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直流放电
二、直流放电
●典型放电位形
●放电电压-电流特性
●放电特征区间
(1)暗放电区
(A)本底电离:
宇宙射线和其它形式的电离。
弱,但可以测量。
①电流形成:
没有电场加速电子产生的电离,辐射电离产生的离子、电子被电场加速。
②验证方法:
测量辐射放电的中和作用。
(B)饱和区:
电子仍然没有得到产生电离的足够能量。
但所有的电子、离子被收集。
典型饱和电流值在pA或nA数量级上,与辐射强度成正比,可以用于辐射计数器。
(C)汤生区:
电子可以电离中性本底气体。
①电子来源:
光电子或二次电了发射,电子碰撞电离
②电流增加过程:
电子雪崩倍增,指数增加(C—E段)
③汤森第一电离系数
英国物理学家汤生(J.S.Towsend)20世纪初提出第一个定量的气体放电理论,即电子雪崩理论。
适用范围:
非自持到自持的转变,仅仅考虑外部电场,没有考虑等离子体带电粒子对电场的影响。
汤森第一电离系数
,是一个电子沿电场走过单位长度时平均电离碰撞的次数。
推导说明:
(a)电子不是每次碰撞都能产生电离
(b)能电离的碰撞---->电子在两次碰撞间从电场加速获得的能量eEλi≥电离能Vi,即自由程足够大。
(c)N次碰撞中,自由程大于λi的碰撞次数为
Nexp(-λi/
)
为平均自由程。
(d)单位长度内的电子碰撞次数N:
N=
(e)汤森第一电离系数
(f)换成放电参数:
气压、电场
B=AVi
参数A、B必须由实验来确定。
每—种气体的A、B不同。
④不同气体的汤森第一电离系数
气体
A
离子对/(Torr•m)
B
(V/(Torr•m))
Air
1220
36500
CO2
2000
46600
H2
1060
35000
HCI
2500
38000
He
182
5000
H2O
1290
28000
Kr
1450
22000
N2
400
10000
Hg
2000
37000
低折合电场下,He的第一汤森第一电离系数
最大
He最容易击穿放电---->最佳的大气压辉光放电气体。
⑤汤森判据---自持放电条件
考虑离子轰击阴极产生的二次电子,忽略离子碰撞电离,分析自持放电条件:
自持放电:
不需要其他辅助电离,因靠自身能量维持,产生的电子数与损失的电子数相同。
⑥汤森判据---放电电压与pd值的关系
将
的表达式带入自持放电条件得
两边再取对数得帕邢公式
[曲线特性理解]高pd值;低pd值。
[应用]屏蔽----->小d值----->低pd值
将
视为pd的函数,可得最小
对应的pd值
最小击穿电压为:
[应用指导]:
(1)降低等离子体彩电微腔放电电压
MgO:
大,溅射产额低。
(2)降低照明放电电源的工作电压
充入杂质气体---->杂质气体的电离电位低于基本气体的亚稳态激发电位,潘宁效应使放电气压降低。
[电负性气体对放电电压的影响]
(D)电晕区:
(电晕:
单极放电,不完全放电)
(1)产生条件及特征:
在高气压或电极距离较大等条件下,不能产生自持击穿(!
!
)放电。
当一个或两个电极表面曲率半径很小时,电极间的存在极不均匀的电场,在局部强电场区(电极尖端、线、电极边缘)产生不完全击穿的自持放电。
电晕层
在局部强电场区,中性气体被电子激发和电离,产生发出微光的薄层---->晕(晕之本意:
日月周围形成的光圈)。
由点产生的晕---->电晕层。
电晕外区
电晕层以外的区域,电场强度小,不能引起激发和电离,时不发光的暗区,称为电晕外区。
若电晕电流比较高,电晕发出眼睛可见的辉光。
(2)典型放电位形
电场径向分布:
----(内半径处场强最大)
[问题]电晕空间电荷对电场的影响?
放电体积(活性体积):
活性半径处场强
击穿场强
(3)典型放电电压、电流:
电压大于辉光放电;
电流低于辉光放电,典型值:
微安----毫安级
(4)电晕分类
按电压分:
直流、交流电
按极性:
正电晕、负电晕
按电极:
单电晕,双电晕
正电晕:
放电产生(电晕存在)极性为正的电极附近。
在电晕区,电子被加速获得足够能量,激发、电离中性原子。
正离通过电晕区向阴极运动。
由于电晕外区的电场强度弱,离子不能被加速获能而产生电离(问题:
离子原始能量?
?
?
)----->电晕外区只存在正离子。
临界电极半径:
半径阳极电极半径处的电场
当电压和接地极半径b一定时,阳极半径a增加,
减小-----〉
存在极值
b/a=2.712为电晕放电的临界值。
b/a>2.712,dEa/da<0,在该区域,a增大,Ea减小。
b/a>2.712是稳定电晕放电条件:
电流增加---->电晕厚度增加----->等效阳极半径增加----Ea下降----电流降低(负反馈)
b/a<2.712不稳定放电):
负电晕:
小电极作负极,大直径圆筒。
放电发生在阴极附近,离子轰击阴极,产生二次电子,维持放电进行。
电晕外区的电场强度弱,电子不能被加速获能而产生电离(问题:
电子原始能量?
?
?
),电子可以电负性气体俘获,形成负离子。
该区域内,负离子、电子为传导电流。
(5)放电电极种类
●尖针--平面电极
●丝--丝电极
●丝—筒电极
●丝阵列
比较:
丝比尖针好。
(6)电晕应用
●静电除尘器
●干式复印技术
●表面改件--湿润粘着性染色抗静电
●臭氧---消毒、灭菌、水处理
●化学合成
(7)电晕的危害
●高压输电损
●合成有害物质:
臭氧、NO2、硝酸。
●电晕放电电磁辐射干扰
(2)辉光放电
●辉光解释:
该区内电子能量和电子数密度已足够高,等离子体发光足够强。
照明用传统放电荧光管就是辉光放电。
●电源特性对电晕---辉光跃迁的影响:
电源内阻很高,放电管电晕区。
电源内阻低,放电将从暗放电区跃迁到低压正常辉光放电.
●辉光放电分区与特征:
(F-G)正常辉光放电:
放电电流增加由等离子体面积增大产生。
电流密度、放电电压近似不变。
(G-H)反常辉光放电:
在G点,等离子体覆盖了整个阴极表面。
导电面积没有增加的余地,放电电流增加只能来源于电流密度增加,要求对应的放电电压也增加。
辉光强度增加。
E---F为非连续变化。
F’:
辉光放电的滞后点,由此点跃迁返回汤生区
●辉光放电参数
参数
低值
典型值
高值
中性气体压力(torr)
10-6
0.5
760
电极电压(V)
100
1000
50000
电极电流(A)
10-1
0.5
20
等离子体密度(个/cm-3)
108
5*109
6*1012
电子温度(ev)
1
2
5
功率水平(W)
10-2
200
250000
●辉光光强度、等离子体电位、电场和净电荷密度的轴向分布,
●不同放电模式下辉光强度的径向分布
●放电电压与二次电子发射系数的关系
●有辉纹的辉光放电(动辉纹、不动辉纹(几Hz-几十kKz))
●阻碍放电----短间隙放电
放电的pd小于帕邢最小值,放电电压高于最小电压,等离子体密度相对较高。
优点:
工作于高电压下,离子轰击基片的能量高。
---刻蚀、表面改性。
●相似放电---放大、缩小(等离子体彩电微腔放电)
相似放电条件:
放电相同点:
击穿电压、电子温度,折合电场
●直流辉光放电等离子体源
1圆筒形辉光放电源
应用:
照明器件,如荧光管和“氖”广告牌。
运行范围:
正常、反常辉光放电状态。
2平行板源
应用:
等离子体加工和等离子体化学。
运行范围:
无阻碍放电区(图(a))---等离子体化学---等离子体体积大。
阻碍放电区(图(b))-----等离子体加工---阴极偏置电压高。
.
●简单直流辉光放电的优、缺点:
优点:
设备简单、易于大面积均匀[氮化处理]
缺点:
放电气压高
等离子体密度低
有溅射污染(尤其是反常辉光区)
溅射沉积速率低
改进方法:
(如下)
3电子轰击等离于体源
通常名称:
考夫曼(Kaufman)源,196l-1963为研制高强度离子源而发明。
放电条件:
电子发散磁场约束,磁场强度:
5至15mT。
放电位形:
柱对称
特点:
功率利用高(>90%),高于其他大部分辉光放电。
电子被—个数值约为5至15mT的发散磁场磁化.
4彭宁(Penning,)放电等离子体源
彭宁放电:
Penning,1936,1937。
放电条件:
轴向磁场:
0.05<B<0.2特斯拉,阳极电压:
0.5<Vad5kV;阴极接地。
放电气压:
10-6<P<10-2torr。
特点:
运行气压低(轴向磁场约束电子、离子);等离子体密度高(轴向静电场捕获电子);离子能量高(?
离子磁化判据)。
强磁场作用:
阻止电子被阳极捕获,电子在阴极之间往复反射,增加电离几率,保证低气压放电。
不同电极形式的彭宁放电:
(见图)
应用:
科研、军事。
大规模的商业应用较少(?
)。
5“磁控管”(交叉场)放电
磁控管:
能产生微波的一种真空管。
“磁控管”(交叉场)放电位形:
(见图)
电子、离子状态:
电子被磁化,做封闭漂移运动。
离子为磁化。
优点:
运行气压低;等离子体密度高;基片加热小。
缺点:
放电局域化,等离子体空间均匀性差。
靶材利用率低。
应用:
薄膜的溅射沉积、等离子体刻蚀(离子铣)
[补充介绍]二次离子质谱SIMS(SecondaryIonMassSpectrory)
------>薄膜成分分析---不同厚度处。
不同的交叉场放电位形:
平面形:
圆柱形:
多极磁场:
溅射枪:
⑥空心阴极放电
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