第4章 气体放电和低温等离子体

1、第四章第四章 气体放电和低温等离子体气体放电和低温等离子体 1 q 带电粒子在电磁场中的运动带电粒子在电磁场中的运动 q 气体原子的电离和激发气体原子的电离和激发 q 气体放电发展过程气体放电发展过程 q 低温等离子体概述低温等离子体概述 q 低温等离子体的产生辉光放电低温等离子体的产生辉光放电 q 弧光放电弧光放电 q 高频放电高频放电 q 低压力高密度等离子体放电低压力高密度等离子体放电 2 4.1带电粒子在电磁场中的运动带电粒子在电磁场中的运动 FqEma 电子经过电势差为电子经过电势差为U U所得到的能量变成动能。所得到的能量变成动能。 2 1 2 2 mveU eU v m 故电子与

2、电势差的关系 1、平行电场、平行电场 3 2、径向电场、径向电场 两个同轴圆柱电极，两极之间的 电场是径向的。则其强度为： 12 2 1 1 ln r UU E r r r 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： 0 2 0 0 () rr r mv E er 若电子以横向速度v1v0,则电子的运动轨迹不为圆周。 4 当带电粒子沿磁场方向运动时当带电粒子沿磁场方向运动时: : 0 v 0 v F 粒子作匀速直线运动。粒子作匀速直线运动。 1、均匀磁场、均匀磁场 当带

3、电粒子的运动方向与磁场方向当带电粒子的运动方向与磁场方向 垂直时垂直时: : 粒子在磁场中做匀速圆周运动。粒子在磁场中做匀速圆周运动。 周期和角频率只与周期和角频率只与B B有关。有关。 正离子回转方向与电子方向相反，正离子回转方向与电子方向相反， 且回转半径大、角速度小、周期长且回转半径大、角速度小、周期长 qB mv R 0 qB m v R T 2 2 0 m qB T 2 5 qB m T 2 （3 3）如果如果 与与 斜交成斜交成 角：角： B 0 v 粒子作螺旋运动粒子作螺旋运动， h R B 0 sinmv R qB 螺距螺距 h: qB mv v R vTvh cos22 0

4、/ / v v0 v 6 2、非均匀磁场、非均匀磁场 带电粒子在非均匀磁场中向磁感应强度增加的方向运动 7 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。 1、正交均匀电磁场、正交均匀电磁场 E u B Y方向前进的漂移速度：方向前进的漂移速度： 2 mEeB R eBm 旋轮半径和旋转角频率旋轮半径和旋转角频率 8 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 电场力电场力，轴向磁场产生的洛洛 伦兹力伦兹力，还有离心力离心力。 横向力只有轴向磁场产生的 洛伦兹力洛伦兹力。电子

5、和粒子的运 动轨迹如图所示。 2、径向电场和轴向磁场、径向电场和轴向磁场 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。 9 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。 2、径向电场和轴向磁场、径向电场和轴向磁场 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两次碰撞间平均完成 旋转的圈数旋转的圈数，称为霍耳系数，是重要的等离子体参数。 10 圆筒形阳极和中心轴阴 极构成电极结构，两电 极间加电场电场。在轴向有 与电场垂直的外加磁场磁场

6、。 1、磁控管、磁控管 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。 11 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，称为电子回回 旋共振。旋共振。 2、电子回旋共振（、电子回旋共振（ECR） 电子回旋频率与磁场B的关系为： 10 2.8 10fB 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运动的能量辐射等， 电子获得的动

7、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（高密度的等离子体）。 12 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。 1、弹性碰撞和非弹性碰撞、弹性碰撞和非弹性碰撞 4.2 13 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，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。 1、弹性碰撞和非弹性碰撞、弹性碰撞和非弹性碰撞 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。 14 入射粒子向目标粒子的能量 转移比率：

8、2、二体弹性碰撞的能量转移、二体弹性碰撞的能量转移 2 2 2 2 1 4 2 cos 1 2 tt tit i it ii mu Emm E mm mv 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（=0时），轻粒子被碰撞后的 速度为入射重粒子速度的两倍。 非常轻的粒子碰撞非常重的粒子（=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。 二体弹性碰撞 能量传递系数： 2 4 it it mm mm 15 目标粒子内能与入射粒子 动能之比的

9、最大值： 3、非弹性碰撞的能量转移、非弹性碰撞的能量转移 2 2 cos 1 2 t it ii mU mm mv 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 t it m mm 二体非弹性碰撞内能 传递系数： 16 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；

10、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。 17 产生带电质点的物理过程称为电离，是。 电离：电离：若原子从外界获得的能量足够大，以致使一个或几 个电子摆脱原子核的束缚形成自由电子和正离子，这一过 程称为电离。电离所需的能量称为，通常用电子 伏(eV)表示，有时也用电离电位Ui表示， Ui = Wi /e (e为电 子的电荷量)。 J106 . 1C106 . 1V1eV1 1919 18 碰撞电离碰撞电离 光电离光电离 热电离热电离 潘宁电离潘宁电离 亚稳原子间的电离亚稳原子间的电离 金属表面电离金属表面电离 电极表面带电质点的产生电极表面带电质点

11、的产生 电极空间带电质点的产生电极空间带电质点的产生 （空间电离）（空间电离） 19 为维持辉光放电， 最为重要的碰撞即 为电子碰撞电离。 1、电子碰撞电离过程、电子碰撞电离过程 电离碰撞产生2个电子，在电场中加速，直 到下一次碰撞电离。依靠这种反复发生的过 程维持辉光放电。 2eAAe 20 2 1 2 i mveExW i U x E 条 件 ： 电子或离子在电场作用下加速所获得的动能与质点的电荷 (e)、电场强度(E)以及碰撞前的行程(x)有关，即： 高速运动的电子与中性的原子或分子碰撞时，如原子或分子 获得的能量等于或大于其电离能，则会发生电离，这种由碰 撞而引起的电离称为碰撞电离碰撞

12、电离。 21 电子与原子碰撞的截面与 原子的几何截面有关，而 碰撞电离的有效截面还与 电子的能量有关。 2、碰撞电离有效截面、碰撞电离有效截面 22 2、碰撞电离有效截面、碰撞电离有效截面 在离子气相沉积中，为了提高沉积层原子的离化率，不一定追 求高的加速电压，按上两图中曲线最大值出现的位置可知，当 电子获得几十到两百左右的eV能量时，电离几率最大。 e eii e i SZ f Z f 为单位路程电子与气体分子碰撞的平均次数，即平均自由程的倒数。 为产生电离的碰撞占总碰撞次数的比例，称为碰撞电离几率。 23 由光辐射引起的气体分子的电离过程，称为光电离。 若光子能量大于气体分子电离能，则可能

13、引起气体分子的 光电离。 3、其他电离方式、其他电离方式 光电离：hAA 24 阈值能量 极限波长 热电离 气体在热状态下引起的电离过程称为热电离。 热电离本质：高速运动的气体分子的碰撞电离和光电离，只 不过能量不是来自电场而是气体分子本身的热能。 气体分子平均动能与分子温度的关系： 3 2 WkT 波尔茨曼常数 1.3810-23J/K 热力学温度 热电离实质上是热状态产生的碰撞电离和光电离的综合。 3、其他电离方式、其他电离方式 25 潘宁电离 若混合气体中甲气体的亚稳激发态能高于乙气体的电离能， 则会出现潘宁电离，可使混合气体的击穿强度低于这两种气 体各自的击穿强度。 从绝缘的观点看，潘

14、宁效应是很不利的；但在气体放电应用 中，如在电光源和激光技术中，则常常利用潘宁效应。 3、其他电离方式、其他电离方式 * ABABe 在离子气相沉积中，潘宁电离非常重要。离子沉积中通常通 入保护气体或反应气体，如氩气、氮气等。氩气的亚稳激发 电位是11.55 eV，多数沉积元素是金属或其化合物，金属的 电离电位是710 eV。当氩的亚稳原子与金属原子相互作用 时，产生潘宁电离，提高金属的离化率。 26 中性亚稳原子之间的碰撞电离 3、其他电离方式、其他电离方式 受某一激发能激发的中性亚稳原子之间发生碰撞，若二者 能量之和大于其中某一中性粒子的电离能，则可引起电离。 中性亚稳原子激发能量之和同B

15、的电离能之差变为电子的动 能。 * ABABe 27 一些金属的逸出功 金属逸出功 铝1.8 银3.1 铜3.9 氧化铜5.3 电子从金属电极(阴极)表面逸出来的过程称为电极表面电离。 使阴极释放电子需要的能量: 逸出功逸出功。 逸出功与金属的微观结构和表面状态有关, 与金属温度无关。 金属表面逸出功比气体电离能小很多，因此电极表面电离在气 体放电过程中有相当重要的作用。 3、其他电离方式、其他电离方式 电极表面电离或金属表面电离 28 正离子撞击阴极：正离子能量传递给阴极，不小于2倍金 属表面逸出功时发生电离。 光电子发射：金属表面受到短波长光照时，光子能量金 属表面逸出功时，可造成电离。

16、强场发射：在阴极附近施加强电场可使阴极释放电子。在 真空的击穿过程中，具有决定性的作用。 热电子发射：加热阴极，使电子获取足够动能，克服金属 表面逸出功。 29 电子与常态原子A发生非弹 性碰撞，A中的电子吸收了 入射电子的能量后，从低能 级跃迁到高能级，破坏了原 子的稳定状态称为激发态， 该原子称为受激原子。 1、电子碰撞激发、电子碰撞激发 亚稳原子：受激原子如果不能以辐射光量子的形式自 发的回到正常的稳态，而是停留时间较长，达到10-4 秒到数秒，这种激发态称为亚稳态，其激发原子称为 亚稳原子。 * AeAe 30 2、电子碰撞激发截面、电子碰撞激发截面 由于分子可能发生振动激发及旋转激发

17、，因此其阈值比原子小。 31 3、其他激发方式、其他激发方式 光致激发光致激发 * * hAA A 为受激原子 当光子能量超过原子的激发阈值 时，会引起原子激发。 离子碰撞激发离子碰撞激发 * * BAAB A 为受激原子 具有一定动能的离子与原子碰撞 时，可以引起原子激发。 32 4、亚稳原子在气相沉积中的作用、亚稳原子在气相沉积中的作用 亚稳原子在离子气相沉积中，既可提高沉积原子的能 量，又可产生累积电离，提高离化率。 亚稳原子是长寿命的受激原子，它的作用首先是使逐 次跃迁和累积电离的可能性增加；另一个重要作用是 进行第二类非弹性碰撞，如前面提到的潘宁电离、中 性亚稳原子之间的碰撞电离等。

18、 33 电子被原子、分子等捕获形成负离子的过程叫做附着，反 之，电子被负离子放出的过程叫离脱。 附着过程发生的几率，与中性粒子（原子、分子）对电子的亲 和力（电负性）有关。电负性气体分子捕获电子的能力除与气 体性质有关外，还与电子的动能有关，电子速度高时不容易被 捕获，因此电场强度很高时电子附着率很低。 34 激发过程产生的激发状 态，一般情况下是不稳 定的。受激原子在10-7 到10-8秒内放出所获得 的能量回复到正常状态， 放出的能量以光子形式 辐射出去。 * AAh 该过程又称退激发光。平常见到的等离子体发光，几乎 都是这种回复过程产生的。 回复是激发的逆过程回复是激发的逆过程 35 回

19、复过程放出光的波 长与核外电子从较高 能级返回较低能级的 能量差有关。这对原 子、分子来说是固有 的。因此，对等离子 体的发光光谱进行分 析，可以确定等离子 体中激发原子的种类。 36 解离是由几个原子组成的分子分解为单个原子的过程。通过 非弹性碰撞，分子若能获得大于其结合能的能量，可以实现 解离。 一般工程用等离子体中，这种解离过程以及前述的激发过程 和后面复合过程，都可以形成激发态的亚稳原子。利用这些 亚稳原子可以进行等离子体刻蚀和等离子体化学气相沉积等。 hABAB eABABe CABABC 实现解离的方法主要有： 37 带异号电荷的质点相遇，发生电荷的传递和中和而还原为中 性质点的过

20、程，称为复合。复合是电离的逆过程。 38 39 带电粒子除了进行上述的空间复合之外，还可能在器壁上复合 或者进入电极消失。 电子进入阳极：电子在电场作用下进入阳极，电子的 动能转变为热能，使阳极升温或者激发出二次电子。 正离子进入阴极：正离子从阴极拉出电子与其复合成 中性原子。正离子轰击阴极，其能量转变为热能，使 阴极升温或者激发出二次电子。这是维持气体放电的 关键。 负离子到达阳极放出一个电子变为中性粒子。 带电粒子在器壁上复合：带电粒子在器壁上碰到一起 很容易复合，多余的能量使器壁升温。 40 4.3 气体放电发展过程气体放电发展过程 41 电介质：电介质：不导电或导电率极小的物质。例如：

21、空气、橡胶、 纯净水。 电介质击穿：电介质击穿：电介质变为导电通道的现象。 气体放电：气体放电：气体电介质的击穿现象。 自持式放电、非自持式放电：自持式放电、非自持式放电： 将真空容器抽真空至10-1Pa的某一压强时，接通相距d的两 个电极间的电源，使其电压逐渐上升。当电压低时，基于宇宙 线及存在于自然界的极微量放射性物质射线引起的电离，电路 中仅流过与初始电子数相当的暗电流暗电流。随着电压增加，当加速 电子能量大到一定值之后，与中性气体分子或者原子碰撞使之 电离，于是电子数按等比级数迅速增加，形成电子繁衍过程， 称为雪崩式放电过程雪崩式放电过程。但此时的放电属于非自持式放电过程非自持式放电过

22、程， 其特点是，若将原始电离源出去，放电立刻停止。若将原始电 离源去掉放电仍能维持，称为自持式放电过程自持式放电过程。 42 过程：过程：电子在电场作用下，向阳极 加速运动，超过一定能量值后，与气 体分子发生碰撞电离。一个电子产生 了两个电子，重复这一过程，实现了 电子的繁衍。定义为电子对气体的 体积电离系数，即每个电子从阴极到 阳极的繁衍过程中，单位距离所增加 的电子数。 过程：过程：离子在阴极位降的作用下， 轰击阴极，产生电子，即二次电子。 以电子为火种，引起后续的过程， 继而继续产生电子。达到一定条件， 即使没有外界因素产生的电子，也 能维持放电进行，即放电进入自持 状态。 43 要达到

23、自持放电的条件，必须在气隙d内初始电子崩消失前产 生新的电子（二次电子）来取代外电离因素产生的初始电子。 (e1)1 d 均匀电场中自持放电的 条件（汤生放电理论）： 物理意义：一个电子自阴 极逸出后产生的各种直接 和间接过程将使阴极再发 出一个电子，使得气体放 电转为自持式放电。 该式为自持式放电的起始条件，此时对应的电压为击穿电压。 44 汤生理论的实质：汤生理论的实质： 气体间隙中发生的( 电子雪崩)。 二次电子来源于正离子撞击阴极表面逸出电子， 。 所逸出的电子能否接替起始电子的作用是自持放电的判 据。 适用条件：均匀电场，低气压，短气隙。适用条件：均匀电场，低气压，短气隙。 45 1

24、889年，帕邢（Paschen）从大量实验中总结了击穿电压 Uz 与 pd 的关系，称为帕邢定律。 当气体和电极材料一定时，气隙的击穿电压是气体压力 p 和气隙距离 d 乘积的函数，即： 46 对应于某一 pd 值，空气间隙的击穿电压最低，即Uz有极小值。 帕邢定律与汤生理论的关系：帕邢定律与汤生理论的关系： 前者为后者提供实验结果支持；后者为前者提供理论依据。 47 48 不均匀电场中，气隙中的最大场强比平均场强大的多。外加 电压较低时，曲率大的电极附近电场强度已足够大，可引起 强烈的电离，在这局部的强场区形成放电。这种仅仅发生在 强场区的局部放电称为电晕放电电晕放电。 电晕放电是极不均匀电

25、场特有的一种自持放电形式。 大曲率电极附近很小的区域内场 强足够高，会发生电离。电离区 中的复合过程和从激发回复正常 态等过程，会产生大量光辐射， 形成电晕。而其他电极空间场强 太小，电离无法发生。 49 4.4 低温等离子体概述低温等离子体概述 日常生活中的等离子现象日常生活中的等离子现象 闪电闪电极光极光 太阳太阳 等离子体电视等离子体电视 50 常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。它 广泛存在于宇宙中。 广义上，等离子体可定义为：带正电的粒子与带负电的 粒子具有几乎相同的密度，整体呈电中性状态的粒子集 合体。 等离子体通常由离子、电子、基态原子或分子，激发态原 子或分子、以及由

26、分子解离而形成的活性基等基本粒子构 成。等离子体的性质是这些粒子集体行为的表现。 51 52 等离子体温度：等离子体中含有电子、离子和大量的中 性粒子或基团。当等离子体系统处于热平衡状态时遵从麦克 斯韦分布，其平均运动能量可用下式表示： 2 13 22 EmvkT 然而，低气压放电等离子体经常处于非平衡态，组 成等离子体的电子、离子和中性粒子等各自具有的 温度不同，因此等离子体的温度应区分为电子温度 Te、离子温度 Ti 和中性粒子温度 Tn 。 53 等离子体中，电子和离子的温度多数情况下都以平均动 能 表示，并以 eV 为单位，它与温度对应的关系按 习惯可以表示为： 3 2 kT 19 2

27、3 1.602 10 111600 1.38066 10 J eVK J K 在薄膜技术中，所用等离子体的电子温度一般为数十电子伏。 54 辉光放电、射频放电、低气压弧光放电产生的等离子体均属于低 温等离子体。这种等离子体中，电子能量相对较高，且因质量小， 运动速度较大，这些电子与气体分子进行非弹性碰撞，使气体电 离，产生新电子继续维持放电过程。在大多数离子气相沉积中， 一般都是部分气体和金属原子被电子碰撞电离为离子。 随着气压升高，在弧光放电中，单位时间碰撞次数增加，电子与 气体重粒子之间也会发生比较充分的动能交换，电子温度与离子 温度、气体温度（中性粒子温度）逐渐趋于相等。则等离子体由 非

28、平衡态过渡到热平衡态。 55 等离子体振荡：等离子体 中粒子的密度分布会产生起伏。 假定等离子体中电子相对于离 子发生位移，则某处的电子密 度变大，而另一处的离子密度 变大，在等离子体空间会形成 电场。电子会在该电场的库仑 力的作用下向回运动。但是由 于惯性，电子会越过平衡位置， 又会再次受到反方向的库仑力 作用，因此电子将以某个特征 频率围绕着平衡位置振荡，叫 做等离子体振荡。 等离子体振荡分为等离子体电子振荡和等离子体离子振荡。 56 等离子体振荡频率：是指等离子体内部对发生电场产生屏蔽 作用的时间响应尺度。 等离子体离子振荡频率一般远小于等离子体电子振荡频率。 1 2 2 4 e pe

29、e n e m 等离子体电 子振荡频率 1 2 2 4 i pi i ne m 等离子体离 子振荡频率 57 例如：若电磁波入射电离 层等离子体中，如果电磁 波的频率比等离子体的频 率高得多，电子来不及响 应，则电波能穿过电离层 而传输。使用这种频率的 电磁波，可以进行地球与 人造卫星之间的通信。 如果电磁波的频率低于等 离子体的频率，地球上发 出的电磁波被电离层发射， 可以进行全地球表面的远 距离通信。 58 德拜长度：是指等离子体内部对电场产生的空间屏蔽效应。 或者说等离子体中带电粒子的库仑力作用范围是有限的 当系统的几何限度远大于德拜长度时，系统内包含的电离气 体才能被看成等离子体。这时

30、净电荷仅在小于德拜长度内存 在，而在其外的等离子体是宏观电中性的。所以德拜长度表 示了维持等离子体宏观电中性的空间特征尺度。 1 2 2 e D e kT n e 德拜长度 59 德拜屏蔽：如果在等离子体中施加电场，带电粒子将起到降 低电场影响的作用。这种降低局域电场影响的响应，即等离 子体对内部电场产生的空间屏蔽效应。德拜屏蔽使等离子体 保持准电中性的特性。假设在浸入等离子体的两个表面上施 加电压，表面将吸引等量的异性带电粒子。两个表面附近积 累的带电粒子将屏蔽带电表面，使等离子体保持电中性。这 时外加电压将集中在电极表面附近的德拜长度的距离中。 60 等离子体鞘层等离子体鞘层：等离子体 虽

31、然是电中性的，但是当它 们与器壁接触时，它们与器 壁之间会形成一个薄的正电 荷区域，不满足电中性条件， 该区域称为等离子鞘层等离子鞘层。 鞘层的形成过程：等离子体被两个接地的极板包围， 这两个极板具有吸收带电粒子的功能，由于静电荷 密度为零，在各处的电场强度和电势都为零。 61 在电子上的作用力指向等离子体内部，阻止了等离 子体中的电子向器壁的运动，使电子回到等离子体 中。而对离子的作用是使进入鞘层的离子加速向器 壁运动。 由于电子的热运动速度是离子热运动速度的100倍以上，等 离子体中的电子可以迅速到达极板而消失。经过很短的时间 后，器壁附近的电子损失掉，形成一个很薄的正离子鞘层。 这鞘层中

32、 ni 远大于 ne，因此有净电荷存在、该电荷密度产生 了一个在等离子内部为正，在鞘层两侧迅速下降为零的电势 分布。因为鞘层内的电场方向指向器壁，这个电势分布是一 个约束电子的势阱，对离子而言则是一个势垒。 62 按照存在方式分： 天然等离子体：地球大气电离层、太阳、日冕、星际空间等 人工等离子体：日光灯、霓虹灯等。由人工通过外加能量如 电场、磁场、辐射、光和热能激发电离物质形成的等离子体。 按照电离度分： 完全电离等离子体：=1 部分电离等离子体：0.011。 弱电离等离子体：10-60.01。 63 4.5 低温等离子体的产生低温等离子体的产生 直流辉光放电：在低气压气体中插入两个金属电极

33、并施加直 流电压，使其电压逐渐上升到某个值时就会发现气体导电并发 光了，这就形成了直流辉光放电等离子体。 基本过程：当电压低时，基于宇宙线及存在于自然界的极微量 放射性物质射线引起的电离，气体中存在少量自由电子，电路 中仅流过与初始电子数相当的暗电流。随着电压增加，当加速 电子能量大到一定值之后，与中性气体分子或者原子碰撞使之 电离，于是电子数按等比级数迅速增加，形成电子繁衍过程， 称为雪崩式放电过程。当电子与离子的增加数与等离子体中消 失的电子和离子数相等时，放电实现了自持。气体被击穿，变 成了导电流体，同时发光，称作辉光放电。 64 进入辉光放电时，电压下降到几百伏，电流急剧增加到几毫 安

34、到几百毫安，这时的放电模式为正常辉光。产生正常放电 所需的最小电压阈值称为击穿电压。 65 直流辉光放电特性：直流辉光放电特性： 66 直流辉光放电特性：直流辉光放电特性： 67 直流辉光放电特性：直流辉光放电特性： 68 法拉第暗区法拉第暗区 直流辉光放电特性：直流辉光放电特性： 69 直流辉光放电特性：直流辉光放电特性： 70 辉光放电产生的条件：辉光放电产生的条件： 在放电开始前，放电间隙中电场是均匀的，或至少是 没有很大的不均匀性。 辉光放电过程主要靠阴极上发射电子的过程来维持。 放电气压一般需要保持在4-10-4Pa范围内。因pd不同， 击穿电压及放电状态各异。 辉光放电电流密度一般在10-1-102mA/cm2,而电压一般在 300-5000V，属于高电压小电流密度放电。与此相应， 放电回路中的电流和电阻应允许通过数百毫安的电流。 交流辉光放电：交流辉光放电： 当在放电管的两个