第二章气体放电和低温等离子体

非常轻的粒子碰撞非常重的粒子（θ=0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， 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。
3、非弹性碰撞的能量转移
目标粒子内能与入射粒 子动能之比的最大值：
U mt cos2
1 2
mi
vi2
mi mt
二体非弹性碰撞 m t 内能传递系数： m i m t
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
2、电子回旋共振（ECR）
当磁场强度一定时， 带电粒子回旋运动的 频率与速度无关
，因此若施加于此频 率相同的变化电场， 则带电粒子将被接力 加速，称为电子回旋 共振。
电子回旋频率与磁场B的关系为
f 2.81010B
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， 但由于电子与其他粒子碰撞及电子回旋
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0.5。即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。
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1。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
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， 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 子。
第二章 气体放电和低温 等离子体
第二章 气体放电和低温等离子体
带电粒子在电磁场中的运动 气体原子的电离和激发 气体放电发展过程 低温等离子体概述 低温等离子体的产生辉光放电 弧光放电 高频放电 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
一、带电粒子在电场中的运动 1、带电粒子在平行电场中的运动
Fr qEr mar
电子经过电势差为U所得到的能量变成动能。
1 mv2 eU 2 故电子与电势差的关系 v 2eU
m
2、带电粒子在径向电场中的运动
两个同轴圆柱电极，两极
之间的电场是径向的。则
其强度为
E
r
U
1U ln r2
2
1 r
r1
设电子以横向速度v0在r=r0处
进入此电场，若电子在r=r0处
受到的径向电场力与惯性离心
力大小相等，方向相反，则径
向加速度为零，于是电子沿圆
周运动，这时电场强度为
(Er )rr0
mv02 er0
若电子以横向速度v1<v0或者v1>v0,则电子的运 动轨迹不为圆周，如图所示。
二、带电粒子在磁场中的运动
1、带电粒子在均匀磁场中的运动
v0
当带电粒子沿磁场方向运动时: 粒子作匀速直线运动。
R
R mv0 sin
qB
h
螺距
h
v//T
v//
2R
v
2mv0 cos
qB
2、带电粒子在非均匀磁场中的运动
三、带电粒子在电磁场中的运动
1、在正交均匀电磁场中的运动
当电子初速度v0=0时，电子 在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 和磁场方向的漂移运动。运动 轨迹为旋轮线。
旋轮半径和旋转角频率 Y方向前进的漂移速度：
当带电粒子的运动方向与磁场方向
垂直时:
粒子在磁场中做匀速圆周运动。
v0
R mv0 qB
T 2R 2 m 2 qB
v0
qB
Tm
F
周期和角频率只与B有关。 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
（3）如果v0 与 B斜交成角
粒子作螺旋运动，
B
T 2m
v v0
qB
v//
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 后漂移到阴极上去。实现等离子体分离。
2、带电粒子在径向电场和轴向磁场中的运动
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 碰撞中做扩散运动。
带电粒子运动轨迹的曲率取决于粒子在两次碰撞间平均 完成旋转的圈数，称为霍耳系数，是重要的等离子体参 数。
运动的能量辐射等，电子获得的动能并不是无限的。 利用ECR得到的高能电子，可以获得更充分的气体 放电。
2.2气体原子的电离和激发
本节主要内容：带电质点（粒子）的产生与消失
一、碰撞- 能量传递过程
1、弹性碰撞和非弹性碰撞
弹性碰撞：若电子 或离子的动能较小， 当其与他原子或分 子碰撞时，达不到 使后者激发或电离 的程度，碰撞双方 仅发生动能交换。
1、弹性碰撞和非弹性碰撞
非弹性碰撞：若电子或离子的动能达到数电 子伏以上，碰撞造成原子或分子的内部状态 发生变化，例如造成原子激发、电离、分子 解离、原子复合及电子附着等。这样的碰撞 称为非弹性碰撞。
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。
2、二体弹性碰撞的能量转移
入射粒子向目标粒子的能量
转移比率：
Et
1 2
mt
ut2
Ei
1 2
mi
vi2
4mi mt mi mt
2 cos2
二体弹性碰撞能量传 递系数：
4 m im t
mi mt 2
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。
非常重的粒子碰撞非常轻的粒子（θ=0时），轻粒子被 碰撞后的速度为入射重粒子速度的两倍。
R
mE eB 2
eB
m
u E
B
漂移速度只与E和B有关，与q、m均无关。不管是正粒子还
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。
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中运动， 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 力，轴向磁场产生的洛伦兹力， 还有离心力。 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 迹如图所示。
பைடு நூலகம்、电离-正离子的形成(带电质点的产生)
产生带电质点的物理过程称为电离(游离)，是气 体放电的首要前提。