第5章-辉光放电
第六章、辉光放电
紧靠阴极光层是一发光极弱的阴极暗区，阴极暗区 与阴极发光层没有明显的界限。
(c) 各放电区域空间电荷分布
j j-
j＋ x
(d) 正、负带电粒子流密度分布 图 6.2 辉光放电外貌及 U、E、ρ、j 分布
前面讲过，进入阴极发光层的电子能量刚好达到第一激发电位，碰撞激发效率比较高，而进入阴极暗 区的电子，由于电场的继续加速，电子能量超过激发函数最大值对应的电子越来越多（1.5~2 倍激发能）， 所以碰撞激发几率降低，导致发光减弱，特别是被明亮的负辉区衬托，成为阴极暗区。在阴极暗区，电子 能量已超过第一电离能，所以在这个区域内产生大量的碰撞电离，雪崩放电就集中在这一区域内。由于阿 斯顿暗区到阴极暗区的区间，是放电管内电场强度最强的区域，所以此区域内电子运动是以定向运动为主。
170
245
120
180
Ni
226
131
158
211
276
140
197
Ag
280
130
162
216
318
150
233
Cu
370
130
150
250
298
150
215
可见正常辉光放电的阴极位降U n 与阴极材料、气体种类相关。
4
2、阴极位降区厚度 d n 与气压 P 的关系
当放电的其它条件均保持不变，正常辉光放电的阴极位降区厚度 dn 随放电气体压强 P 成反比变化，
为此做如下假设（这些假设是以实验结果为依据的）：
点点的阴极亮斑出现；随着放电电流的增大，阴极放电面积与放电电流呈正比增大，阴极表面的放电斑点
开始增大，直至充满整个阴极表面；在正常辉光放电条件下，阴极电流密度 jc 保持常数 jn ，阴极位降U c
第五章 离子溅射镀膜法
有效地解决了直流溅射中基片温 升高和溅射速率低两大难题
存在的问题： ➢ 不能实现强磁性材料的低温高速溅射 ➢ 用绝缘材料的靶会使基板温度上升 ➢ 靶子的利用率低(10%-30%)，靶表面
直流溅射沉积装置示意图
已很少用，主要因为沉积速率太低 ~ 0.1mm/min
溅射沉积速率与工作气压间的关系
➢ 溅射原子与气体原子的碰撞导致溅射原子的 散射（方向及能量无序），到达基片的几率 随极板间距增加降低。一般要确保薄膜的均 匀性，极板间距是克鲁克暗区的两倍，阴极 平面面积为基片面积的两倍。
对膜层结构的影响
膜层的晶粒尺 寸和内应力
膜层的晶 面间距
第七节 溅射方法和溅射装置
➢ 直流溅射(二极，三极，四极) ➢ 射频溅射 ➢ 磁控溅射 ➢ 反应溅射
1. 直流溅射（双极型）
电压约1－5 kV，出射 原子的速率约3-6x105 cm/s，能量约 10-40 eV， 到达基板的原子能量约 1-2eV。
第二节 溅射机制 溅射原子的联级碰撞示意图
溅射机制：
局部加热蒸发机制
动能直接传递机制
(1) 从单晶靶材逸出的原子，其分布并不符合正弦 规律，而趋向于晶体密度最高的方向；
(2) 溅射系数不仅决定于轰击离子的能量，同时也 决定于其质量；
(3) 存在其一临界能量，在它之下不能产生溅射； (4) 离子能量很高时，溅射系数减小； (5) 溅射原子的能量比热蒸发原子能量高许多倍； (6) 没有发现电子轰击产生溅射。
最新气体放电物理知识要点总结-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。
物理性污染控制各章节习题答案(全)
物理性污染控制习题答案第一章略第二章噪声污染及其控制1. 什么是噪声？噪声对人的健康有什么危害？答：从心理学出发，凡是人们不需要的声音，称为噪声。
噪声是声的一种；具有声波的一切特性；主要来源于固体、液体、气体的振动；产生噪声的物体或机械设备称为噪声源。
噪声的特点：局部性污染，不会造成区域或全球污染；噪声污染无残余污染物，不会积累。
10lg 10lg1.74 2.4DI Q ===7.已知某声源均匀辐射球面波，在距声源4m 处测得有效声压为2Pa ，空气密度1.23/kg m 。
使计算测点处的声强、质点振动速度有效值和声功率。
解：2222,,,000,0p p D V e e I Dc D W IS W S p u S p cu S e e e c c S t p u e u u e e c ρρρ=======∆==8.在半自由声场空间中离点声源2m 处测得声压的平均值为88dB ，（1）求其声功率级和声功率；（2）求距声源5m 处的声压级。
解：（1） 按球面波考虑、解倍频程F=0.3治理前响度指数分别为N 1=18（sone ），N 2=50（sone ），N 3=55（sone ），N 4=50（sone ），N 5=30（sone ）治理后N 1=10（sone ），N 2=23（sone ），N 3=29（sone ），N 4=23（sone ），N 5=22（sone ）治理前总响度max max =()i N N F N N +-∑前=55+0.3⨯(18+50+55+50+30-55)=99.4(sone)治理后总响度max max =()i N N F N N +-∑后=29+0.3⨯(10+23+29+23+22-29)=52.4(sone)响度下降百分率为N -N99.4-52.4=100%=100%47%N 99.4η⨯⨯=后前前（1） 0.199.79.98.37.6 6.58.47.2110lg 1010lg(1010101010101010)101.6()pi n L p i L dB ===+++++++=∑查图2-12其工作4h ，在86dB （A ）的噪声下工作2h ，问谁受到的危害大？解乙接受的等效声级为甲为82db(A)，所以乙的危害大。
辉光放电
E 4 d 2U 4( ) 0 dx2
• 空间复合0
乱向运动为主
无雪崩式电离过程
快电子碰撞电离带电粒子
电子温度 快电子碰撞电离双极性扩散引起 的带电粒子损耗
发光:
• 靠激发原子而不是复合
• 发光强度 I
第五章：辉光放电
5.4 正柱区 : 传导电流
5.1 辉光放电的产生 典型条件： • 电场是均匀的 • 气压适中: 200kPacm>pd>(pd)min ----一般辉光放电：p=4-14kPa ----pd>200kPacm, 弧光或火花放电 • 足够容量的电源(电源电压, 限流电阻): I >mA， Us>Ub
外貌和参量分布
第五章：辉光放电
Ws-e<Ue
或
Ui
激发或电离
• E 很弱 缓慢加速电子
阴极部分
5.2 组成及特性—定性分析 正柱区: 均匀光柱或层状光柱 • 等离子区 n+=n• 正离子速度慢, 电子速度快 电子流 >>正离 子流
正离子和电子的负空间电荷达到平衡
• E: 远小于阴极区(几个数量级) • 当E/p很小时，乱向速度 >>um 阳极区: • 阳极附近负空间电荷 E 阳极位降 • 慢电子 电子速度 激发或电离
f
(E)
B
AeE/ p
p
0
1)阴极区带电粒子的产生 C 与正离子速度无关
和消失
电子和正离子没有空间复合
( E很大 ue 和 u很大)
带电粒子的消失主要在电极上
2) 阴极区带电粒子运动
u KE (仅当E在大范围均匀时才正确)
3) 阴极区电场分布
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。
辉光放电(Glowdischarge)
第六章、辉光放电（Glow discharge）辉光放电是放电等离子体中最常见的一种放电形式，应用也最广泛。
比如，一般的气体激光器（He-Ne 激光器、CO2激光器等）、常用光源（荧光灯）、空心阴极光谱灯等。
同时辉光放电也是放电形式中放电最稳定的放电形式，所以有必要对辉光放电进行较为详细的讨论。
§6.1 辉光放电的产生及典型条件最简单的辉光放电的结构如图6.1（a）。
调节电源电压E或限流电阻R，就会得到如图6.1（b）的V-A特性曲线。
管电压U调节到等于着火电压U b时，放电管内就会从非自持放电过渡到自持放电，此时，放电电流I会继续增大，管压降U下降，进入辉光放电区。
放电管发出明亮的辉光，其颜色由放电气体决定。
限流电阻R应比较大，以保证放电稳定在辉光放电区。
如果限流电阻R很小，放电很容易进入弧光放电区。
辉光放电的特点：比较高的放电管电压U(几百~几千V)，小的电流I（mA量级）；弧光放电的特点：很低的放电电压U（几十V），大电流放电I（A量级甚至更大）。
辉光放电的典型条件：①放电间隙中的电场分布比较均匀，至少没有很大的不均匀性；例如He-Ne激光器的放电管内电场近似均匀。
②放电管内气体压强不是很高，要求满足（Pd）Ubmin＜Pd＜200Kpa cm（巴邢曲线的右支），d---放电管内电极间距，（Pd）Ubmin--巴邢曲线最低点U bmin对应的Pd值。
一般P=4Pa~14Kpa时，可出现正常辉光放电，而Pd＞200Kpa cm时，非自持放电通常会过渡到火花放电或丝状放电；③放电回路中的电源电压和限流电阻准许放电管的放电电流工作在mA量级，且电源电压应高于着火电压U b，否则不能起辉。
§6.2 辉光放电的组成区域和基本特征对于一对平行平板放电电极，典型的辉光放电外貌如图6.2(a)。
从阿斯顿暗区到负辉区称为阴极位降区或阴极区。
下面对各放电区一一进行介绍。
1、阿斯顿暗区（Aston Dark Space）：它是仅靠阴极的一层很薄的暗区，是有Aston首先在H2、He、Ne放电中观察到的放电暗区，所以称为阿斯顿暗区。
辉光放电
低温等离子体什么是低温等离子体低温等离子体的产生方法低温等离子体的应用领域什么是低温等离子体？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(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。
反过来，我们可以把等离子体定义为：正离子和电子的密度大致相等的电离气体。
从刚才提到的微弱的蜡烛火焰，我们可以看到等离子体的存在，而夜空中的满天星斗又都是高温的完全电离等离子体。
据印度天体物理学家沙哈(M·Saha，1893-1956)的计算，宇宙中的99.9%的物质处于等离子体状态。
而我们居住的地球倒是例外的温度较低的星球。
此外，对于自然界中的等离子体，我们还可以列举太阳、电离层、极光、雷电等。
在人工生成等离子体的方法中，气体放电法比加热的办法更加简便高效，诸如荧光灯、霓虹灯、电弧焊、电晕放电等等。
在自然和人工生成的各种主要类型的等离子体的密度和温度的数值，其密度为106（单位：个／m3）的稀薄星际等离子体到密度为1025的电弧放电等离子体，跨越近20个数量级。
其温度分布范围则从100K的低温到超高温核聚变等离子体的108-109K （1-10亿度）。
温度轴的单位eV(electron volt)是等离子体领域中常用的温度单位，1eV=11600K。
通常，等离子体中存在电子、正离子和中性粒子(包括不带电荷的粒子如原子或分子以及原子团)等三种粒子。
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(CGSE) (V -1 )
(A -1 )
--符合相似律 --适用于任何气体，任何阴极 右支—反常辉光放电 H点—正常辉光放电 左支—过渡区
第五章：辉光放电
5.3 阴极位降区 正常辉光放电 ---反常辉光放电阴极区的分析 • 最小值 ---Umin 左支----- jC UC : 局部: jC UC jC 总体: UC =C n + jC UC 空间电荷, jC jtotal UR UC jC较小的其它部分，电子雪崩 +SC 或 jC 放电不能维持 因此，放电集中到阴极表面的一部分
第五章：辉光放电
5.1 辉光放电的产生 典型条件： • 电场是均匀的 • 气压适中: 200kPacm>pd>(pd)min ----一般辉光放电：p=4-14kPa ----pd>200kPacm, 弧光或火花放电 • 足够容量的电源(电源电压, 限流电阻): I >mA， Us>Ub
外貌和参量分布
第五章：辉光放电
5.5 各种类型的辉光放电 正常辉光放电 • Ua和j=C 以及 AI 过渡区 • 径向扩散 带电粒子损耗 阴极电流密度j 发光 • Ua 维持放电 反常辉光放电 • j Ua 能量损失(阴极区) 阴极区厚度 ER 阴极溅射
---快电子+中性粒子足够的电离 补偿带电粒子在管壁上的消失
kT e
1
eU i
ln(0.038 pU i R
1 Te ln( pR)
M) 4m
电流密度很小(j<10-4A/cm2): 带电粒子密度小, 管壁损耗为主
损耗E轴向,
j E轴向
第五章：辉光放电
5.4 正柱区 : 传导电流 肖特基正柱理论范围之外:
2 2.405 2 Da R
ex
1
1.2 107 (cpR)2
x2
1
c
Hale Waihona Puke [Ui2
1
]2
Ki p
[CGSE - Torr]
第五章：辉光放电
5.4 正柱区 : 传导电流
肖特基正柱理论----轴向电场强度E
• 能量平衡关系:
eEue
f
mv2 2
ve e
N0
Nr N0
U
1.7 R
e R kTe
e
R ln(
1.7e
)
Te UR E0=0 r Ur Er
第五章：辉光放电
5.4 正柱区 : 传导电流 肖特基正柱理论范围之外:
气压很低: e>R, 双极性扩散理论不成立 ---快电子管壁 表面负电荷 u正离子 + 一部分电子被拒斥回 到气体中n+=n- 管壁复合
--d d/e
--d<dn
为保持I不变, Ua
pd<pdn: 阻难辉光放电发生
• 阴极溅射明显比正常辉光放电严重
第五章：辉光放电
5.5 各种类型的辉光放电 高气压辉光放电 • p>1大气压, 辉光放电仍然可以发生 • p dn 法拉第暗区很难辨认 • 阴极区气体温度 T • 为避免向弧光放电过渡，必须冷却阴极 • I 很大, 轴线上气体温度可达5000-6000K 正柱区收缩成明亮细线
x E E0 (1 dc )
第五章：辉光放电
5.3 阴极位降区 Uc=f(jc)
1
1
(C1Uc )3
1
1
S (C1Uc )3 (C2
1
j)3
(C2 jc )3
C1
2A B ln(1
1
)
γ
4π ln(1 1 )
C2
γ 1
AB2(K p)( 1 γ) p2
第五章：辉光放电
5.3 阴极位降区 实验结果: • I阴极斑点面积 , jc和 Uc=常数 • 当阴极斑点盖满整个阴极: I Uc • pdn=常数 (dn—阴极位降区厚度) • jc/p2=C Uc=f(jc)---与 p 和 dn有关
第五章：辉光放电
5.3 阴极位降区
• 厚度最厚
•
碰撞能量损失 变暗
Ws-e<Ue
或
Ui
激发或电离
• E 很弱 缓慢加速电子
阴极部分
5.2 组成及特性—定性分析 正柱区: 均匀光柱或层状光柱 • 等离子区 n+=n• 正离子速度慢, 电子速度快 电子流 >>正离 子流
正离子和电子的负空间电荷达到平衡
• E: 远小于阴极区(几个数量级) • 当E/p很小时，乱向速度 >>um 阳极区: • 阳极附近负空间电荷 E 阳极位降 • 慢电子 电子速度 激发或电离
Uc=f(jc) 假设：
f
(E)
B
AeE/ p
p
0
1)阴极区带电粒子的产生 C 与正离子速度无关
和消失
电子和正离子没有空间复合
( E很大 ue 和 u很大)
带电粒子的消失主要在电极上
2) 阴极区带电粒子运动
u KE (仅当E在大范围均匀时才正确)
3) 阴极区电场分布
---pR 非常小 e<<R不成立 ---气压很高 正柱收缩 不适用
Da
Di Ke DeKi Ki Ke
Ki
De Ke
K i kTe e
( p low, Di De )
300(
2
)
1 2
p(
e m
)
1 2
Ui
3 2
x
1
e2 x
x eU i kTe
第五章：辉光放电
5.1 辉光放电的产生 5.2 组成及特性 5.3 阴极位降区 5.4 正柱区 5.5 各种类型的辉光放电 5.6 空心阴极放电 5.7 阴极溅射 5.8 辉纹及带电粒子产生的不稳定性
第五章：辉光放电 辉光放电电路
第五章：辉光放电 5.1 辉光放电的产生
发光:
• 靠激发原子而不是复合
• 发光强度 I
第五章：辉光放电
5.4 正柱区 : 传导电流
肖特基正柱理论(e<<R) : • 带电粒子径向分布:
---麦克斯韦速度分布
---电子碰撞电离 带电粒子
---双极性扩散 带电粒子的消失
---平衡状态: dN消失=dN电离
零阶贝塞尔函数：
第五章：辉光放电
5.4 正柱区 ---传导电流 ---形式和长度任意 ---不是辉光放电所必须
放电管直径激发 亮度 发光强度I 但对于负电性大管径 空间复合 较强的 E轴向 较亮的发光 当p为常数时, V/cm=E轴向=C 与气体种类无关
第五章：辉光放电
5.4 正柱区
2 3 4 5: E 由均匀场到畸变增加 电子雪崩区厚度
, Ua: 高 低 高
第五章：辉光放电
5.5 各种类型的辉光放电
阻难辉光放电
• d 正柱区
• d<dn, 无正柱区 • Ua 维持放电
--d Ua=C E
d 2N 1 dN
N 0
dr 2 r dr Da
Nr N0 J0 (1r)
1 2.405
Da
R
实验方法
冷探针----Nr 同心阳极---ja 发光强度---r
第五章：辉光放电
5.4 正柱区 : 传导电流 肖特基正柱理论
, Da-----f(Te)----电子温度Te ---pR带电粒子损耗 电子温度
第五章：辉光放电
5.3 阴极位降区 正常辉光放电 ---反常辉光放电阴极区的分析 • 最小值 ---Umin • 正常辉光放电: 正常电流密度jn ，正常阴极位降Un ----维持放电最佳分布; ---- Un 取决于jn 空间电荷分布 • 反常辉光放电: jc>jn 空间电荷决定的电位分布不 是最佳 dn Uc
第五章：辉光放电
5.3 阴极位降区 正常辉光放电 ---反常辉光放电阴极区的分析 • 最小值 ---Umin 右支 ------- jC UC : 局部: jC UC 总体: UC =C n + jC UC SC, jC jtotal UR Uc-total jC jC较小的其它部分，电子雪崩 +SC 或 jC 放电能够维持 因此，放电扩散到整个阴极表面
f
3kTeve 2e
稳定状态: 基于电子迁移理论--
ue
1
f2
Te
2 3
Ee f
(e k
)
ve
更精确的计算: [CGSE-Torr]
Te
Ee 2f
e
1 p
E Te 2 f
p
1
第五章：辉光放电
5.4 正柱区 : 传导电流 肖特基正柱理论 ----轴向电场强度E
第五章：辉光放电
5.4 正柱区 : 传导电流 肖特基正柱理论: --- 径向电位分布 ----双极性扩散 ----管壁表面带负电性 内电场 Er 指向管壁
Nr遵循玻耳兹曼分布 更精确的计算结果:
ua
D
N
dN dr
K Er
D
N
dN dr