范围将进一步拓展。
在新材料的研究中，低温等离子体发生器将发挥更大的作用，为新型材料的研发提供有力支持。
同时，在能源、环保等领域，低温等离子体发生器也将发挥重要作用，实现资源的高效利用和环境的改善。
综上所述，低温等离子体发生器作为一种重要的等离子体装置，在不同领域中具有广泛的应用前景。
随着相关技术的不断推进，低温等离子体发生器将在科学研究、工业生产等领域发挥重要作用，为人类社会的进步和发展贡献力量。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
二、电离-正离子的形成(带电质点的产生)
产生带电质点的物理过程称为电离(游离)，是气 体放电的首要前提。
2、电子回旋共振（ECR）
当磁场强度一定时， 带电粒子回旋运动的 频率与速度无关
，因此若施加于此频 率相同的变化电场， 则带电粒子将被接力 加速，称为电子回旋 共振。
电子回旋频率与磁场B的关系为
f 2.81010 B
电子在满足上述条件的区域运动，电子将会获得很 大的能量， 但由于电子与其他粒子碰撞及电子回旋
转移比率：
Et
1 2
mt
ut2
Ei
1 2
mi
vi2
4mi mt mi mt
2 cos2
二体弹性碰撞能量传 递系数：
4mi mt
mi mt 2
当入射粒子与目标粒子质量相同时，能量转移比率最大，说明
同种气体原子间碰撞的能量转移十分有效。
非常重的粒子碰撞非常轻的粒子（θ=0时），轻粒子被 碰撞后的速度为入射重粒子速度的两倍。
当离子与气体原子发生第一类非弹性碰撞时，由于其质量大小 差不多，因此内能传递系数为0.5。即离子最多也是将其能量 的一半传递给中性原子，转换为内能。
当电子与气体原子发生第一类非弹性碰撞时，由于质量 相差悬殊，内能传递系数为1。即电子几乎是将其所有 的动能传递给中性原子，转换为内能
在利用气体放电的气相沉积和干法刻蚀中，离子每发生一次弹 性碰撞，最多可以损失其全部能量。而发生一次非弹性碰撞， 最多可以损失其全部能量的一半；电子在弹性碰撞中几乎不损 失能量，而在非弹性碰撞时几乎把所有能量全部传递给中性粒 子。
1、弹性碰撞和非弹性碰撞
非弹性碰撞：若电子或离子的动能达到数电 子伏以上，碰撞造成原子或分子的内部状态 发生变化，例如造成原子激发、电离、分子 解离、原子复合及电子附着等。这样的碰撞 称为非弹性碰撞。
非弹性碰撞对于气体放电和等离子体状 态的维持至关重要。
2、二体弹性碰撞的能量转移
入射粒子向目标粒子的能量
v//
R
R mv0 sin
qB
h
螺距
h
v//T
v//
2R
v
2mv0 cos
qB
2、带电粒子在非均匀磁场中的运动
三、带电粒子在电磁场中的运动
1、在正交均匀电磁场中的运动
当电子初速度v0=0时，电子 在正交均匀电磁场中的运动是
回旋运动加上一个垂直于电场 和磁场方向的漂移运动。运动 轨迹为旋轮线。
当带电粒子的运动方向与磁场方向
垂直时:
粒子在磁场中做匀速圆周运动。
v0
R mv0 qB
T 2R 2 m 2 qB
v0
qB
Tm
F
周期和角频率只与B有关。 正离子回转方向与电子方向相反， 且回转半径大、角速度小、周期长
（3）如果v0 与 B斜交成角
粒子作螺旋运动，
B
T 2m
v v0
qB
受到的径向电场力与惯性离心
力大小相等，方向相反，则径
向加速度为零，于是电子沿圆
周运动，这时电场强度为
(Er )rr0
mv02 er0
若电子以横向速度v1<v0或者v1>v0,则电子的运 动轨迹不为圆周，如图所示。
二、带电粒子在磁场中的运动
1、带电粒子在均匀磁场中的运动
v0
当带电粒子沿磁场方向运动时: 粒子作匀速直线运动。
其中，为霍耳系数；为回转频率； 为碰撞频率
四、磁控管和电子回旋共振
1、磁控管
圆筒形阳极和中心轴阴极构成 电极结构，两电极间加电场。 在轴向有与电场垂直的外加磁 场。
电子在上述电磁场作用下，会在阴极表面周围做回旋漂移 运动，称为电子的磁控管运动。发生这一运动的电子，在一 定条件下因回旋辐射，会发射频率为GHz的强电磁波(微波)。 称这种微波发振管为磁控管
F qE ma
电子经过电势差为U所得到的能量变成动能。
1 mv2 eU 2 故电子与电势差的关系 v 2eU
m
2、带电粒子在径向电场中的运动
两个同轴圆柱电极，两极
之间的电场是径向的U2 ln r2
1 r
r1
设电子以横向速度v0在r=r0处
进入此电场，若电子在r=r0处
第二章 气体放电和低温 等离子体
第二章 气体放电和低温等离子体
带电粒子在电磁场中的运动 气体原子的电离和激发 气体放电发展过程 低温等离子体概述 低温等离子体的产生辉光放电 弧光放电 高频放电 低压力高密度等离子体放电
2.1带电粒子在电磁场中的运动
一、带电粒子在电场中的运动 1、带电粒子在平行电场中的运动
电子的回转半径小，回转频率大，最后漂移到阳 极上去。离子的的回转半径大，回转频率小，最 后漂移到阴极上去。实现等离子体分离。
2、带电粒子在径向电场和轴向磁场中的运动
在真空电弧中，带电粒子的轨迹很复杂。在电场作用下 做直线漂移运动，在磁场作用下做回转运动，在不断地 碰撞中做扩散运动。
带电粒子运动轨迹的曲率取决于粒子在两次碰撞间平均 完成旋转的圈数，称为霍耳系数，是重要的等离子体参 数。
运动的能量辐射等，电子获得的动能并不是无限的。 利用ECR得到的高能电子，可以获得更充分的气体 放电。
2.2气体原子的电离和激发
本节主要内容：带电质点（粒子）的产生与消失
一、碰撞- 能量传递过程
1、弹性碰撞和非弹性碰撞
弹性碰撞：若电子 或离子的动能较小， 当其与他原子或分 子碰撞时，达不到 使后者激发或电离 的程度，碰撞双方 仅发生动能交换。
旋轮半径和旋转角频率 Y方向前进的漂移速度：
R
mE eB 2
eB
m
u E
B
漂移速度只与E和B有关，与q、m均无关。不管是正粒子还
是负粒子，漂移方向是一样的；离子和电子的漂移速度相同。
但是正离子的旋轮半径比电子大得多，角速度小得多。
2、带电粒子在径向电场和轴向磁场中的运动
带电粒子在径向电场中运动， 还要受到轴向磁场的影响。径 向力包括径向电场产生的电场 力，轴向磁场产生的洛伦兹力， 还有离心力。 横向力只有轴向磁场产生的洛 伦兹力。电子和粒子的运动轨 迹如图所示。
非常轻的粒子碰撞非常重的粒子（θ=0时），能量转移 比率非常低。但是电子在由阴极向阳极运动的过程中， 由于碰撞频繁，每秒内传递给气体分子、原子的能量不 可忽视。
3、非弹性碰撞的能量转移
目标粒子内能与入射粒 子动能之比的最大值：
U
1 2
mi vi2
mi
mt
mt
cos
2
二体非弹性碰撞 mt 内能传递系数： mi mt