等离子体化学-3PPT课件

1、第1页/共41页3.1 等离子体的主要发生方法P107图3.1气体放电法 （1） 常用的电场类型：（按电场的频率不同：直流放电，低频，高频，微观放电等） a：直流：简单易行 b：低频：1100KHz c：高频： 10100MHz ，属于无线电波频谱范围，故称射频放电(RF放电)，常为13.56MHz. d：微波：超过1GHz ,(MW放电为2450MHz ) ，它能导致电子回旋共振，增加放电频率，有利于提高工艺质量。第2页/共41页（2） 主要放电形式P109图3.2， P111表3-1第3页/共41页（3）电场和气压对等离子体的性质的影响P111 图3.3。 a：注意:在低压，强电场条件下，

2、电流密度 小时容易产生辉光放电，电流密度增大到一定值后过度到弧光放电。 b：若一个大气压或更高的气压下，可不经过辉光放电直接从电晕放电过度到弧光放电。（4） 等离子体温度与气压的关系：P112图3.4第4页/共41页射线辐照法光电离法 第5页/共41页激光等离子体（激光诱导） 只要光子的能量之和之和大于或等于电离能，电离过程便能发生。 注意：由于单光子能量小于原子，分子的电离能，如红宝石激光器的波长是0.69m，单光子能量只1.78ev，因此单光子电离是不可能的。 P114 表3-2给出光子数s值。第6页/共41页热电离法：主要由相互碰撞引起电离MeAMA第7页/共41页3.2汤生放电理论 汤

3、生第一电离系数：1：汤生第一电离系数：在放电过程中，设每个电子沿电场方向移动1cm距离时与气体分子或原子碰撞所产生的平均电离次数为,则叫汤生第一电离系数.第8页/共41页2:影响的因素:(1):电子从电场中获取的能量在每次碰撞中损失怠尽。(2):若电离的几率只取决于电子能量时: a: E电子能量 E电离能,电离几率为1。 这时引入自由程 ,即电子行进1cm距离时与气体分子的碰撞次数为: eeN1第9页/共41页第10页/共41页第11页/共41页第12页/共41页电子数目增长函数第13页/共41页第14页/共41页（4） 自持放电和非自持放电：P124 从上分析可知，不论取何值，若i0 不存在

4、时，即i0 = 0（外界电离剂停止作用）有i0 = 0，即放电停止。这为非自持放电。 要进行自持放电，必需要有除电子碰撞电离机制外的其他因素。第15页/共41页自持放电条件和自持电流 在图3.2中（P109）当伏安曲线越过击穿点B时，外界电离剂停止后，也可放电，这为自持放电。P124的解释 。一:正离子子碰撞引起的电离，即过程 a：是正离子碰撞电离系数，指一个离子在电场方向1cm行程中与气体分子碰撞所产生的平均电离次数，按图3.8描述P122。第16页/共41页 b ： 当 x 面 所 在 位 置 为 x 处 时 ， 圆 筒 中 单 位 时 间 内 流 向 阳 极 的 电 子 数 为 ：n=n

5、0+np+nq,其中n0为外界电离剂单位时间,单位面积发射的电子数, np是在0 x区间内的圆筒部分中产生的电子数, nq是在xdx区间内产生正离子数,同时产生nq个电子。第17页/共41页c:下面分析电子和离子对电离的贡献:1:电子对dx间: 将有n0+np个电子从左向右进入dx中,这时碰撞电离为n0+npdx2: 离子对dx间: 另外有nq个正离子从右向左进入内,由这些离子产生的电离为nqdx第18页/共41页3:单位时间在xdx区间内产生的总电子数为(np的增量)： 消去上式中的nq可得: (3.23)P125 dxnnndnqpp0qpnnnn0dxnnndnpp0第19页/共41页4

6、:考虑到初始和边界: x=0时， ； 积分上式整理得 ： 即为单位时间到达单位阳极面积上的电子数。 讨论:当令0, 得到 与前面仅考虑到电子碰撞时结果一致。0pn0nnndxp 时 (3.25) ddnnexpexp0denn0第20页/共41页5:自持放电的判断根据:若所有粒子是一级电离且漂移速度相同,那么电流密度为:由 （3.26）（*）式中 为电流密度倍增率.当分母为0时,i为无限大,这就是自持放电的判据; 即 （3.27） 或者记为： （3.28）ddsnsnsniexpexp0得0ii0expdddee第21页/共41页 (*) 实验知:在同一电场同一长度上电子碰撞电离要比分子碰撞电

7、离步频繁得多。即, 这时(3.25)(3.26)可变为: （3.29） 要达到击穿,即为自持放电时: ，由于离子引起的 效应较小，仅靠 过程远不能满足自持放电要求。 ddeeiinn100de第22页/共41页二:阴极发射二次电子的作用:1: i ：正离子轰击阴极时，阴极发射二次电子的几率为i ；设n0为电离剂的初始电子, 为 i 效 应 后 阴 极 发 射 的 总 电 子 ， n 为 到 达 阳 极 的 电 子数： 。 整理得: （3.30）0/n000nnnniiinnn100第23页/共41页 2:因为，将正离子碰撞电离略去不计,利用(3.17)式,有： （3.31） 将(3.30)代入

8、(3.31)整理得到为: （3.32） 同理可得: （3.33） 与前面讨论过程中的电流时条件相似,即上式分母为0时，i将无限大,即 这样得到自持放电条件为: （3.34）denn0110dideenn110dideeii011die11 die第24页/共41页P127物理意义第25页/共41页第26页/共41页3.3 帕邢定律 气体击穿电压与放 电条件的关系气体击穿电压:1:气体击穿电压VB是放电开始所必需的最低电压。 在一定的放电气压范围内, VB是气压和极间 距离乘积的函数,即: VB = - 帕邢定律 P128图3.9 -几种气体放电的帕邢曲线.2:从中可见, VB存在一极小值。 从

9、中还可见:p ， d ,反应p ，d 。pdf第27页/共41页帕邢定律表达式由P128(3.37)式的击穿判据整理得: （3.38）又由(3.6)式： ，在击穿时，E是击穿电压EB, 且 ， 这样可将(3.38)式变为: （3.39） 11ln1dPEBApexpdVEBB)11ln(expApVBpddB第28页/共41页设为常数, （3.40） 这就是帕邢定律的表达式，其中为汤生第二电离系数。讨论 :1:在低气压下气体分子数少,则电子平均自由程大,即大部分电子并未跟气体分子发生碰撞便非抵阳极了,这时只有增大电压VB,产生足够多的电离以使气体击穿。且 11lnlnApdBpdVB越越，BVp第29页/共41页2:在高压下,分子数多, 小,电子与气体分子碰撞频繁,即电子难以获得足够能量引起电离.这时也需要提高电压,即3:气体击穿电压极小值:对(3.40)的(pd)求微商令为0,得到VB取极值的