第二章气体放电和低温等离子体课件.ppt

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2.1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。2122mveUeUvm故电子与电势差的关系1、带电粒子在平行电场中的运动、带电粒子在平行电场中的运动2、带电粒子在径向电场中的运动、带电粒

2、子在径向电场中的运动两个同轴圆柱电极，两极两个同轴圆柱电极，两极之间的电场是径向的。则之间的电场是径向的。则其强度为其强度为12211lnrUUErrr设电子以横向速度设电子以横向速度v0在在r=r0处处进入此电场，若电子在进入此电场，若电子在r=r0处处受到的径向电场力与惯性离心受到的径向电场力与惯性离心力大小相等，方向相反，则径力大小相等，方向相反，则径向加速度为零，于是电子沿圆向加速度为零，于是电子沿圆周运动，这时电场强度为周运动，这时电场强度为0200()rr rmvEer若电子以横向速度若电子以横向速度v1v0,则电子的运则电子的运动轨迹不为圆周，如图所示。动轨迹不为圆周，如图所示。

3、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: : 当带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: :0v0vF粒子作匀速直线运动。粒子作匀速直线运动。1、带电粒子在均匀磁场中的运动、带电粒子在均匀磁场中的运动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。qBmvR0qBmvRT220mqBT2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（3 3）如果如果 与与 斜交成斜交成 角角 B0vqBmT2粒子作螺旋运动粒子作螺旋运

4、动，hRB0sinmvRqB螺距螺距qBmvvRvTvhcos220/vv0v2、带电粒子在非均匀磁场中的运动、带电粒子在非均匀磁场中的运动当电子初速度当电子初速度v0=0时，电子在时，电子在正交均匀电磁场中的运动是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。运动和磁场方向的漂移运动。运动轨迹为旋轮线。轨迹为旋轮线。1、在正交均匀电磁场中的运动、在正交均匀电磁场中的运动EuBY方向前进的漂移速度：方向前进的漂移速度： 漂移速度只与漂移速度只与E和和B有关，与有关，与q、m均无关。不管是正粒子还均无关。不管是正粒子还是负粒子，漂移方向是一样的

5、；离子和电子的漂移速度相同。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。但是正离子的旋轮半径比电子大得多，角速度小得多。2mEeBReBm旋轮半径和旋转角频率旋轮半径和旋转角频率带电粒子在径向电场中运动，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，力，轴向磁场产生的洛伦兹力，还有离心力。还有离心力。横向力只有轴向磁场产生的洛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伦兹力。电子和粒子的运动轨迹如图所示。迹如图所示。

6、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和轴向磁场中的运动电子的回转半径小，回转频率大，最后漂移到阳电子的回转半径小，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。后漂移到阴极上去。实现等离子体分离。在真空电弧中，带电粒子的轨迹很复杂。在电场作用下在真空电弧中，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。碰撞中做扩散运动。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

7、向电场和轴向磁场中的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完成旋转的圈数，称为霍耳系数，是重要的等离子体参数。数。其中， 为霍耳系数； 为回转频率； 为碰撞频率圆筒形阳极和中心轴阴极构成圆筒形阳极和中心轴阴极构成电极结构，两电极间加电场。电极结构，两电极间加电场。在轴向有与电场垂直的外加磁在轴向有与电场垂直的外加磁场。场。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，称为运动，称为电子的磁控管运动电子的磁控

8、管运动。发生这一运动的电子，在一。发生这一运动的电子，在一定条件下因回旋辐射，会发射频率为定条件下因回旋辐射，会发射频率为GHz的强电磁波的强电磁波(微波微波)。称这种微波发振管为称这种微波发振管为磁控管磁控管当磁场强度一定时，当磁场强度一定时，带电粒子回旋运动的带电粒子回旋运动的频率与速度无关频率与速度无关，因此若施加于此频，因此若施加于此频率相同的变化电场，率相同的变化电场，则带电粒子将被接力则带电粒子将被接力加速，称为电子加速，称为电子回旋回旋共振共振。2、电子回旋共振（、电子回旋共振（ECR）电子回旋频率与磁场电子回旋频率与磁场B的关系为的关系为102.8 10fB电子在满足上述条件的

9、区域运动，电子将会获得很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，大的能量， 但由于电子与其他粒子碰撞及电子回旋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，电子获得的动能并不是无限的。运动的能量辐射等，电子获得的动能并不是无限的。利用利用ECR得到的高能电子，可以获得更充分的气体得到的高能电子，可以获得更充分的气体放电。放电。弹性碰撞弹性碰撞：若电子：若电子或离子的动能较小，或离子的动能较小，当其与他原子或分当其与他原子或分子碰撞时，达不到子碰撞时，达不到使后者激发或电离使后者激发或电离的程度，碰撞双方的程度，碰撞双方仅发生动能交换。仅发生动能交换。1、弹性碰撞和非弹性碰撞

10、、弹性碰撞和非弹性碰撞2.2非弹性碰撞非弹性碰撞：若电子或离子的动能达到：若电子或离子的动能达到数电数电子伏以上子伏以上，碰撞造成，碰撞造成，例如造成，例如造成原子激发、电离、分子原子激发、电离、分子解离、原子复合及电子附着等。这样的碰撞解离、原子复合及电子附着等。这样的碰撞称为非弹性碰撞。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。态的维持至关重要。入射粒子向目标粒子的能量入射粒子向目标粒子的能量转移比率：转移比率：2、二体弹性碰撞的能量转移、二体弹性碰撞的能量转移2222142cos12

11、tttitiitiimuEmmEmmmv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。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（非常重的粒子碰撞非常轻的粒子（=0=0时），轻粒子被时），轻粒子被碰撞后的速度为入射重粒子速度的两倍。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（非常轻的粒子碰撞非常重的粒子（=0=0时），能量转移时），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，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

12、秒内传递给气体分子、原子的能量不由于碰撞频繁，每秒内传递给气体分子、原子的能量不可忽视。可忽视。二体弹性碰撞能量传二体弹性碰撞能量传递系数：递系数：24ititmmmm目标粒子内能与入射粒目标粒子内能与入射粒子动能之比的最大值：子动能之比的最大值：3、非弹性碰撞的能量转移、非弹性碰撞的能量转移22cos12titiimUmmmv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差不多，因此内能传递系数为0.50.5。即。即离子最多也是将其能量的离子最多也是将其能量的一半传递给中性原子，转换为内能一半传递给中性原

13、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，内能传递系数为相差悬殊，内能传递系数为1 1。即电子几乎是将其所有即电子几乎是将其所有的动能传递给中性原子，转换为内能的动能传递给中性原子，转换为内能titmmm二体非弹性碰撞二体非弹性碰撞内能传递系数：内能传递系数：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，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

14、中几乎不损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。子。 激励激励(激发激发)：当原子获得外部能量，一个或若干个外层电当原子获得外部能量，一个或若干个外层电子跃迁到离原子核较远的轨道上去的现象。子跃迁到离原子核较远的轨道上去的现象。激励需要外界给原子一定的能量，称为激励能。激励需要外界给原子一定的能量，称为激励能。产生带电质点的物理过程称为产生带电质点的物理过程称为电离电离(游离游离)，是，是。 电离电离(游离游离)：若原子从外界获得的能量足够大，以致使一个若原子从外界获

15、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一过程称为电离。电离所需的能量称为，通常用，通常用电子伏电子伏(eV)表示，有时也用电离电位表示，有时也用电离电位Ui表示，表示， Ui = Wi /e (e为为电子的电荷量电子的电荷量)。J106 . 1C106 . 1V1eV11919 碰撞电离碰撞电离 光电离光电离 热电离热电离 分级电离分级电离 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

16、离）为维持辉光放为维持辉光放电，最为重要电，最为重要的碰撞即为电的碰撞即为电子碰撞电离。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电离碰撞产生2个电子，在电场中加个电子，在电场中加速，直到下一次碰撞电离。依靠这速，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。种反复发生的过程维持辉光放电。2eAAe212imveExWiUxE条 件 ：电子或离子在电场作用下加速所获得的动能与质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点的电荷(e)、电场强度、电场强度(E)以及碰撞前的行程以及碰撞前的行程(x)有有关，即：关，即：高速运动的电子与中性的原子或分子碰撞时，如

17、原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生电离，这种由碰撞而引起的电离称为碰撞电离碰撞电离。即使满足碰撞电离条件即使满足碰撞电离条件,也不一定每次碰撞都引起电离也不一定每次碰撞都引起电离引入引入“平均自由程平均自由程”概念。概念。一个质点在每两次碰撞间自由通过的平均距离。一个质点在每两次碰撞间自由通过的平均距离。电子：平均自由程大，获取的动能大；质量小，弹性碰撞时几电子：平均自由程大，获取的动能大；质量小，弹性碰撞时几乎不损失动能。乎不损失动能。离子：平均自由程短，碰

18、撞间获得的动能少；碰撞时要损失动离子：平均自由程短，碰撞间获得的动能少；碰撞时要损失动能。能。电子与电子与原子碰撞的截原子碰撞的截面面与原子的几何截面与原子的几何截面有关，而有关，而碰撞电离的碰撞电离的有效截面有效截面还与电子的还与电子的能量有关。能量有关。2、碰撞电离有效截面、碰撞电离有效截面电子在气压为电子在气压为1Torr，0气体中每经过气体中每经过1cm1cm路程所产生的离子数称为路程所产生的离子数称为微分电离系数微分电离系数eeiieiSZ fZf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。曲线上升部分近似为曲线上

19、升部分近似为直线，直线斜率为常直线，直线斜率为常数数，称为，称为电离系数电离系数。表示能量为表示能量为的电子的电子在气压为在气压为1Torr，0气体中每经过气体中每经过1cm1cm路程所产生的离子数路程所产生的离子数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，当电子获图中曲线最大值出现的位置可知，当电子获得几十到一百电子伏能量时，电离几率最大。得几十到一百电子伏能量时，电离几率最大。影响碰撞电离系数的因素影响碰撞电离系数

20、的因素由光辐射引起的气体分子的电离过程，称为由光辐射引起的气体分子的电离过程，称为光电离。光电离。即当气体分子受到光辐射时，若光子能量大于气体分子电离即当气体分子受到光辐射时，若光子能量大于气体分子电离能，则可能引起气体分子的光电离。能，则可能引起气体分子的光电离。Wh普朗克常数6.6310-34Js ihcW条 件 ：频率为频率为v的光子能量：的光子能量：因为大气层的阻挡，阳光到达地面的波长因为大气层的阻挡，阳光到达地面的波长 290nm（可见（可见光波长为光波长为380780nm），因此，普通阳光照射不足以引起），因此，普通阳光照射不足以引起气体分子的光电离。气体分子的光电离。例如波长为例

21、如波长为300nm的紫外线，其光波能量为：的紫外线，其光波能量为：eV14. 4)10300/(1031062. 6/9834hcW3、其他电离方式、其他电离方式 光电离光电离hAA 热电离热电离气体在热状态下引起的电离过程称为热电离。气体在热状态下引起的电离过程称为热电离。热电离本质：热电离本质：高速运动的气体分子的碰撞电离和光电离，只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。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：气体分子平均动能与分子温度的关系：32WkT波尔茨曼常数1.3810-23J/K 热力学温度 热电

22、离实质上是热状态产生的碰撞电离和光电离的综合。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3、其他电离方式、其他电离方式 热电离热电离室温气体分子的动能只有室温气体分子的动能只有0.1eV左右，远不能引起激左右，远不能引起激发和电离，只有当气体的温度达到发和电离，只有当气体的温度达到3000K以上时，以上时，才可以观察到高速原子碰撞而引起的热激发和热电才可以观察到高速原子碰撞而引起的热激发和热电离。通常，在一个大气压以上的弧光放电的温度可离。通常，在一个大气压以上的弧光放电的温度可达达5000-6000k，可能导致热电离。可能导致热电离。而在一般低气而在一般

23、低气压气体放电中，中性气体分子很难达到如此的高温，压气体放电中，中性气体分子很难达到如此的高温，很难发生热电离。很难发生热电离。原子中电子在外界因素的作用下可跃迁到能级较高的外层轨原子中电子在外界因素的作用下可跃迁到能级较高的外层轨道，称之为道，称之为激励（激发）激励（激发），所需的能量称为，所需的能量称为激励能激励能We 。 激励能比电离能小，激励能比电离能小，原子或分子有可能在外界给予的能量小原子或分子有可能在外界给予的能量小于电离能于电离能Wi但大于激励能但大于激励能We时发生激励。时发生激励。气体电离能激励能N215.56.1O212.57.9CO213.710.0SF615.66.8

24、H2O12.77.6原子或分子在激励态再获得能量而发生电离称为分级电离，原子或分子在激励态再获得能量而发生电离称为分级电离，此时所需要能量为此时所需要能量为Wi-We。激发态不稳定，经过约激发态不稳定，经过约10-8s就会回就会回复到基态。分级电离概率小。复到基态。分级电离概率小。某些原子具有亚稳激发态，其平均某些原子具有亚稳激发态，其平均寿命较长，可达寿命较长，可达10-410-5s 。只有亚。只有亚稳激发态才会引起分级电离。稳激发态才会引起分级电离。3、其他电离方式、其他电离方式 分级电离分级电离 分级电离分级电离若混合气体中甲气体的亚稳激励态能高于乙气体的电离能，若混合气体中甲气体的亚稳

25、激励态能高于乙气体的电离能，则会出现则会出现潘宁效应（潘宁效应（潘宁电离潘宁电离），可使混合气体的击穿强度，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。低于这两种气体各自的击穿强度。 从绝缘的观点看，潘宁效应是很不利的；但从绝缘的观点看，潘宁效应是很不利的；但在气体放电应用在气体放电应用中，如在电光源和激光技术中，则常常利用潘宁效应。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，潘宁电离起着非常重要的作在离子气相沉积中，潘宁电离起着非常重要的作用。离子沉积中通常通入保护气体或反应气体，用。离子沉积中通常通入保护气体或反应气

26、体，如氩气、氮气等。氩气的亚稳激发电位是如氩气、氮气等。氩气的亚稳激发电位是11.55eV，多数沉积元素是金属或其化合物，多数沉积元素是金属或其化合物，金属的电离电位是金属的电离电位是7-10eV。当氩的亚稳原子与。当氩的亚稳原子与金属原子相互作用时，产生潘宁电离，提高金属金属原子相互作用时，产生潘宁电离，提高金属的离化率。的离化率。 中性亚稳原子之间的碰撞电离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，则可引起电解

27、。电离能，则可引起电解。中性亚稳原子激发能量之和同中性亚稳原子激发能量之和同B的电离能之差的电离能之差变为电子的动能。变为电子的动能。*ABABe一些金属的逸出功金属逸出功铝1.8银3.1铜3.9铁3.9氧化铜5.3电子从金属电极电子从金属电极(阴极阴极)表面逸出来的过程称为表面逸出来的过程称为电极表面电离电极表面电离。使阴极释放电子需要的能量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。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金属表面逸出功比气体电离能小很多，因此电极表面电离

28、在气体放电过程中有相当重要的作用。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 电极表面的电子逸出（电极表面的电子逸出（电极表面电离或金属表面电离）电极表面电离或金属表面电离）。 正离子撞击阴极正离子撞击阴极：正离子能量传递给阴极，不小：正离子能量传递给阴极，不小于于2倍金属表面逸出功时发生电离。倍金属表面逸出功时发生电离。 光电子发射光电子发射：金属表面受到短波长光照时，光子：金属表面受到短波长光照时，光子能量能量金属表面逸出功时，可造成电离。金属表面逸出功时，可造成电离。 强场发射强场发射：在阴极附近施加强电场可使阴极释放：在阴极附近施加强电场可使阴极释放电子。在真空的击穿

29、过程中，具有决定性的作用。电子。在真空的击穿过程中，具有决定性的作用。 热电子发射热电子发射：加热阴极，使电子获取足够动能，：加热阴极，使电子获取足够动能，克服金属表面逸出功。仅对电弧放电有意义。克服金属表面逸出功。仅对电弧放电有意义。电子与常态原子电子与常态原子A A发生非发生非弹性碰撞，弹性碰撞，A A中的电子吸中的电子吸收了入射电子的能量后，收了入射电子的能量后，从低能级跃迁到高能级，从低能级跃迁到高能级，破坏了原子的稳定状态破坏了原子的稳定状态称为称为激发态，激发态，该原子称该原子称为为受激原子。受激原子。1、电子碰撞激发、电子碰撞激发亚稳原子亚稳原子：受激原子如果不能以辐射光量子：受

30、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，而是停留时的形式自发的回到正常的稳态，而是停留时间较长，达到间较长，达到10-4秒到数秒，这种激发态称秒到数秒，这种激发态称为为亚稳态亚稳态，其激发原子称为亚稳原子。，其激发原子称为亚稳原子。*AeAe2、电子碰撞激发截面、电子碰撞激发截面3、其他激发方式、其他激发方式 光致激发光致激发*hAAA为受激原子 离子碰撞激发离子碰撞激发*BAABA为受激原子当光子能量超过原子的激发阈值当光子能量超过原子的激发阈值时，会引起原子激发。时，会引起原子激发。具有一定动能的离子与原子碰撞具有一定动能的离子与原子碰撞时，可以引起原子激发。时，可以引起原子

31、激发。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，提高离化原子的能量，又可产生累积电离，提高离化率率。亚稳原子是长寿命的受激原子，它的作用首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；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，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、中性亚稳原子之间如前面提到的潘宁电离、中性亚稳原子之间的碰撞电离等。的碰撞电离等。 电子被原子、分子等捕获形成负离子的过程电子被

32、原子、分子等捕获形成负离子的过程叫做附着叫做附着，反之，电子被负离子放出的过程，反之，电子被负离子放出的过程叫叫离脱离脱电子与中性气体分子或原子碰撞时，也有可能发生电子电子与中性气体分子或原子碰撞时，也有可能发生电子附着过程而形成负离子，并释放出能量，称为附着过程而形成负离子，并释放出能量，称为电子亲合能电子亲合能。电子亲合能的大小可用来衡量原子捕获一个电子的难易，越电子亲合能的大小可用来衡量原子捕获一个电子的难易，越大则越易形成负离子。大则越易形成负离子。为了说明原子在分子（化合物）中吸引电子的能力，引为了说明原子在分子（化合物）中吸引电子的能力，引入入电负性电负性概念，是一个无量纲的数，其

33、值越大，表明原子在概念，是一个无量纲的数，其值越大，表明原子在分子中吸引电子的能力越大。电负性综合考虑了分子中吸引电子的能力越大。电负性综合考虑了电离能电离能和和电电子亲合能子亲合能。用来表示两个不同用来表示两个不同原子原子间形成间形成化学键化学键时吸引电子时吸引电子能力的相对强弱，是元素的原子在分子中吸引共用电子的能能力的相对强弱，是元素的原子在分子中吸引共用电子的能力。力。元素电子亲合能（eV）电负性值F3.454.0Cl3.613.0Br3.362.8I3.062.5负离子的形成使自由电子数减少，因而对放负离子的形成使自由电子数减少，因而对放电发展起抑制作用电发展起抑制作用。SF6气体含

34、气体含F，其分子俘获电，其分子俘获电子的能力很强，属强电负性气体，因而具有很高子的能力很强，属强电负性气体，因而具有很高的电气强度。的电气强度。 电负性气体分子捕获电子的能力除与气体性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，因此不容易被捕获，因此电场强度很高时电子附着率电场强度很高时电子附着率很低。很低。带电质点受电场力的作用定向运动，在到达电极时，消失带电质点受电场力的作用定向运动，在到达电极时，消失于电极上而形成外电路中的电流。于电极上而形成外电路中的电流。 带电质点从浓度较大的区域向浓度较小的

35、区域移动，带电质点从浓度较大的区域向浓度较小的区域移动，从而使浓度变得均匀的过程，称为带电质点的从而使浓度变得均匀的过程，称为带电质点的扩散扩散。电子的热运动速度高、平均自由程大，其扩散比离子电子的热运动速度高、平均自由程大，其扩散比离子扩散快得多。扩散快得多。带异号电荷的质点相遇，发生电荷的传递和中和而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程，称为还原为中性质点的过程，称为复合复合。复合是电离的复合是电离的逆过程逆过程。带电质点复合时会以带电质点复合时会以光辐射光辐射的形的形式将电离时获得的能量释放出来，式将电离时获得的能量释放出来，这种光辐射这种光辐射在一定条件下能

36、导致在一定条件下能导致间隙中其他中性原子或分子的电间隙中其他中性原子或分子的电离。离。带电质点的复合率与正、负带电质点的复合率与正、负电荷的浓度有关，浓度越大则复电荷的浓度有关，浓度越大则复合率越高。合率越高。 带电粒子除了进行上述的空间复合之外，还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。可能在器壁上复合或者进入电极消失。 电子进入阳极：电子进入阳极：电子在电场作用下进入阳极，电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子的动能转变为热能，使阳极升温或者激发出二次电子。次电子。 正离子进入阴极：正离子进入阴极：正离子从阴极拉出电子与其

37、复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。这是热能，使阴极升温或者激发出二次电子。这是维维持气体放电的关键。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。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：带电粒子在器壁上复合：带电粒子在器壁上碰到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。一起很容易复合，多余的能量使器壁升温。激发过程产生的激激发过程产生的激发状态，一般情况发状态，一般情况下是不稳定的。下是不稳定的。受受激原子激原子在在10-7秒到

38、秒到10-8秒内放出所获秒内放出所获得的能量回复到正得的能量回复到正常状态，放出的能常状态，放出的能量以光子形式辐射量以光子形式辐射出去。出去。*AAh 该过程又称该过程又称退激发光退激发光。平常见到的等离子体。平常见到的等离子体发光，几乎都是这种回复过程产生的。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 回复过程放出光回复过程放出光的波长与核外电子的波长与核外电子从较高能级返回较从较高能级返回较低能级的能量差有低能级的能量差有关。这对原子、分关。这对原子、分子来说是固有的。子来说是固有的。因此，对因此，对等离子体等离子体的发光光谱的发光光谱进行分进行分析，可以确定

39、等离析，可以确定等离子体中激发原子的子体中激发原子的种类。种类。 解离是由几个原子组成的分子分解为单个原解离是由几个原子组成的分子分解为单个原子的过程子的过程。通过非弹性碰撞，分子若能获得。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。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，这种解离过程以及一般工程用等离子体中，这种解离过程以及前面的激发过程和复合过程，都可以形成激前面的激发过程和复合过程，都可以形成激发态的亚稳原子发态的亚稳原子。利用这些亚稳原子可以进。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。行等离子体刻蚀和等离子体化学气相沉积等。hA

40、BABeABABeCABABC实现解离的方法主要有：实现解离的方法主要有： 在离子气相沉积中，等离子体化学的作用越在离子气相沉积中，等离子体化学的作用越来越重要，它促进化合物涂层的形成。可以来越重要，它促进化合物涂层的形成。可以将化学气相沉积中在高温下进行的反应，降将化学气相沉积中在高温下进行的反应，降低到低温下进行。低到低温下进行。2.3气体放电发展过程气体放电发展过程输电线路遭受雷击输电线路遭受雷击电介质电介质：不导电或导电率极小的物质。：不导电或导电率极小的物质。 例如：空气、橡胶、纯净水。例如：空气、橡胶、纯净水。击穿击穿：电介质变为导电通道的现象。：电介质变为导电通道的现象。放电放电

41、：气体电介质的击穿现象。：气体电介质的击穿现象。 2.3气体放电发展过程气体放电发展过程将真空容器抽真空至将真空容器抽真空至10-1Pa的某一压强时，接通相距的某一压强时，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线引起的电离，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，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

42、是电子数按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，等比级数迅速增加，形成电子繁衍过程，称为雪崩式放形成电子繁衍过程，称为雪崩式放电过程。电过程。但此时的放电属于但此时的放电属于非自持式放电过程非自持式放电过程，其特点，其特点是，若将原始电离源出去，放电立刻停止。若将原始电是，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，称为离源去掉放电仍能维持，称为自自持式放电过程。持式放电过程。气体放电的现象与发展规律与气体放电的现象与发展规律与气体种类气体种类、气气压大小压大小、气隙中的电场形式气隙中的电场形式、电源容量电源容量等一系列等一系列因素有关。因素有

43、关。但无论何种气体放电都但无论何种气体放电都一定有一个电子碰撞一定有一个电子碰撞电离导致电子崩的阶段电离导致电子崩的阶段，它在所加电压达到一定它在所加电压达到一定数值时出现。数值时出现。1、非自持放电和自持放电的不同特点、非自持放电和自持放电的不同特点 各种高能辐射射线（外界电离因素）引起：各种高能辐射射线（外界电离因素）引起：阴极表面光电离阴极表面光电离气体中的空间光电离气体中的空间光电离因此：气体空间中存在一定浓度的带电质点。因此：气体空间中存在一定浓度的带电质点。 在气隙的电极间施加电压时，可检测到很微小的电流。在气隙的电极间施加电压时，可检测到很微小的电流。1、非自持放电和自持放电的不

44、同特点、非自持放电和自持放电的不同特点 电流随外施电压的提高而增大，因为带电质点向电极运动的速度加快复合率减小 电流饱和，带电质点全部进入电极，电流仅取决于外电离因素的强弱（良好的绝缘状态） 电流开始增大，由于电子碰撞电离引起的 电流急剧上升放电过程进入了一个新的阶段（击穿） 外施电压小于外施电压小于U0时的放电是时的放电是非自持放电非自持放电。电压到达。电压到达U0后，后，电流剧增，间隙中电离过程只靠外施电压已能维持，不再需电流剧增，间隙中电离过程只靠外施电压已能维持，不再需要外电离因素，此时的放电为要外电离因素，此时的放电为自持放电自持放电。自持放电起始电压2、电子崩的形成（、电子崩的形成

45、（BC段电流剧增原因）段电流剧增原因） 放电由非自持向自持转化的机制与气体的压强和放电由非自持向自持转化的机制与气体的压强和气隙长度的乘积气隙长度的乘积(pd)有关：有关： 汤逊理论汤逊理论(pd值较小值较小) 流注理论流注理论(pd值较大值较大)共同理论基础：共同理论基础：电子碰撞电离形成电子崩电子碰撞电离形成电子崩。2、电子崩的形成、电子崩的形成外界电离因素在阴极附近产生了一个初始电子，如外界电离因素在阴极附近产生了一个初始电子，如果空间电场强度足够大，该电子在向阳极运动时就会引果空间电场强度足够大，该电子在向阳极运动时就会引起碰撞电离，产生一个新的电子，初始电子和新电子继起碰撞电离，产生

46、一个新的电子，初始电子和新电子继续向阳极运动，又会引起新的碰撞电离，产生更多电子。续向阳极运动，又会引起新的碰撞电离，产生更多电子。依此，电子将按照几何级数不断增多，类似雪崩似依此，电子将按照几何级数不断增多，类似雪崩似地发展，这种急剧增大的空间电子流称为地发展，这种急剧增大的空间电子流称为电子崩电子崩。2、电子崩的形成、电子崩的形成ddnnx0d0exxnnddnxn0ednn00(e1)dnnnn 电子碰撞电离系数电子碰撞电离系数：代表一个电子从阴极到阳极行经1cm时平均发生的碰撞电离次数。 0exnn均匀电场 不随x变化dIIe0新增电子数回路电流I0：外电离因素引：外电离因素引起的初始

47、光电流起的初始光电流 过程：电子在电场作用下，向阳过程：电子在电场作用下，向阳极加速运动，超过一定能量值后，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，子产生了两个电子，重复这一过程，实现了电子的繁衍，即实现了电子的繁衍，即电子崩电子崩形成。形成。过程：离子在阴极位降的作用下，过程：离子在阴极位降的作用下，轰击阴极，产生轰击阴极，产生电子，电子，即即二次电二次电子子。以。以电子为火种，引起后续的电子为火种，引起后续的过程，继而继续产生过程，继而继续产生电子。达到电子。达到一定条件，即使没有外界因素产生一定条件，即使没

48、有外界因素产生的电子，也能维持放电进行，即的电子，也能维持放电进行，即放放电进入自持状态。电进入自持状态。 汤逊理论汤逊理论 (pd值较小值较小) 流注理论流注理论 (pd值较大值较大)要达到自持放电的条件，必须在气隙内初始电子崩消失要达到自持放电的条件，必须在气隙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。初始电子。实验现象表明，二次电子产生的机制与气压和气隙长度实验现象表明，二次电子产生的机制与气压和气隙长度的乘积（的乘积（pd）有关：）有关： 1、pd 值较小的情况（汤逊理论）值较小的情况（汤逊理论）1903年

49、，由英国人汤逊年，由英国人汤逊(J.S.Townsend)根据试根据试验事实，提出了比较系统的气体放电理论，阐述了验事实，提出了比较系统的气体放电理论，阐述了气体放电过程，并确定出放电电流和击穿电压之间气体放电过程，并确定出放电电流和击穿电压之间的函数关系。汤逊气体放电理论最早定量地解释了的函数关系。汤逊气体放电理论最早定量地解释了气体放电理论。气体放电理论。适用条件：均匀电场，低气压，短间隙。适用条件：均匀电场，低气压，短间隙。 1、pd 值较小的情况（汤逊理论）值较小的情况（汤逊理论）（1）汤逊自持放电判据）汤逊自持放电判据在电场作用下，正离子向阴极运动，由于它的平均自由在电场作用下，正离

50、子向阴极运动，由于它的平均自由行程长度较短，不易积累动能，所以很难使气体分子发生碰行程长度较短，不易积累动能，所以很难使气体分子发生碰撞电离。撞电离。但当正离子撞击阴极表面时却有可能引起表面电离而拉但当正离子撞击阴极表面时却有可能引起表面电离而拉出电子，部分电子和正离子复合，其余部分则向着阳极运动出电子，部分电子和正离子复合，其余部分则向着阳极运动形成形成新的电子崩新的电子崩。 电子碰撞电离系数电子碰撞电离系数 ：一个电子沿电力线方向行经一个电子沿电力线方向行经1cm时平均发生的碰撞电离次数。时平均发生的碰撞电离次数。 阴极表面电离系数阴极表面电离系数 ：一个正离子撞击阴极表面时从阴：一个正离