2.3等离子体放电
等离子体的应用
等离子体技术与应用学号队别专业姓名摘要等离子体作为物质存在的一种基本形态，自18世纪中期被发现以来，对它的认识和利用不断深化。
我们知道，普通化学反应和化工设备中所产生的温度只有二千多度。
而在各种形式的气体放电所形成的低温等离子体中电子温度可达一万度以上，足以造成各种化学键的断裂，或使气体分子激发电离，产生许多在通常条件下不能发生的化学反应，获得通常条件下不能得到的化合物或化工产品，并且获得的化合物与化工产品不会产生热分解。
目前，等离子体技术已被广泛的用于国防、工业、农业、环境、通信等一系列国民经济发展领域，极大地推动了信息产业的发展，促进了工业科技进步。
关键词等离子体微波放电隐身技术材料的表面改性微波等离子灯引言等离子体是由带电的正粒子、负粒子（其中包括正离子、负离子、电子、自由基和各种活性基团等）组成的集合体，其中正电荷和负电荷电量相等故称等离子体。
他们在宏观上呈电中性的电离态气体（也有你液态、固态）。
当温度足够高时，构成分子的原子也获得足够大的的动能，开始彼此分离，这一过程称为离解。
在此基础上进一步提高温度，就会出现一种全新的现象，原子的外层电子将摆脱原子核的束缚而成为自由电子，失去电子的原子变成带正电的离子，这个过程叫电离。
等离子体指的就是这种电离气体，它通常由光子、电子、基态原子（或分子）、激发态原子（或分子）以及正离子和负离子六种基本粒子构成的集合体。
因此，等离子体也被称为物质的第四态。
内容一、等离子的性质物质的第四态等离子体有着许多独特的物理、化学性质。
只要表现如下：1) 温度高、粒子动能大。
2) 作为带电粒子的集合体，具有类似金属的导电性能。
等离子体从整体上看是一种导体电流体。
3) 化学性质活泼，容易发生化学反应。
4) 发光特性，可以作光源。
二、等离子技术的应用2.1微波放电等离子体技术与应用通常，低气压、低温等离子体是在1～100pa的气体中进行直流或射频放电产生的。
直流辉光发电首先被研究和应用，但该等离子体是有极放电，而且密度低、电离度低、运行气压高，这就限制了其应用的广泛性。
等离子体放电实验
等离子体放电实验等离子体放电实验是一种重要的物理实验，其通过在低温、气体或等离子体中施加电场来产生和研究等离子体的放电现象。
等离子体是一种由电离的气体分子、电子和正离子组成的第四态物质，具有高温、高能量和高电导性的特点，应用广泛，涉及到能源、材料、环境等多个领域。
在进行等离子体放电实验之前，我们首先需要了解与等离子体放电相关的物理定律。
其中，最基本的定律是库仑定律，它描述了两个电荷之间的相互作用力。
根据库仑定律，当两个电荷之间距离增大时，相互作用力减小；而当电荷之间电荷量增大时，相互作用力增大。
在等离子体放电实验中，库仑定律被用于描述气体分子与电子、正离子之间的相互作用力。
另一个重要的定律是欧姆定律，它描述了电流、电压和电阻之间的关系。
根据欧姆定律，电流等于电压除以电阻。
在等离子体放电实验中，电流是实验过程中的重要参数，可以通过测量电压和电阻来求得。
在进行等离子体放电实验之前，我们需要准备实验设备和材料。
首先, 我们需要一个真空室。
实验需要在低压环境中进行，因此需要一个密封良好的真空室。
其次, 我们需要一个电源，用于施加电场。
电源需要能够提供足够的电流和电压，以产生所需的放电现象。
另外, 我们还需要一些测量仪器，如电压表、电流表等，用于测量电压、电流和其他参数。
接下来，我们将详细介绍等离子体放电实验的过程。
首先，将气体注入真空室中并抽取空气，使真空室内部的压力降低到所需的范围。
然后，将电极引入真空室，并将其与电源相连接。
通过调节电源的电流和电压，可以改变电场强度和方向。
当电场强度达到一定程度时，气体分子将被电离，形成等离子体。
实验过程中，我们可以通过观察等离子体颜色、形态和发光现象等来研究等离子体的性质。
不同气体、不同电场条件下，等离子体的性质和行为都会发生变化。
例如，当气体分子被电离时，电子会向电极移动，产生电流。
我们可以通过测量电流的变化来研究等离子体的导电性质。
此外，等离子体还会发生辐射现象，通过观察辐射的光谱，我们可以分析等离子体中的元素成分和能级结构。
放电等离子体烧结技术课件
▪ 2000年6月武汉理工大学购置了国内首台SPS装置。 ▪ 随后上海硅酸盐研究所、清华大学、武汉大学等高校及科研机构也相继引进了
SPS装置, 用来进行相关的科学研究。
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放电等离子体烧结（SPS）简介
由于其独特的烧结机理, SPS技术具有升温速度快、烧 结温度低、烧结时间短、节能环保等特点, SPS已广泛 应用于纳米材料、梯度功能材料、金属材料、磁性材料 、复合材料、陶瓷等材料的制备。
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放电等离子烧结（SPS）的应用
将1700 C下用SPS分别烧结3 min和5 min的样品与常规方法在1500 C烧结 72 h的样品对比可以看出使用SPS方法得到的样品所用时间更短, 致密性更 好。
放电等离子体烧结技术
Spark Plasma Sintering（SPS）
课程：材料合成与制备
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目录
1. 放电等离子烧结（SPS）简介 2. 放电等离子烧结（SPS）的基本原理 3. 放电等离子烧结（SPS）的优缺点 4. 放电等离子烧结（SPS）的应用
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放电等离子体烧结（SPS）简介
SPS的发展
▪ 1930年, 美国科学家提出利用等离子体脉冲电流烧结原理, 直到1965年, 脉冲电流烧
结技术才在美、日等国得到应用。日本获得了SPS技术的专利, 但当时未能解决该 技术存在的生产效率低等问题, 因此SPS技术没有得到推广应用。
▪ SPS技术的推广应用是从上个世纪80年代末期开始的。 ▪ 1988年日本研制出第一台工业型SPS装置, 并在新材料研究领域内推广应用。 ▪ 由于SPS技术具有快速、低温、高效率等优点, 近几年国内外许多大学和科研机构
PECVD的工作原理
PECVD的工作原理引言概述：PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）是一种常用的薄膜沉积技术，广泛应用于半导体、光电子、显示器件等领域。
本文将详细介绍PECVD的工作原理，包括原理概述、工作过程、薄膜生长机理、应用领域以及未来发展方向。
一、原理概述：1.1 电浆（Plasma）的生成：PECVD利用高频电场或射频电场作用下的气体放电，产生等离子体。
通过加热、电离和激发气体分子，形成高能态的离子和电子，从而激活反应气体，促使薄膜沉积反应的进行。
1.2 化学气相反应：PECVD通过将反应气体引入等离子体区域，使其与激活的离子和电子进行化学反应。
反应气体中的原子、分子或离子在表面发生吸附、解离、再组合等反应，生成所需的薄膜材料。
1.3 薄膜沉积：反应气体中的反应产物在基片表面沉积，形成均匀、致密的薄膜。
PECVD可以控制沉积速率、薄膜厚度、成分等参数，实现对薄膜性质的调控。
二、工作过程：2.1 真空系统：PECVD工作需要在较低的气压下进行，通常使用真空系统将反应室抽取至高真空状态。
真空系统包括抽气系统、气体进出系统和真空度检测系统。
2.2 气体供给系统：PECVD需要提供反应气体，通常包括载气、前驱体和稀释气体。
载气用于稀释前驱体，稀释气体用于调节反应气体的浓度。
2.3 等离子体生成和控制：通过高频电源或射频电源提供能量，产生等离子体。
同时，通过电极结构和电源参数的调节，可以控制等离子体的密度、温度和化学活性。
三、薄膜生长机理：3.1 吸附：反应气体中的原子、分子或离子在基片表面吸附。
3.2 解离：吸附的反应气体在等离子体的作用下发生解离，形成活性物种。
3.3 反应：活性物种在基片表面发生化学反应，生成所需的薄膜材料。
四、应用领域：4.1 半导体器件：PECVD广泛应用于半导体器件的制备，如硅基薄膜晶体管、光电二极管等。
4.2 光电子器件：PECVD可用于制备光学薄膜、光纤、太阳能电池等光电子器件。
放电等离子体烧结技术PPT课件
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等离子体一般分两类
第一类是高温等离子体或称热等离子体（亦称高压平衡等离子体）
第二此类类是等离低子温体等中离，子粒体子（的亦激称冷等离子体）
发或是电离主要是通过碰
撞实现，当压力大于 1.33×104Pa 时 ， 由 于 气 体密度较大，电子撞击气 体分子，电子的能量被气 体吸收，电子温度和气体 温度几乎相等，即处于热
区域和不发光的暗区。
法拉第
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▪ ngmuir又进一步对低压气体放电形成的发光区，即
阳光柱深入研究，发现其中电子和正离子的电荷密度差不 多相等，是电中性的，电子、离子基团作与其能量状态对 应的振动。他在其发表的论文中，首次称这种阳光柱的状
态为“等离子体”。
等离子体特效图
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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▪ SPS过程中，颗粒之间放电时，会瞬时产生高达几千度
至1万度的局部高温，在颗粒表面引起蒸发和熔化，在颗 粒接触点形成颈部，由于热量立即从发热中心传递到颗粒 表面和向四周扩散，颈部快速冷却而使蒸汽压低于其他部 位。
▪ 气相物质凝聚在颈部形成高于普通烧结方法的蒸发-凝
固传递是SPS过程的另一个重要特点。
在低压下产生，压力小于1.33×104Pa 时，气体被撞击的几率减少，气体吸 收电子的能量减少，造成电子温度和 气体温度分离，电子温度比较高 （ 104K ） 而 气 体 的 温 度 相 对 比 较 低 （102~103K），即电子与气体处于非
力学平衡状态。
平衡状态。气体压力越小，电子和气 体的温差就越大。
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3 等离子体发生技术
图3-1 直流 放电管电路 示意图
-
阴极
-
高电压电源 + Va
I
V 放电管
等离子体 阳离子 + （离子）
可调镇流电阻
阴离子
+
（电子）
电极
真空泵
阳极
暗放电
辉光放电
汤森区
VB
电晕
击穿电压
弧光放电
电压 /Ｖ
H
辉光到弧光的跃变
I V<1/I
饱和区
G
热弧
本底电离
3 等离子体发生 技术
3.1 气体放电特性与原理
气体放电一般是指在电场作用下或其他激活方法使气体 电离，形成能导电的电离气体，如果电离气体是通过电场产 生的，这种现象称为气体放电。
气体放电应用较广的形式有电晕放电、辉光放电、无声 放电（又称介质阻挡放电）、微波放电和射频放电等，气体 放电性质和采用的电场种类及施加的电场参数有关。
发射二次电子。 γ系数也叫汤森第二电离系数，他比汤森第 一电离系数要小。
气体放电击穿是一复杂过程，通常都是由电子雪崩开始， 从初级电子电离相继在串级电离过程中增值。一旦汤森电离 系数α随电场增强而变得足够大时，此时的电流就从非自持 达到了自持过程，也就发生了电击穿。对于汤森放电击穿的 临界电场中电压VB的计算，可用下面的半经验方程式来判断。 此方程称为帕邢定律。 3.1.2 帕邢定律
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
（5）电晕放电的电压降不取决于外电路的电阻，而 是取决于放电迁移区（电离区之外的区域）的电导。
（6）电晕放电的极性取决于具有小曲率半径的电极 的极性，如果小曲率半径电极带正电位，发生的电 晕称正电晕，反之称负电晕。
放电等离子体
放电等离子烧结技术的工艺特点 SPS的缺点 等离子烧结时烧结温度的准确测量： 产生等离子体的微波或高频波严重干扰双金属热电偶，从而 无法用热电偶测量温度。 由于等离子体发光和石英管遮挡的干扰，用光学高温测量计 将引入较大的误差。 对于非常高温的烧结体用红外线测温仪，由于模具头两端受
力不均匀，使得测量结果偏离准确值，因而引起实验误差。
1 1
(5)
当 << K
1 时 V k 1 0
I AD exp W0 K1 j 2V kT0
1
(6)
TAIYUAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
放电等离子烧结技术的原理 若σn>σ0, ζ=(σ0-σn)(σn+2σ0)-1 <0 Wc=K1j2ζV<0 I>I0
taiyuanuniversityfoftechnology气体发生电离时可以转变为等离子体并非任何电离气体都是等离子体气体发生电离时可以转变为等离子体并非任何电离气体都是等离子体电离度放电等离子烧结技术的原理电离度大到一定程度使带电粒子密度达到所产生的空间电荷足以限制其自身运动使带电粒子密度达到所产生的空间电荷足以限制其自身运动仅是互不相关的各部分的简单加和不具备作为物质的第四态的特征仅是互不相关的各部分的简单加和不具备作为物质的第四态的特征仍属于气态体系的性质从量变到质变电离气体体系的性质从量变到质变电离气体转变成等离子体体系中只有少数粒子电离taiyuanuniversityfoftechnology等离子体一般分两类
放电等离子烧结技术的原理 求解式（3）可得到：
Wc K1 j 2V
积，ζ=(σ0-σn)(σn+2σ0)-1(式中σn为形核后的电导率)
放电等离子体烧结技术
电磁材料 采用 SPS 技术还可以制作 SiGe ， PbTe ， BiTe ， FeSi，CoSb3等体系的热电转化元件，以及广泛用 于电子领域的各种功能材料，如超导材料、磁性 材料、靶材、介电材料、贮氢材料、形状记忆材
放电等离子体烧结技 术
目录
1 SPS合成技术的发展 2 等离子体烧结技术原理 3 等离子体放电烧结的工艺
4 等离子体放电烧结在应用举例
1930年，美国科学家提出利用等离子体脉冲电流烧结 原理，但是直到1965年，脉冲电流烧结技术才在美、 日等国得到应用。日本获得了 SPS 技术的专利，但当 时未能解决该技术存在的生产效率低等问题，因此 SPS技术没有得到推广应用。 SPS技术的推广应用是从上个世纪 80年代末期开始的。 1988年日本研制出第一台工业型 SPS装臵，并在新材 料研究领域内推广应用。 1990年以后，日本推出了可用于工业生产的 SPS第三 代产品，具有 10~100t 的烧结压力和 5000~8000A 脉冲 电流，其优良的烧结特性，大大促进了新材料的开发。 1996年，日本组织了产学官联合的 SPS研讨会，并每 年召开一次。
等离子体烧结技术(SPS)
放 电 等 离 子 烧 结 （ Spark Plasma Sintering ）简称 SPS ，是近年来发展起来的一种 新型的快速烧结技术。 该技术是在粉末颗粒间直接通入脉冲电流进 行加热烧结，因此有时也被称为等离子活化烧结 (Plasma Activated Sinteriny,PAS) 或等离子体 辅助烧结（Plasma Assister Sinteriny,PAS）。
等离子体放电现象的研究
等离子体放电现象的研究等离子体放电是一种重要的物理现象，它在自然界和科学实验室中广泛存在，并引起了科学家们的浓厚兴趣。
本文将探讨等离子体放电的研究进展，介绍等离子体的基本概念和特性，并探索其在不同领域的应用。
1. 等离子体的基本概念等离子体是一种由正、负带电粒子以及中性粒子组成的物质状态。
在常规的物质状态中，原子或分子是电中性的，但在高能量条件下，原子或分子可以从电中性态过渡到带电态，形成等离子体。
等离子体具有诸多特性，如高温、高导电性和等离子体波动等。
在地球的自然环境中，闪电就是一种常见的等离子体放电现象。
2. 等离子体放电现象的研究进展随着科学技术的不断发展，人们对等离子体放电现象的研究也不断取得突破。
在实验室中，科学家们使用高能电磁场、激光束等手段来产生等离子体，并对其进行详细的研究。
他们发现，等离子体放电现象不仅存在于极端的条件下，如高温等离子体中心，还存在于普通物质的局部区域，如气体放电、间歇放电等。
这些发现为探索等离子体放电现象的机理和性质提供了重要的实验依据。
3. 等离子体放电现象的应用等离子体放电现象不仅具有科学研究的意义，还具有广泛的应用价值。
一方面，在能源领域，等离子体放电常用于核聚变反应、等离子体加热等研究中，对于实现清洁能源的开发和利用具有重要意义。
另一方面，在材料加工领域，等离子体放电广泛应用于材料表面改性、涂层沉积等工艺中，提高了材料的性能和质量。
此外，等离子体放电还在医学、环境保护和通信等领域发挥着重要作用。
总结等离子体放电现象是一种值得深入研究的重要物理现象。
通过对等离子体的研究和应用，我们可以了解自然界中的各种现象，进一步拓展科学的边界，并为人类社会的发展带来积极的影响。
值得期待的是，随着科学技术的进一步发展，等离子体放电现象的研究将在更多领域展开，给人类带来更多的惊喜和进步。
高效放电等离子体的实验研究
高效放电等离子体的实验研究等离子体是一种高度电离的气体体系，具有许多独特的性质。
等离子体的应用广泛涉及空间探测、工业材料加工、环境污染处理、医学治疗等多个领域。
因此，发展高效等离子体放电技术具有重要的意义。
本文将介绍当前高效等离子体放电的实验研究进展。
实验装置高效等离子体放电实验之前需要准备好实验装置。
通常使用的实验装置包括高压电源、气体注入系统、反应室和控制系统等几个部分。
其中，反应室是整个实验装置的关键部位，反应室的大小、形状、材料等都会对等离子体的产生和维持产生影响。
实验过程在实验过程中，首先将气体注入到反应室中，在一定的电场作用下，气体被电离形成等离子体。
其中，等离子体的密度和温度是衡量等离子体性质的主要指标。
因此，实验过程中需要通过控制电场和气体注入速度等因素来调节等离子体的密度和温度。
实验研究进展目前，高效等离子体放电的实验研究主要集中在以下几个方面。
高温等离子体发生器高温等离子体发生器可以通过直接放电或微波放电等方式生成高温等离子体，其产生的等离子体温度可以达到数千度。
高温等离子体发生器可用于超声波清洗、材料表面改性和医疗设备消毒等多个领域。
微波等离子体放电微波等离子体放电是近年来受到广泛关注的一种等离子体发生方式。
相比于其他发生方式，微波等离子体放电具有能耗低、等离子体密度高等优势。
目前，微波等离子体放电已被应用于废气处理、光谱分析和等离子体陶瓷等领域。
低温等离子体放电低温等离子体放电是近年来的研究热点之一。
与高温等离子体不同，低温等离子体放电产生的等离子体温度通常在300K以下，其特点包括等离子体密度高、化学活性强等。
低温等离子体放电可应用于材料表面改性、废水处理和食品加工等领域。
结语高效等离子体放电技术的发展将对社会产生深远的影响。
与此同时，高效等离子体放电的实验研究也在不断地推进。
在未来的研究中，我们将继续探索高效等离子体放电的基础理论和应用价值，推动高效等离子体放电技术的快速发展。
2.3等离子体放电
关键词：等离子体；辉光放电；
一、 引言 等离子体作为物质的第四态在宇宙中普遍存在。在实验室中对等离子体的研究是从气体 放电开始的。朗缪尔和汤克斯首先引入“等离子体”这个名称。近年来等离子体物理学有了 较快发展，并被应用于电力工业、电子工业、金属加工和广播通讯等部门，特别是等离子体 的研究，为利用受控热核反应，解决能源问题提供了诱人的前景。 二、 实验原理 1.等离子体及其物理特性 等离子体定义为包含大量正负带电粒子、而又不出现净空间电荷的电离气体。也就是说 其中正负电荷密度相等，整体上呈现电中性。等离子体可分为等温等离子体和不等温等离子 体，一般气体放电的产生的等离子体属于不等温等离子体。 等离子体有一系列不同于普通气体的特性： （1）高度电离，是电和热的良导体，具有比普通气体大几百倍的比热容； （2）带正电的和带负电的粒子密度几乎相等； （3）宏观上是电中性的。 虽然等离子体宏观上是电中性，但是由于电子的热运动，等离子体局部会偏离电中性。电
荷之间的库伦相互作用，是这种偏离电中性的范围不能无限扩大，最终使电中性得以恢复。 偏离电中性的区域最大尺度成为德拜长度 d 。当系统尺度 L d 时，系统呈现电中性，当系 统尺度 L d 时，系统可能出现非电中性。 2.等离子体的主要参量 描述等离子体的一些主要参量为：
T （1）电子温度 e 。它是等离子体的一个主要参量，因为在等离子体中电子碰撞电离是主要
悬浮电位 U F 及空间电位 U s 。 由数据处理可以看到单探针法的误差较大，因为实验所得图-6 没有明显的线 性区以及饱和区，因此在计算 tg 以及确定 U s 时误差很大，这是因为单探针的 离子鞘层的厚度随着 U p 的增加而变化，使得到达探针的电子数较多的偏离理论 值，而且由于离子鞘层厚度的变化使得探针的有效面积发生变化使得电流无法 真正的到达饱和。对于双探针法，离子鞘层对于平行板的影响可以忽略，但是 电流仍无法达到饱和，在确定饱和电流时仍然有较大的随机性。 八、 思考题 1.气体放电中的等离子体有什么特性？ 答：1）高度电离，是电和热的良导体，具有比普通气体大几百倍的比热 容。 2）带正电和带负电的粒子密度几乎相等。 3）宏观为电中性 4）有辉光特性，电子的平均动能远大于其他粒子，处于非平衡状态 2.等离子体有哪些主要参量？ 答：1)电子温度 Te 2)带点粒子密度 n ，电子密度 ne ，正离子密度 ni 3)轴向电场强度 EL 4)电子平均动能 Ee 5)空间点位分布 3.探针法对探针有什么要求? 1）电子和离子打到探针表面后被完全吸收，不会发生次级电子发射。 2）探针熔点要较高，保证其不会在放电过程中熔化。 3）探针不与等离子体发生化学反应。 4）探针的线度适中：小于离子和电子的自由程，减小对等离子体的干 扰；同时要明显大于其表面的正离子鞘层的厚度，以减少离子鞘层的厚度的变 化造成的影响。 5) 使用双探针法时，两探针应垂直于放电电流方向放置，使两个探针所 在的等离子体电位尽量相同。
钟雷 等离子体及气体放电基础知识
讲辉光之前先提到一个 概念——电离。
所谓电离即是指，气体内 部存在的初始电子在电场加 速作用下，通过与气体原子 的碰撞产生大量带电粒子的 过程。
1.辉光
辉光放电主要用于溅射过程。其放电特征为：高 电压（可达上千伏）和低电流（毫安量级）。
辉光放电原理
稠密等离子云在阴极表面产生强电场使阴极发射电子场致发电弧中阴极发射电子的方式爆炸性发射阴极发射电子撞击被蒸发ti原子引发电离使等离子云内存在高密度ti离子随后轰击阴极保持靶材癿炽热
等离子体及气体放电 基础
研发部
钟雷
1
①等离子体——物质的第四态
1.自然界物质的状态：
在一定的温度和压强条件下，物质可以在固液气 三态中转变。如果温度继续升高，物质转变为等 离子体状态。
在目前已知可观测的宇宙空间中，99%的物质都不是上述三 种形态，而是处于等离子态。
星云
极光（左上） 闪电（右下）
2.等离子体及其存在的条件
等离子体(plasma)是指由大量带电粒子和中性原 子、分子等组成，并保持电中性的物质形态。也 可称为等离子气体。
其存在需要极端的条件：如高热、放电等，使气 体分子发生电离。如：
阴极靶面的高电流保持阴极局部高热，不断引起 新的爆炸性发射。由于导电能力强，电流很大， 很小的电压就可维持放电，形成高电流低电压的 放电特征。
4.电弧的利弊
电弧镀膜中，离子具有极高的动能和很好的沉积 速率。但是无法避免的液滴使膜层的均匀性恶化， 限制了其使用。
采用改善放电条件 或磁过滤的方法可 一定程度上抑制液 滴的伤害，在此不 再深入讨论。
Hale Waihona Puke 辉光放电基本结构2)火花放电 火花放电，是在电源功率不太大时，高压电极 溅气体被击穿，出现闪光和爆裂声的气体放电 状态。特点是在两极上产生时断时续的火花。
高压氦放电等离子体的物理特性及其应用研究
高压氦放电等离子体的物理特性及其应用研究等离子体是一种带电粒子密度非常高的气体状态，包括离子、电子、自由基等。
它是许多工业和科学应用中的关键因素。
高压氦放电等离子体是其中一种具有重要研究意义和广泛应用前景的等离子体类型。
本文将介绍高压氦放电等离子体的物理特性及其应用研究。
一、高压氦放电等离子体的物理特性1.1 氦气的离化能和电离交替氦是常见的惰性气体。
在高电场下，氦原子容易被电离形成离子和电子，这是构成高压氦等离子体的基础。
与氢气相比，氦气的离化能较高，需要更高的电压才能产生等离子体。
当放置一个高电压电极对氦气进行放电时，首先出现的是正离子，接着是电子，然后是负离子。
最终，等离子体中包含大量的离子和电子。
在高压氦放电等离子体中，电离过程有一个非常重要的现象叫做电离交替。
电离交替是指氦原子的电离和复合过程交替进行，随着放电电流的变化，等离子体中的离子和电子的浓度会周期性地变化。
这个周期性变化可以用来研究等离子体中粒子的动力学行为。
1.2 电子冷却和电子密度分布在高压氦放电等离子体中，电子在碰撞过程中会失去能量，这个过程叫做电子冷却。
电子冷却的结果是，电子的能量和速度会随着时间的增加而减少，同时电子的密度也会随着时间的增加而减少。
这个过程可以用于研究等离子体的能量传输和粒子动力学。
在等离子体中，电子密度分布对于等离子体的性质和应用非常重要。
在高压氦放电等离子体中，电子密度分布通常是非均匀的，且存在强烈的空间和时间变化。
这些变化对于等离子体中离子和电子的动力学行为产生重要影响。
1.3 等离子体中的粒子输运和湍流流动等离子体中的粒子输运是指离子和电子在等离子体中的运动和传输行为。
在氦等离子体中，粒子输运和湍流流动是等离子体中两个非常重要的物理过程。
粒子输运决定了等离子体中粒子运动的速度和方向，而湍流流动决定了等离子体中粒子的乱流程度。
这些过程的相互作用会导致等离子体中的复杂动力学行为。
二、高压氦放电等离子体的应用研究2.1 等离子体处理技术高压氦放电等离子体技术为等离子体处理提供了一个强有力的工具。
自持放电的条件
自持放电的条件自持放电是指在特定条件下，电子束在真空中不需要外加电场或磁场的作用下可以持续自发放电。
这种现象在等离子体物理、激光物理和粒子加速器等领域有着广泛的应用。
本文将从等离子体物理角度出发，结合实验和理论研究，深入探讨自持放电的条件。
一、等离子体物理基础1.1 等离子体的定义等离子体是一种带正、负电荷的高度电离气体，其中正、负离子和自由电子存在于气态中。
它具有良好的导电性和磁性，可以受到外部电场或磁场的影响而运动。
1.2 等离子体参数等离子体有很多参数来描述其特性，其中比较重要的包括：密度、温度、平均自由程、Debye长度和Plasma频率等。
二、自持放电实验现象2.1 实验装置通常使用两个平行板构成一个间隙，在真空环境下进行实验。
其中一个平板被加了高压直流电源，另一个作为接收极。
2.2 实验现象当间隙距离很小，电压较高时，电子会从阴极发射出来，经过加速后撞击到阳极上。
这些电子会激发出更多的电子，形成一个电子云层。
当这些电子的密度达到一定程度之后，就会形成等离子体。
等离子体中的自由电子受到外部电场的作用而运动，在撞击到气体分子时会发生碰撞电离和复合反应。
这些反应导致等离子体中的正、负离子和自由电子数目不断增加。
2.3 自持放电现象当等离子体密度达到一定程度时，自由电子在外部场的作用下可以产生共振吸收现象，从而获得足够能量逃逸出来，并进一步激发更多的自由电子。
这种现象称为“自持放电”。
在自持放电状态下，等离子体可以维持很长时间而不需要外部场的维持。
三、自持放电条件3.1 等离子体密度自持放电需要足够高的等离子体密度。
通常情况下，要求等离子体密度大于临界密度（即Plasma频率）才能观察到自持放电现象。
临界密度与气体种类、温度和压力等有关。
3.2 电子能量自持放电需要足够高的电子能量。
在等离子体中，电子的能量主要由外部场和碰撞提供。
当电子能量大于一定值时，它们可以通过共振吸收现象获得足够的能量逃逸出来，从而激发更多的自由电子。
等离子体放电与材料工艺原理(第二版)
等离子体放电与材料工艺原理(第二版)嘿，朋友！咱们今天来聊聊“等离子体放电与材料工艺原理（第二版）”这个听起来挺高深的话题。
你想想啊，等离子体放电，这就好像是一群活跃的小精灵在材料的世界里跳着奇妙的舞蹈。
等离子体呢，就像是充满能量的神秘力量，而放电就是它展现魅力的方式。
材料工艺，这可是个精细活！就好比是一位巧匠在精心雕琢一件珍贵的艺术品。
而等离子体放电在其中的作用，那可大了去了！咱们先来说说等离子体放电是怎么回事。
它可不是随随便便的电流通过，而是一种带着强烈能量的“爆发”。
这股能量能让材料发生奇妙的变化，就好像是给材料施了魔法一样。
你知道吗？等离子体放电能够改变材料的表面性质。
这就好比给一个素颜的人化了个精致的妆容，瞬间变得光彩照人。
它能让材料表面更耐磨、更耐腐蚀，这难道不神奇吗？再想想，要是没有等离子体放电，很多高科技的材料可能就没法达到我们想要的性能。
比如说，在半导体制造中，它能精确地控制材料的微观结构，这就像在一张白纸上画出最精细的线条，一丝一毫都不能出错。
而且啊，等离子体放电还能用于材料的镀膜。
这层膜就像是给材料穿上了一层防护服，让它在各种恶劣环境下都能安然无恙。
这不就像是给战士披上了坚固的铠甲嘛！在材料的合成过程中，等离子体放电也是大显身手。
它能加速化学反应，让原本慢吞吞的过程变得迅速高效。
这感觉就像是给一辆慢腾腾的车加上了超强的引擎，瞬间飞驰起来。
总之，等离子体放电在材料工艺中那是至关重要的。
它就像是一个神奇的工具，能让材料变得更加出色，为我们的生活带来更多的便利和惊喜。
所以说，咱们可得好好研究和掌握这等离子体放电与材料工艺原理，说不定未来就能靠它创造出更多令人惊叹的新材料呢！这难道不值得我们去努力探索吗？。
3 第二章 气体放电和低温等离子体
即使满足碰撞电离条件,也不一定每次碰撞都引起电离— —引入“平均自由程”概念。 平均自由程：一个质点在每两次碰撞间自由通过的平均距离。 碰撞电离是气体放电过程中产生带电质点（离子）的最重要 的方式，由电子引起的电离占主要地位。 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。
其中， 为霍耳系数；为回转频率； 为碰撞频率
四、磁控管和电子回旋共振
1、磁控管
圆筒形阳极和中心轴阴极构成 电极结构，两电极间加电场。 在轴向有与电场垂直的外加磁 场。 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
从绝缘的观点看，潘宁效应是很不利的；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。
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， 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， 金属的电离电位是7-10eV。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。
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。
因为大气层的阻挡，阳光到达地面的波长λ ≥290nm（可见 光波长为380~780nm），因此，普通阳光照射不足以引起 气体分子的光电离。
3、其他电离方式 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：
第二章等离子体的一般性质
Φ(r ) =
q 4πε 0 r
e − r λD
− r λD
（2-14）
这里求出的 Φ ( r ) 称为德拜势，它等于库仑势乘衰减因子 e
；随着距离的增加，德
拜势的降落比库仑势快得多。在距离带电粒子为德拜长度的球面（德拜球）上各点，电势已 将落到库仑势的 1 e ，在球外可以基本上不存在，所以在等离子体内部一个电荷产生的静电 场，被附近其他电荷屏蔽着的，其影响所及不超过德拜半径的范围。 根据上面所述，德拜长度的物理意义为：一方面它是静电作用的屏蔽半径；另一方面， 它 又 是 局 域性 电 荷 分 离的 空 间 尺 度。 在 德 拜 球内 ， 正 负 电荷 是 分 离 的， 在 球 内 各点
2.5 等离子体鞘层
把一团等离子体放在固体壁构成的容器中，就会看到等离子体与固体壁接触处，形成一 个暗区（不发光区） ，带负电的薄层区，它把等离子体包围起来，这一薄层明显地偏离电中 性，我们把这一薄层称为等离子体鞘层。 等离子体鞘层的明显的偏离电中性，即在边界区域正负电荷密度相差很大，形成空间电 荷层。基于不同机制，常见的鞘层有四种，即离子正鞘层、电子负鞘层、阴极双鞘层、不同 参数等离子体交界面上的双鞘层。 我们知道，电子质量比离子质量小得多，而热运动的平均动能一般却是电子的比离子的 大得多。即使两者平均能量相等：
ne e
2
)
1
2
（2-12） 德拜长度为 λD = 7 × 10 −3 cm 。方程（2-10）
KTe = 1eV ,
5
A B r Φ ( r ) = ( ) e − r λD + ( ) e λ D r r
（2-13）
式中 A , B 由边界条件确定。当 r → ∞ 时， Φ = 0 ；当 r → 0 时， Φ = q / 4πε 0 r ，由此 得
射频放电和低压高密度等离子体放电
2.6 电晕放电除了辉光放电之外，还存在另外一种脉冲直流放电，它的阴极时金属丝。
在大气压下，阴极表面施加高负电压时，就会产生放电。
电晕放电产生是因为在阴极周围产生暗辉光。
负极性电晕放电的机理与直流辉光放电类似，正离子被加速向阴极运动，到达阴极后轰击阴极产生二次电子发射。
这些电子被加速进入到等离子体中。
这叫做流光。
也就是前面是高能电子后面跟着低能电子。
高能电子与重粒子发生非弹性碰撞，例如，造成离子化，激发，解列。
因此，等离子体的根部形成，这会造成在碰撞中产生更大的分子。
因此在应用中，点电子动力学和重粒子动力学有很明显的区别。
这两者之间的区别表现在时间上而不是空间上。
在温度和化学性质方面，电晕放电也处于极不平衡的状态。
主要原因是脉冲的作用时间短，如果施加的电压源不是脉冲形式的，那么就会产生高温，引起热电子发射，并向接近平衡状态的弧光放电过渡。
事实上，除了负极性电晕放电外，也存在正极性电晕放电，其中，金属丝上存在正电压，因此它为阳极。
电晕放电的应用包括废气清洁，油漆中挥发性化合物的处理，水的净化等等。
气体或液体中的尘埃能够通过电子的吸附清除掉，电子吸附后，尘埃带负电，这样就能够从气体或液体中隔离了。
2.8 低压、高密度等离子体技术近些年来，很多低压、高密度等离子体放电技术得到应用。
它主要是替代容性射频放电（射频二极管）的蚀刻和皮膜处理应用。
确实，射频二极管的电压和电流不能独立控制，因此，除非施加不同的频率，否则离子冲击通量和冲击能不能单独改变。
而且并不是每次都能施加不同的频率。
因此，要产生适度的离子通量，鞘层电压必须具备很高的数值。
由于高冲击能会对施加在电极上的薄片造成不应有的破坏。
而且，低离子通量和高离子能的结合在应用中会导致较窄的加工面积。
在射频二极管中有限的离子通量导致较低的处理比率，较低的处理比率经常会造成多薄片或成批处理，这会产生薄片间再现能力的损失。
为了克服这些问题，平均离子冲击能应该独立控制离子和中性助溶剂。
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Ii 2 ，因此在取点时仍然会产生较大误差。但是我们观察图像发现 I i1 和 Ii 2 的误
差均在正负 10%左右，分析公式 Te
e I i1 I i 2 dU k I i1 I i 2 dI
U 0
e 1 dU k I i1 / I i 2 I i 2 / I i1 dI
关键词：等离子体；辉光放电；
一、 引言 等离子体作为物质的第四态在宇宙中普遍存在。在实验室中对等离子体的研究是从气体 放电开始的。朗缪尔和汤克斯首先引入“等离子体”这个名称。近年来等离子体物理学有了 较快发展，并被应用于电力工业、电子工业、金属加工和广播通讯等部门，特别是等离子体 的研究，为利用受控热核反应，解决能源问题提供了诱人的前景。 二、 实验原理 1.等离子体及其物理特性 等离子体定义为包含大量正负带电粒子、而又不出现净空间电荷的电离气体。也就是说 其中正负电荷密度相等，整体上呈现电中性。等离子体可分为等温等离子体和不等温等离子 体，一般气体放电的产生的等离子体属于不等温等离子体。 等离子体有一系列不同于普通气体的特性： （1）高度电离，是电和热的良导体，具有比普通气体大几百倍的比热容； （2）带正电的和带负电的粒子密度几乎相等； （3）宏观上是电中性的。 虽然等离子体宏观上是电中性，但是由于电子的热运动，等离子体局部会偏离电中性。电
图5 测量时采样电阻设定为 1000 ，放电电流设定为 90mA。软件自动计算的测量结果如下： U0 = 26.66 V I0 =2907.21 uA tgΦ= 4.52 Te = 2.57E+003 K Ve = 3.15E+005 m/s Ne = 1.45E+018 n/m^3 Ee = 5.31E-020 J
作伏安特性曲线图，纵坐标取电流的对数，如图 6
22026.5 8103.1 2981.0 1096.6
ln I (uA)
403.4 148.4 54.6 20.1 7.4 2.7 1.0 25 30 35 40 45 50 55
Up (V)
图6 六、用双探针法测量等离子体参量 仪器联线如图 7 所示。
荷之间的库伦相互作用，是这种偏离电中性的范围不能无限扩大，最终使电中性得以恢复。 偏离电中性的区域最大尺度成为德拜长度 d 。当系统尺度 L d 时，系统呈现电中性，当系 统尺度 L d 时，系统可能出现非电中性。 2.等离子体的主要参量 描述等离子体的一些主要参量为：
T （1）电子温度 e 。它是等离子体的一个主要参量，因为在等离子体中电子碰撞电离是主要
的，而电子碰撞电离与电子的能量有直接关系，即与电子温度相关联。
（2）带电粒子密度。电子密度为
ne ，正离子密度为 ni ，在等离子体中 ne ni 。
（3）轴向电场强度
EL 。表征为维持等离子体的存在所需的能量。
（4）电子平均动能 Ee 。 （5）空间电位分布。 此外，由于等离子体中带电粒子间的相互作用是长程的库仑力，使他们在无规则的热运动 之外，能产生某些类型的集体运动，如等离子振荡，其振荡频率成为朗缪尔频率或等离子体 频率。电子振荡是辐射的电磁波成为等离子体的存在所需的能量。 3.稀薄气体产生的辉光放电 本实验研究的是辉光放电等离子体。 辉光放电是气体导电的一种形态。 当放电管内的压强保持在 10～102Pa 时，在两电极上加 高电压，就能观察到管内有放电现象。辉光分为明暗相间的 8 个区域，在管内两个电极间的光 强、电位和场强分布如图 1 所示。8 个区域的名称为（1）阿斯顿区， （2）阴极辉区， （3）阴极 暗区， （4）负辉区， （5）法拉第暗区， （6）正辉区， （7）阳极暗区， （8）阳极辉区。其中正辉 区是等离子区。
U 0
(11)
I I 式中 e 为电子电荷， k 为玻耳兹曼常数， i1 ， i 2 为流到探针 1 和 2 的正离子电流。它们由 dU 饱和离子流确定。 dI U 0 是 U 0 附近伏安特性曲线斜率。
电子密度
ne 2I s eS
ne 为：
M kTe
(12)
式中 M 是放电管所充气体的离子质量，S 是两根探针的平均表面面积。I s 是正离子饱和电 流。 四、实验仪器 本实验用等离子体物理实验组合仪、接线板和等离子体放电管。放电管的阳极和阴极由 不锈钢片制成。相关的试验参数如下： 探针直径(mm)： 探针轴向间距(mm)： 0.45 30.00 亥姆霍兹线圈直径(mm)：200.00 亥姆霍兹线圈间距(mm)：100.00
(10)
式中 I0 为ＵP＝Ｕｓ时的电子电流，Ｓ为探针裸露在等离子区中的表面面积。
（2）双探针法。 单探针法有一定的局限性， 因为探针的电位要以放电管的阳极或阴极点位作为参考点，而
且一部分放电电流对探极电流有所贡献，造成探极电流过大和特性曲线失真。 双探针法是在放电管中装两根探针，相隔一段距离 L。双探针法的伏安特性曲线如图 4 所 示。 在坐标原点， 如果两根探针之间没有电位差， 它们各自得到的电流相等， 所以外电流为零。 然而，一般说来，由于两个探针所在的等离子体电位稍有不同，所以外加电压为零时，电流不 是零。 随着外加电压逐步增加，电流趋于饱和。最大电流是饱和离子电流 Is1，Is2。
e U p U s I Ne e 1 4 ne v S e I 0 exp kTe
(2)
(3)
其中，
I0 1 4 n0 ve S e
对(3)式取对数
(4)
ln I ln I 0
eU s eU p kTe kTe
图7 测量时采样电阻设定为 1000 ，放电电流设定为 90mA。软件自动计算的测 量结果如下： I1 = 399.54 uA Ne = 1.95E+017 n/m^3 I2 = 449.24 uA tgΦ= 1.8E-004 Te = 1.39E+004 K
作伏安特性图，曲线如图 8 所示。
600 400 200
(7)
若取以 10 为底的对数，则常数 11600 应改为 5040。 电子平均动能
Ee 和平均速度 ve 分别为：
(8)
Ee 3 2 kT
ve 8kTe me
(9)
m 式中 e 为电子质量。 由(4)式可求得等离子区中的电子密度：
ne 4I0 I 0 eSve eS 2 me kTe
悬浮电位 U F 及空间电位 U s 。 由数据处理可以看到单探针法的误差较大，因为实验所得图-6 没有明显的线 性区以及饱和区，因此在计算 tg 以及确定 U s 时误差很大，这是因为单探针的 离子鞘层的厚度随着 U p 的增加而变化，使得到达探针的电子数较多的偏离理论 值，而且由于离子鞘层厚度的变化使得探针的有效面积发生变化使得电流无法 真正的到达饱和。对于双探针法，离子鞘层对于平行板的影响可以忽略，但是 电流仍无法达到饱和，在确定饱和电流时仍然有较大的随机性。 八、 思考题 1.气体放电中的等离子体有什么特性？ 答：1）高度电离，是电和热的良导体，具有比普通气体大几百倍的比热 容。 2）带正电和带负电的粒子密度几乎相等。 3）宏观为电中性 4）有辉光特性，电子的平均动能远大于其他粒子，处于非平衡状态 2.等离子体有哪些主要参量？ 答：1)电子温度 Te 2)带点粒子密度 n ，电子密度 ne ，正离子密度 ni 3)轴向电场强度 EL 4)电子平均动能 Ee 5)空间点位分布 3.探针法对探针有什么要求? 1）电子和离子打到探针表面后被完全吸收，不会发生次级电子发射。 2）探针熔点要较高，保证其不会在放电过程中熔化。 3）探针不与等离子体发生化学反应。 4）探针的线度适中：小于离子和电子的自由程，减小对等离子体的干 扰；同时要明显大于其表面的正离子鞘层的厚度，以减少离子鞘层的厚度的变 化造成的影响。 5) 使用双探针法时，两探针应垂直于放电电流方向放置，使两个探针所 在的等离子体电位尽量相同。
e U p U s ne n0 exp kTe
(1)
式中ｎo 为等离子区中的电子密度，Ｔe 为等离子区中的电子温度，ｋ为玻耳兹曼常数。 在电子平均速度为 ve 时，在单位时间内落到表面积为Ｓ的探针上的电子数为：
Ne 1 4 ne ve S
将(1)式代入(2)式得探针上的电子电流：
图4 双探针法有一个重要的优点， 即流到系统的总电流决不可能大于饱和离子电流。这是因为 流到系统的电子电流总是与相等的离子电流平衡。从而探针对等离子体的干扰大为减小。
T 由双探针特性曲线，通过下式可求得电子温度 e ：
Te e I i1 I i 2 dU k I i1 I i 2 dI
图1 正辉区使我们感兴趣的等离子区。其特征是：气体高度电离；电场强度很小，其沿轴向有 恒定值。 这使得其中带电粒子的无规则热运动胜过他们的定向运动。所以他们基本上遵从麦克 斯韦速度分布定律。由其具体分布可得到一个相应的温度，即电子温度。但是，由于电子质量 小，他在跟例子或原子做弹性碰撞是能量损失很小，所以电子平均动能比其他粒子打的多。这 是一种非平衡状态。因此，虽然电子温度很高（约为 105 K） ，但放电气体的整体温度并不明显 升高，放电管的玻璃比并不软化。 4. 单探针与双探针法测量原理 测试等离子体的方法被称为诊断。等离子体诊断有探针法，霍尔效应法，微波法， 光谱 法等。本次实验中采用探针法。探针法分单探针法和双探针法。 （1）单探针法。探针是封入等离子体中的一个小的金属电极（其形状可以是平板形、圆 柱形、球形） 。以放电管的阳极或阴极作为参考点，改变探针电位，测出相应的探针电流，得 到探针电流与其电位之间的关系，即探针伏安特性曲线，如图 2 所示。对此曲线的解释为：
南京大学物理系实验报告
题目 姓名: 吕寿亭 实验 2.3 原子力显微镜 2016 年 5 月 1 日 学号：131120180
摘要 本文介绍了等离子体的一些主要特点和等离子体诊断技术以及等离子体的研究前沿和压辉光放电时产生的等离子体的一些基 本物理参数进行测量，对结果加以分析。