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等离子体产生技术2 本讲安排 等离子体如何形成 生成等离子体的方法——直流放电理论 等离子体的形成 汤生放电原理 帕邢定律 等离子体形成过程 汤生放电原理 α作用与β作用 电流I随电极间的距离x呈指数函数增长I=I0eαx 系数α依赖于气体压强p和电场E： γ作用 离子在高能状态下轰击固体表面使表面发射电子，即二次电子发射。 帕邢定律Paschen,1865~1947,德国 帕邢定律的内容： 气体击穿电压由气体压强 p 和电极间距d的乘积( pd )所决定，并有极小值。 汤生理论对帕邢定律的解释 气体发生击穿后是如何趋向稳定的等离子体状态？ 以刚击穿时的时刻为t=0，此时带电粒子还很少，可近似认为是真空介质，所以电极间的电位分布如图中的点划线所示为一条直线。这就是说，这时的电位分布与阳极板带正电荷、阴极板带负电荷的真空电容器大致相同。 如果开始放电，随着时间的推移，阳极附近就会出现大量的由电离倍增产生的离子和电子。当这些电荷的数量与电极上的面电荷数量大体相当时，等离子体中的电子就会屏蔽阳极上的电荷，同样离子也会屏蔽阴极面电荷。结果，如图所示，t＝t1时电位分布中的平坦部分(等离子体状态)出现在靠近阳极一侧。 随着平坦部分向阴极一侧的延伸，阴极面上的电场不断增强，电离倍增更加剧烈，等离子体密度会不断增加。最后，如图中的 曲线所示．电压几乎都加到阴极前面 的薄鞘层内，放电成为稳定的辉光放电。 汤生理论的局限性 电极间的电场分布不均匀，局部存在强电场； 压强高至大气压附近，pd700Pa·m； 压强非常低（p0.01Pa），pd0.01Pa·m； 热阴极产生的热电子或者由紫外线照射产生的光电子强于由离子产生的二次电子； 非直流放电的高频放电或微波放电。 高气压放电与流注理论 在压强较高、PL 较大的区域(700 Pa.m)，着火电压会偏离 帕邢定律，在低电压下就可以发生绝缘击穿。 汤生理论是无法解释这一现象的。 Meak和Leob等人于1993年引入了被称为”流注”(Streamer) 的新概念,并成功地解释了着火电压,放电延迟时间以及横贯 电极间的细光柱等实验现象和结果。其基本思想是考虑 α 作用,光电离以及空间电荷电场,而完全不考虑 γ 作用. 流注理论 (b) (c) (d) 时间发展 阳极 阴极 外部电场 E0 (a) 最初的 电子崩 空间电荷 电场Er 小电 子崩 流 注 等 离 子 体 潘宁效应 在工业应用中常常利用潘宁效应来降低气体的击穿电压 在亚稳电位较高的基本气体（如氖和氦气）中混入少量的电离电位较低的杂质气体（如氩和汞蒸汽），使得混合气体的有效电离截面增加，两种气体发生能量传递，使混合气体的击穿电压降低。这种现象成为潘宁效应。 典型例子 氖（亚稳电位16.6eV）＋氩（电离电位15.75eV） 氩（亚稳电位11.5eV）＋汞蒸汽（电离电位10.4eV） 第3章 等离子体的生成方法 直流放电 交流放电 直流辉光放电 空心阴阴放电 直流脉冲放电 电弧放电 电容耦合放电 感应耦合放电 介质阻挡放电 微波放电 表面波放电 3.1 直流辉光放电 冷热阴极放电的区别 – 冷阴极放电依靠阴极的二次电子发射来维持放电，热阴极依靠阴极本身的热电子发射来维持放电； – 热阴极放电需要较高的阴极温度 （1000－3000°C），但在低气压（如0.1Pa）下仍能维持放电； – 冷阴极放电需要较高的着火电压与放电维持电压（用于加速离子），而热阴极放电的放电维持电压较低； – 冷阴极放电器件不需要加热灯丝有较长的寿命，且节能，热阴极放电器件有较高的功率； 空心阴极放电的原理与优点 – 阴极面积大，易于产生较高的电流密度，从而得到高密度等离子体； – 空心阴极放电的阴极属冷阴极，依靠二次电子发射维持放电； – 空心阴极有利于提高电离效率 ? 径向电子运动在一定条件下可以维持很长的寿命，从而增加其参与电离的次数（条件：平均自由程大于圆筒半径，阴极表面的鞘层厚度小于圆筒半径，电子在另一侧鞘层内被反射） ? 阳极面积小，可以减少阳极对电子的吸收，可加强放电； 直流放电的伏安特性 放电状态的变化 – a-b: 放电开始阶段，电流随电压的升高而增加，形成的微弱电流不稳定（暗流）； – b-c: 着火阶段，到达着火电压后，电流迅速增大，c点即放电着火状态； – c-d: 前期辉光放电阶段，电流增大，电压却下降，产生负阻（原因：等离子体密度的增加使等离子体电阻变小）； – d-e: 正常辉光放电阶段，增大电流，电压一定（原因：电流密度一定，导电截面积增加）； – e-f: 反常辉光放电阶段，电压随电流增大（导电面积