3气体放电和低温等离子体
由气体放电产生的部分电离等离子体
I1
g1 A1v1
E1 E2
e KT
I2
g2 A2v2
用朗谬尔探针测量电子温度
随机电流 I eJ r As
Jr
1 4
nv
n 4
8Te
m
V1
Vs
V2
eV
对于双探针
I
Ii
tanh
2kTe
dI
eIi
dV I 0,V 0
2kTe
气体放电的全伏安特性曲线
BD: 汤生放电 DE: 亚辉光放电 EF：正常辉光放电 FG：反常辉光放电 GH：弧光放电
依靠高频辉光放电形成的化学活性游离基与被腐蚀材料发生化学反 应的一种选择性腐蚀方法
（2）等离子体溅射镀膜
在低真空室中,将待溅射物制成靶置于阴极,用高压（通常在1000V以上） 使气体电离形成等离子体,等离子中的正离子以高能量轰击靶面,使待溅 射物的原子离开靶面,淀积到阳极工作台上的基片上,形成薄膜.
e kT
3粒子组分满足化学平衡和质量守衡
4带电粒子浓度满足沙哈方程
neni
2gi
(2 mekT )3/2
Ei
e kT
n0 g0
h3
等离子体光谱 1原子的线光谱：电子与原子碰撞，使其激发，激发态原子退 激发，以辐射的形式放出能量 E hv hc特/ 别的把第 激发态向基态跃迁产生的辐射称为共振辐射
等离子体的一般描述
通俗地说，等离子体就是电离气体，又被称为物质的第四态。按照严格定义， 等离子体指包含自由带电粒子的体系，其中库仑力起主要作用。一般情况下， 等离子体是电子、离子和中性原子组成的混合物。
电中性：宏观尺度上，等离子体空间任意一点呈电中性
德拜屏蔽：
低温等离子体介绍
低温等离子体介绍基本概念等离子体是物质存在的第四种状态。
它由电离的导电气体组成，其中包括六种典型的粒子，即电子、正离子、负离子、激发态的原子或分子、基态的原子或分子以及光子。
事实上等离子体就是由上述大量正负带电粒子和中性粒子组成的，并表现出集体行为的一种准中性气体，也就是高度电离的气体。
无论是部分电离还是完全电离，其中的负电荷总数等于正电荷总数，所以叫等离子体。
等离子体的分类1、按等离子体焰温度分：（1）高温等离子体：温度相当于108~109 K完全电离的等离子体，如太阳、受控热核聚变等离子体。
（2）低温等离子体：热等离子体：稠密高压（1大气压以上），温度103~105K，如电弧、高频和燃烧等离子体。
冷等离子体：电子温度高（103~104K）、气体温度低，如稀薄低压辉光放电等离子体、电晕放电等离子体、DBD介质阻挡放电等离子体、索梯放电等离子体等。
2、按等离子体所处的状态：（1）平衡等离子体：气体压力较高，电子温度与气体温度大致相等的等离子体。
如常压下的电弧放电等离子体和高频感应等离子体。
（2）非平衡等离子体：低气压下或常压下，电子温度远远大于气体温度的等离子体。
如低气压下DC辉光放电和高频感应辉光放电，大气压下DBD介质阻挡放电等产生的冷等离子体。
什么是低温（冷）等离子体？冰升温至0℃会变成水，如继续使温度升至100℃，那么水就会沸腾成为水蒸气。
随着温度的上升，物质的存在状态一般会呈现出固态→液态→气态三种物态的转化过程，我们把这三种基本形态称为物质的三态。
那么对于气态物质，温度升至几千度时，将会有什么新变化呢? 由于物质分子热运动加剧，相互间的碰撞就会使气体分子产生电离，这样物质就变成由自由运动并相互作用的正离子和电子组成的混合物（蜡烛的火焰就处于这种状态）。
我们把物质的这种存在状态称为物质的第四态，即等离子体态(plasma)。
因为电离过程中正离子和电子总是成对出现，所以等离子体中正离子和电子的总数大致相等，总体来看为准电中性。
第二章气体放电和低温等离子体
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。
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。
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 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。
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
低温等离子工作原理
低温等离子工作原理低温等离子是一种在低温条件下产生的等离子体，其工作原理主要涉及电离和激发过程。
在低温等离子体中，气体分子被电子激发或电离，形成带电的离子和自由电子。
这些带电粒子之间的相互作用和碰撞会引发一系列的物理和化学过程，从而产生一些特殊的性质和应用。
低温等离子的工作原理可以分为以下几个步骤：1. 气体放电：在低温等离子体产生的过程中，需要通过电场作用将气体分子电离或激发。
一般情况下，通过加入电压或电流来产生电场，使得气体分子中的电子获得足够的能量，从而跃迁到高能级或被电离。
2. 电子碰撞：在低温等离子体中，电子与其他气体分子或离子之间会发生碰撞。
这些碰撞会导致能量和动量的传递，从而引发一系列的反应和过程。
例如，电子与气体分子碰撞后，可以将能量传递给气体分子，使其激发或电离。
3. 激发和电离：在低温等离子体中，电子与气体分子碰撞后，会激发或电离气体分子。
激发是指电子跃迁到高能级，而电离是指电子从气体分子中脱离，形成带正电荷的离子。
激发和电离过程会释放出能量，产生光辐射或热能。
4. 电子复合和再电离：在低温等离子体中，带电的离子和自由电子会发生碰撞和复合。
这个过程中，带电离子会捕获自由电子，重新形成中性的气体分子。
同时，也会发生再电离的过程，即带电离子再次被电子激发或电离。
低温等离子的工作原理可以应用于多个领域，如材料表面处理、等离子体显示器、等离子体喷涂、等离子体医疗等。
通过控制和调节低温等离子体的参数，可以实现对材料表面的清洁、改性、涂层等处理。
此外，低温等离子体还可以产生丰富的光辐射，用于显示器的照明和发光。
同时，低温等离子体还可以用于医疗领域，如细胞治疗、癌症治疗等。
总结起来，低温等离子的工作原理主要涉及电离、激发、碰撞和复合等过程。
通过控制这些过程，可以实现对材料的处理和改性，以及产生光辐射和热能。
低温等离子的应用领域广泛，对于材料科学、能源、医疗等领域都具有重要意义。
气体放电物理知识要点总结2014-6-6
气体放电物理知识要点总结1．气体放电过程中一般存在六种基本粒子：电子，正离子，负离子，光子，基态原子（或分子），激发态原子（或分子）。
2．光子能量,其中为光的频率，h为普朗克常数。
3．原子能量由原子内部所有粒子共同决定，通常人们感兴趣的是原子最外层电子即价电子，因为气体放电过程主要是由最外层电子参加的。
原子通常处于稳定的能级，成为基态（基态能量E1），当价电子从外界获得额外能量时，它可以跳跃到更高能级，此时原子处于激发态（激发态能量E2），电子处于激发态的时间很短，然后会跃迁到基态或低激发态，并以光子形式释放出能量（）。
当电子获得的能量超过电离能时，电子就与原子完全脱离而成为自由电子，原子变为正离子。
4．正离子也可被电离，负离子是电子附着到某些原子或分子上而形成的。
负离子的能量等于原子或分子的基态能量加上电子的亲和能。
气体放电中的带电粒子是电子和各种离子（正离子和负离子）。
每种离子都将影响气体放电的电特性，电子的作用通常占主导地位。
5．波数等于波长的倒数，表示在真空中每厘米的波长个数。
即6. 原子所处的状态取决于其核外电子的运动状态，可用四个量子数来描述。
主量子数n(n=1,2,3…), 它是由电子轨道主轴的尺寸决定；轨道角量子数l，(l=0,1,2,3…n-1),它是由椭圆轨道的短轴和长轴之比决定。
轨道磁量子数m l,其取值范围为，它是由轨道相对于磁场的位置决定的；自旋磁量子数.7．在光谱中，将电子组态用规定的符号来标志，轨道角量子数用字母s,p,d,f等表示，相应的l值分别为0，1，2，3等。
电子组态所形成的原子态符号可以表示为第二章.气体放电的基本物理过程1．带电离子的产生方式：碰撞电离，光电离，热电离，金属表面电离2．电子与原子碰撞时，若碰撞不引起原子内部的变化，这种碰撞称为弹性碰撞，若电子能量足够大，电子与原子碰撞后，可引起原子内部发生变化，即引起原子的激发或电离，这种碰撞称为非弹性碰撞。
低温等离子体的产生方法
低温等离子体的产生方法低温等离子体是指温度低于室温、高于绝对零度的气体中的正离子和自由电子共存并局部电中性的状态。
低温等离子体在物理、化学和工程学等领域具有广泛的应用，如等离子体显示器、等离子体刻蚀、等离子体辅助化学反应等。
在以下的回答中，我将介绍几种产生低温等离子体的方法：1.放电法产生低温等离子体：这是最常见的一种方法。
通过在气体中传递电流产生放电，使气体中的分子碰撞、电离、激发从而形成等离子体。
例如，高压电晕放电等离子体是利用电极间的放电空间产生的。
2.激光等离子体产生法：激光可以提供高强度、短脉冲的能量，通过作用于气体或固体材料，产生高温和高电子密度的等离子体。
这种方法常用于激光等离子体刻蚀、激光等离子体化学反应等领域。
3.等离子体电化学法：在液体中使用电流产生等离子体现象。
例如，在含有电解质的溶液中通电，产生电解质的阳离子和自由电子，形成等离子体。
这种方法常用于等离子体修复和合成化学反应等领域。
4.电子束法：通过电子束轰击气体或固体材料，使其电离、激发从而形成等离子体。
这种方法常用于电子束等离子体刻蚀技术、电子束等离子体源等领域。
5.射频等离子体法：通过高频电场（射频场）在气体中激发电离和激发过程，形成等离子体。
在射频等离子体法中，通常使用带有射频电源的电极（如平行板电极、螺旋电极），将气体放置在电极之间形成射频等离子体。
这种方法常用于等离子体刻蚀、等离子体辅助化学反应等领域。
需要注意的是，这些方法产生的低温等离子体都有一定的特性和优缺点。
例如，放电等离子体和射频等离子体相对易于产生，但温度较高，常用于需要高温等离子体的应用；而激光等离子体和电子束等离子体产生的温度较低，但设备复杂、成本较高。
因此，在具体应用时需要根据实际需求选择合适的方法来产生低温等离子体。
低温等离子工作原理
低温等离子工作原理一、概述低温等离子技术是一种应用广泛的高新技术，通过在低温环境下产生等离子体，可以实现多种应用，如表面处理、材料改性、气体清洁等。
本文将详细介绍低温等离子工作原理及其应用领域。
二、低温等离子工作原理低温等离子技术是通过在低温环境下产生等离子体来实现各种应用。
等离子体是一种高度激发的气体状态，由电子、离子和中性粒子组成。
在低温等离子体中，电子与气体分子发生碰撞，使得气体分子电离，产生大量自由电子和正离子。
这些自由电子和离子具有高度活性，可以用于表面处理、材料改性等应用。
低温等离子工作原理主要包括以下几个步骤：1. 气体放电：通过在低温环境下施加高电压，使得气体分子发生电离，产生等离子体。
放电可以采用不同的方式，如直流放电、交流放电、脉冲放电等。
2. 等离子体形成：在气体放电的作用下，气体分子电离产生大量的自由电子和正离子，形成等离子体。
等离子体的性质取决于气体的组成和放电条件。
3. 等离子体反应：等离子体中的自由电子和正离子具有高度活性，可以与材料表面发生反应。
这些反应包括化学反应、物理反应和生物反应等，可以实现表面处理、材料改性等效果。
4. 等离子体消失：等离子体在一定时间内保持活跃，随着时间的推移，等离子体中的自由电子和正离子逐渐重新组合成气体分子，等离子体逐渐消失。
三、低温等离子应用领域低温等离子技术具有广泛的应用领域，以下是几个典型的应用案例：1. 表面处理：低温等离子技术可以用于表面清洁、去污、除油等处理。
例如，在半导体制造过程中，可以使用低温等离子技术清洗硅片表面，去除杂质，提高硅片的质量和性能。
2. 材料改性：低温等离子技术可以改变材料的表面性质，如增加材料的硬度、耐磨性、耐腐蚀性等。
这对于提高材料的性能和延长使用寿命具有重要意义。
例如，在汽车制造过程中，可以使用低温等离子技术对发动机零部件进行硬化处理，提高其耐磨性和耐腐蚀性。
3. 气体清洁：低温等离子技术可以用于气体清洁，如去除有害气体、净化空气等。
低温等离子体发生器
低温等离子体发生器在现代科学技术领域，等离子体技术被广泛应用于各种领域，低温等离子体发生器是其中的一种重要设备。
低温等离子体发生器是一种能够产生低温等离子体的装置，其通过特定的方式实现气体离子化的过程，为研究、工业生产等多个领域提供了重要的支撑。
1. 低温等离子体发生器的原理低温等离子体发生器通常由气体供给系统、电源系统、等离子体反应室等组成。
其工作原理主要是通过气体放电，将气体原子或分子激发成其对应的局部电离状态，生成低温等离子体。
这种低温等离子体通常包含电子、正离子、中性原子等组成部分，在不同的应用中，可以调节气体种类、电场强度等参数以获得特定性质的等离子体。
2. 低温等离子体发生器的应用低温等离子体发生器在材料表面处理、等离子体改性、化学气相沉积等领域具有重要应用。
在材料表面处理中，低温等离子体发生器可实现表面清洁、活化处理、涂层制备等功能，提高材料表面的性能。
在化学气相沉积过程中，低温等离子体发生器能够提供高效的激发气体，促进反应物质的分解和沉积，实现薄膜的生长和改性。
此外，低温等离子体发生器还可用于生物医学领域的细胞处理、药物释放等方面，为医学领域提供新的可能性。
3. 低温等离子体发生器的发展前景随着科学技术的不断发展，低温等离子体发生器的性能和应用范围将进一步拓展。
在新材料的研究中，低温等离子体发生器将发挥更大的作用，为新型材料的研发提供有力支持。
同时，在能源、环保等领域，低温等离子体发生器也将发挥重要作用，实现资源的高效利用和环境的改善。
综上所述，低温等离子体发生器作为一种重要的等离子体装置，在不同领域中具有广泛的应用前景。
随着相关技术的不断推进，低温等离子体发生器将在科学研究、工业生产等领域发挥重要作用，为人类社会的进步和发展贡献力量。
低温等离子工作原理
低温等离子工作原理一、概述低温等离子是一种利用电离气体产生等离子体的技术，其工作原理基于气体份子在电场作用下发生电离和激发，形成带电离子和自由电子。
低温等离子广泛应用于材料表面处理、光源制备、化学反应、等离子体显示等领域。
二、工作原理1. 气体电离低温等离子的工作原理首先涉及气体电离。
当气体置于电场中时，电场会加速气体份子的运动，使其具有足够的能量与其他份子碰撞。
当份子碰撞能量超过电离能时，份子会失去电子，形成正离子和自由电子。
2. 粒子输运电离后的正离子和自由电子在电场的作用下会受到力的驱动，沿着电场方向运动。
正离子和自由电子的运动速度取决于它们的电荷和质量，通常正离子的质量较大，速度较慢，而自由电子的质量较小，速度较快。
3. 碰撞与复合在低温等离子体中，正离子和自由电子会与其他份子发生碰撞。
这些碰撞可以使正离子和自由电子再次复合成为中性份子，释放能量。
复合过程中释放的能量可以用于激发其他份子或者产生光辐射。
4. 等离子体参数控制低温等离子的工作原理还涉及对等离子体参数的控制。
等离子体的参数包括电子温度、离子密度、电子密度等。
这些参数的控制可以通过调整电场强度、气体种类温和体压力等来实现。
三、应用领域1. 表面处理低温等离子在材料表面处理中具有广泛应用。
通过调整等离子体参数，可以实现对材料表面的清洁、改性、涂层等处理。
例如，等离子体刻蚀可以用于制备微细结构，等离子体沉积可以用于制备薄膜。
2. 光源制备低温等离子可以用于制备各种光源。
通过激发气体份子，可以产生特定波长的光辐射。
这种光源在光谱分析、荧光显示、激光器等领域有重要应用。
3. 化学反应低温等离子可以用于促进化学反应的进行。
等离子体中的高能电子可以激发份子，使其发生化学反应。
此外，等离子体中的活性物种还可以直接参预化学反应，加速反应速率。
4. 等离子体显示低温等离子在等离子体显示器中起到关键作用。
等离子体显示器利用气体放电产生的等离子体来激发荧光材料，产生可见光。
低温等离子
低温等离子体本词条缺少名片图，补充相关内容使词条更完整，还能快速升级，赶紧来编辑吧！低温等离子体是继固态、液态、气态之后的物质第四态，当外加电压达到气体的着火电压时，气体分子被击穿，产生包括电子、各种离子、原子和自由基在内的混合体。
中文名低温等离子体别名非平衡态等离子体目录1. 1 物理解释2. 2 状态解释3. 3 产生方法1. 4 产生条件2. 5 应用3. 6 领域1.7 技术开发物理解释编辑低温等离子体放电过程中虽然电子温度很高，但重粒子温度很低，整个体系呈现低温状态，所以称为低温等离子体，也叫非平衡态等离子体。
低温等离子体如果电子的温度和重粒子温度差不多，则为高温等离子体，或平衡态等离子体。
低温等离子体中能量的传递大致为：电子从电场中得到能量，通过碰撞将能量转化为分子的内能和动能，获得能量的分子被激发，与此同时，部分分子被电离，这些活化了的粒子相互碰撞从而引起一系列复杂的物理化学反应。
因等离子体内富含的大量活性粒子如离子、电子、激发态的原子和分子及自由基等，从而为等离子体技术通过化学反应处理异味物质提供了条件。
它是基于放电物理、放电化学、反应工程学的学科之上的交叉学科。
近几十年来，有关等离子体技术的研究非常活跃，为合成新物质、新材料及环境污染治理等提供了一种新技术、新方法和新工艺。
低温等离子体降解污染物是利用这些高能电子、自由基等活性粒子和废气中的污染物作用，使污染物分子在极短的时间内发生分解，并发生后续的各种反应以达到降解污染物的目的。
但是，无论是哪一种高压放电技术，都是通过高压放电的原理，必须充分考虑到爆炸问题，特别是在易燃易爆的化工场合。
状态解释编辑冰升温至0℃会变成水，如继续使温度升至100℃，那么水就会沸腾成为水蒸气。
随着温度的上升，物质的存在状态一般会呈现出固态→液态→气态三种物态的转化过程，我们把这三种基本形态称为物质的三态。
那么对于气态物质，温度升至几千度时，将会有什么新变化呢? 由于物质分子热运动加剧，相互间的碰撞就会使气体分子产生电离，这样物质就变成由自由运动并相互作用的正离子和电子组成的混合物（蜡烛的火焰就处于这种状态）。
气体放电现象及其应用
气体放电的研究报告一、气体放电基本理论1、气体放电的定义气体放电是人们在自然界与日常生活中常常碰到的现象，如闪电、日光灯等，它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。
气体放电是产生低温等离子体的主要途径。
所谓的低温等离子体是区别于核聚变中高温等离子体而言的。
低温等离子体物理与技术在经历了一个由20世纪60年代初的空间等离子体研究向80年代和90年代以材料及微电子为导向的研究领域的重大转变之后，现在已经成为具有全球影响的重要课题，其发展对于高科技经济的发展及传统工业的改造有着巨大的影响。
2、气体放电的基本理论气体放电的经典理论主要有汤森放电理论和流注放电理论等。
1903年，为了解释低气压下的气体放电现象，汤森(J．S．Townsend)提出了气体击穿理论，引入了三个系数来描述气体放电的机理，并给出了气体击穿判据。
汤森放电理论可以解释气体放电中的许多现象，如击穿电压与放电间距及气压之间的关系，二次电子发射的作用等。
但是汤森放电解释某些现象也有困难，如击穿形成的时延现象等；另外汤森放电理论没有考虑放电过程中空间电荷作用，而这一点对于放电的发展是非常重要的。
电子雪崩中的正离子随着放电的发展可以达到很高的密度，从而可以明显的引起电场的畸变，进而引起局部电子能量的加强，加剧电离。
针对汤森放电理论的不足，1940年左右，H．Raether及Loeb、Meek等人提出了流注(Streamer)击穿理论，从而弥补了汤森放电理论中的一些缺陷，能有效地解释高气压下，如大气压下的气体放电现象，使得放电理论得到进一步的完善。
近年来，随着新的气体放电工业应用的不断涌现及实验观测技术的进一步发展，将放电理论与非线性动力学相结合，利用非线性动力学的方法来研究气体放电中的各种现象成为气体放电研究中的重要内容。
3、气体放电的主要类型通常，低气压、低温等离子体是在1~100Pa的气体中进行直流、射频或微波放电产生的，而大气压下产生低温等离子体的主要方式有电晕放电、电弧放电和介质阻挡放电(DBD)。
低温等离子体类型
低温等离子体类型低温等离子体是指在相对较低的温度下形成的等离子态物质。
它具有许多独特的性质和应用，对于科学研究和工程技术都具有重要意义。
本文将介绍几种常见的低温等离子体类型及其特点。
首先，常见的一种低温等离子体是气体放电等离子体。
这种等离子体通常是通过在气体中施加电场来产生的。
它的形态和性质取决于气体种类、电场强度和温度等因素。
气体放电等离子体常用于气体放电灯、等离子体显示器等领域，具有较高的电导率和较稳定的等离子体态。
第二种低温等离子体是辉光放电等离子体。
辉光放电是指在低压环境下，电场作用下的等离子体发光现象。
辉光放电等离子体常见于气体放电管、荧光灯等器件中。
它具有明亮而稳定的辐射光，可以用于照明、显示和激发荧光物质等应用。
第三种低温等离子体是电子密度很低的冷等离子体。
这种等离子体的电子密度通常远远低于常规等离子体，但具有较高的电子温度。
冷等离子体的电子与离子之间具有较强的非平衡性，可以用于研究等离子体物理、等离子体诊断以及与冷等离子体相关的应用。
最后，还有一种重要的低温等离子体是等离子体临界点附近的等离子体。
这种等离子体处于临界点附近的温度和密度范围内，具有丰富的相变和相稳定性。
等离子体临界点附近的等离子体在研究和应用中被广泛使用，如等离子体催化、等离子体医学等领域。
总的来说，低温等离子体是一种独特而重要的物质态，在科学研究和工程技术中具有广泛的应用前景。
各种类型的低温等离子体在不同领域都发挥着重要作用，对于推动科学进步和解决实际问题具有重要意义。
因此，深入研究和理解低温等离子体的性质和特点，对于推动相关领域的发展具有重要意义。
物理实验技术中的气体放电与等离子体技术
物理实验技术中的气体放电与等离子体技术近年来，气体放电与等离子体技术在物理实验中得到了广泛的应用。
在科学研究领域中，等离子体被用于研究物质的性质，开展气体放电实验，以及开发新型的电子设备。
本文将探讨气体放电与等离子体技术在物理实验中的应用以及其相关特点和意义。
一、气体放电实验气体放电是指在适当的条件下，气体中存在的电子被加速并与气体中其他原子或分子发生碰撞，从而产生高能态的电离现象。
气体放电实验可通过引入外部电场、施加粒子束等方式来激发气体分子和原子，产生电离，从而形成等离子体。
气体放电实验的一个重要应用是光谱分析。
通过对气体放电后发射的光谱进行分析，可以了解气体元素的谱线特征，从而确定物质的成分和性质。
这在天文学研究中尤为重要，例如利用太阳光的特征谱线来了解太阳的组成和动力学过程。
二、等离子体技术等离子体是一种高度电离的气体，由电子、离子和中性分子共同组成。
等离子体的电离度高，具有很好的导电性和热释放能力，因此被广泛应用于物理实验中。
等离子体技术的一个重要应用是等离子体刻蚀。
利用等离子体的离子和电子能量较高的特点，可以将这些能量转化为物质表面的化学反应能量，从而实现对物质的刻蚀。
这一技术被广泛应用于半导体制造和纳米加工领域。
除了刻蚀，等离子体还可以用于材料表面的改性。
等离子体束可以利用其高能离子的加速能力，将离子束引入到材料的表面，从而改变材料的性质。
例如，通过氮离子束轰击材料表面，可以增强材料的硬度和抗腐蚀性，提高材料的耐磨性。
三、气体放电与等离子体技术的意义气体放电与等离子体技术在物理实验中具有重要的意义。
首先，气体放电实验可以提供关于物质性质的重要信息。
通过观察气体放电时物质的电离行为和发射光谱，可以推断物质的成分、能级结构以及反应机制等。
其次，等离子体技术可以用于制造高性能的电子设备。
利用等离子体刻蚀和表面改性技术，可以在纳米尺度上制造出微电子器件。
这些器件具有更高的性能和更小的尺寸，对信息存储、通信和传感器技术等领域有着广泛的应用。
气体放电等离子体及应用的研究进展
气体放电等离子体及应用的研究进展石峰;王昊【摘要】由于气体放电在材料处理、热核聚变、环境净化以及等离子体推力器等各个前沿科学领域中具有广泛的应用.为了推动气体放电及等离子体理论与应用技术的研究和发展,综述了近年来各种典型气体放电机理的发展.分析了直流辉光放电、介质阻挡放电、大气压辉光放电、电子回旋共振放电、容性耦合射频放电的国内外研究现状,最后介绍了气体放电等离子体的应用领域.%Gas discharge is the main way to produce low temperature plasma,and exists widely in people's daily life. Its development has a great impact on the development of high-tech economy and the transformation of traditional indus-tries.In this paper,the classification and principle of gas discharge,the conditions of dischargeand Characteristics of gas discharge plasma are described.Finally,the application fields of gas discharge plasma are introduced.【期刊名称】《真空与低温》【年(卷),期】2018(024)002【总页数】6页(P80-85)【关键词】气体放电;直流放电;射频放电;介质阻挡放电;容性耦合射频放电;等离子体应用【作者】石峰;王昊【作者单位】河南理工大学物理与电子信息学院,河南焦作454000;河南理工大学物理与电子信息学院,河南焦作454000【正文语种】中文【中图分类】O530 引言在自然状态下，气体通常处于绝缘状态，但是在外加电场时，气体分子就被电离成电子和离子，因此，气体放电是产生低温等离子体的主要方式[1]。
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。
低温等离子体工作原理
低温等离子体工作原理低温等离子体是一种在相对较低温度下产生的等离子体，其工作原理是通过加热气体并施加电场或电磁场来激发气体分子或原子，使其电离形成等离子体。
本文将详细介绍低温等离子体的工作原理及其应用。
一、低温等离子体的工作原理低温等离子体的工作原理主要包括以下几个方面：1. 气体激发：在低温等离子体中，通过加热气体使其分子或原子具备足够的能量，以激发其内部电子。
常用的加热方式包括电阻加热、微波加热和射频加热等。
加热后的气体分子或原子处于高能级状态。
2. 电离：通过施加电场或电磁场，使高能级的气体分子或原子失去一个或多个电子，形成正离子和自由电子。
这些正离子和自由电子共同组成了等离子体。
3. 等离子体特性：等离子体具有电中性、导电性和反应性等特性。
正离子和自由电子的运动导致等离子体具有电导率，可以传导电流。
等离子体还具有较高的反应活性，可以参与各种化学反应。
二、低温等离子体的应用低温等离子体在许多领域都有广泛的应用，以下是几个常见的应用领域：1. 环境净化：低温等离子体可以通过氧化、还原和降解等反应来处理废气、废水和废物，达到净化环境的目的。
例如，利用低温等离子体可以将有害气体如甲醛、苯等转化为无害物质。
2. 表面处理：低温等离子体可以在材料表面形成致密的氧化膜或氮化膜，提高材料的硬度、耐磨性和耐腐蚀性。
这在金属加工、涂层制备和表面改性等方面具有广泛应用。
3. 医疗应用：低温等离子体可以用于医疗领域的消毒、杀菌和治疗。
例如，利用低温等离子体可以杀灭空气中的细菌和病毒，保持医疗环境的洁净。
4. 光源和显示器件：低温等离子体可以用于制备光源和显示器件，如等离子体显示器（Plasma Display Panel，PDP）和气体放电灯。
这些器件具有高亮度、高对比度和宽视角等优点。
5. 等离子体刻蚀：低温等离子体可以用于微电子器件的制造过程中的刻蚀。
通过控制等离子体中的离子能量和密度，可以实现对材料的精确刻蚀，用于制造微细结构。
低温等离子体技术在化学中的应用
低温等离子体技术在化学中的应用低温等离子体技术是新兴的一种处理技术，它是将气体置于一定电位下，使气体离子化并产生等离子体。
这种技术已经应用于许多领域，如生物医学、环境保护、材料科学等。
在化学中，低温等离子体技术也有着广泛的应用，特别是在原子吸收光谱、放电离子化质谱分析、有机合成、表面处理等方面。
一、原子吸收光谱低温等离子体技术在化学分析中的最重要应用是原子吸收光谱。
原子吸收光谱是一种分析技术，它通过测量吸收光的量来确定物质中含量的多少。
在原子吸收光谱中，样品被烧成一个气态的雾状，然后被一个低温的等离子体所激发，这样就可以使原子被激发转移到激发态。
然后，通过测量吸收光的量来确定物质中含量的多少。
二、放电离子化质谱分析放电离子化质谱分析是一种常用的化学分析方法。
它利用离子化分子的产生来分析分子结构和化学特性。
在放电离子化质谱中，样品被置于一个涂有电极的室内，然后被夹在两个重压的玻璃板之间。
然后加上一定电压，使气体离子化并产生等离子体。
通过测量样品中的离子量和质量，可以确定样品中的化学成分和结构。
三、有机合成低温等离子体技术在有机化学中也有着广泛的应用。
它可以用于合成各种有机化合物，如有机胺、酮、醇、酸等。
在有机合成中，低温等离子体技术具有以下特点：1. 合成操作简单方便，反应时间短，可以大量生产高纯度的有机化合物。
2. 可以制备多种化合物，包括高分子化合物、氨基酸、脂肪酸等。
3. 低温等离子体技术允许使用低温条件下生成复杂的有机化合物，因此该方法适用于制备高温不稳定或高温不充分反应的复杂有机化合物。
四、表面处理低温等离子体技术还可以用于表面处理。
它可以用于改变表面特性、处理表面缺陷、增强表面特定性能等。
表面处理技术在材料科学中具有重要应用，能够大幅提高材料的性能和使用寿命。
低温等离子体技术使用气体放电生成等离子体，在表面进行刻蚀、改变其化学性质。
这种方法可以改变表面的粗糙度、摩擦系数、润湿性、导电性等性质。
第三章 气体放电等离子体概论
德拜屏蔽
由于正离子和电子的空间电荷在特定的空间尺度和时间尺度上相互抵消，使等离子体在宏观 上呈现电中性，但由于粒子热运动的扰动或存在外界干扰等缘故，使电中性受到局部破坏，等离 子体对电中性破坏非常敏感，具有变成电中性的强烈倾向，准中性主要是靠带相反电荷粒子间的 强电作用维持的，而电荷分离则主要靠外加电场或等离子体本身的热能。
鞘层的厚度
鞘层的厚度
温度越高，导致使电荷分离的粒子热运动动能越大， 所以鞘层的厚度越大。另外，粒子密度越大，鞘层越薄。在 一般放电管中，粒子的密度是足够大的，鞘层的厚度远小于 放电管的半径，所以管内主要部分为电中性的等离子体。
形成鞘层的条件
预鞘层
在预鞘层中要满足两个相互矛盾的条件。一方面在预鞘层中存 在电场，它加速离子而阻止电子，另一方面，在预鞘层中准电中性条件 还成立。预鞘层——这既不是鞘层，也不是等离子体。
• 中子态：中子星的前身一般是一颗质量比太阳大8倍的恒星。它
在爆发坍缩过程中产生的巨大压力，使它的物质结构发生巨大的变化 。在这种情况下，不仅原子的外壳被压破了，而且连原子核也被压破 了。原子核中的质子和中子便被挤出来，质子和电子挤到一起又结合 成中子。最后，所有的中子挤在一起，形成了中子星。显然，中子星 的密度，即使是由原子核所组成的白矮星也无法和它相比。在中子星 上，每立方厘米物质足足有一亿吨重甚至达到十亿吨。
气体放电的相似性
• 研究气体放电的相似性是便于对气体放电进 行分类研究； • 气体放电相似定律（Similarity Law）：相 似的放电区间具有相同的伏安特性曲线 • 两个几何上相似的放电系统，当电极上加相 同的电压时，将产生同样的放电电流。并且 电位分布及电流分布在几何上也相似。
气体放电的相似性
低温等离子体(介质阻挡放电)
低温等离子体技术简介（介质阻挡放电)所谓等离子体是继固体、气体、液体三态后,列为物质的第四态，由正离子、负离子、电子和中性离子组成,因体系中正负电荷总数相等，故称为“等离子体"。
等离子体按粒子温度可分为平衡态（电子温度=离子温度）与非平衡态（电子温度>〉离子温度）两类。
非平衡态等离子体电子温度可上万度，离子及中性离子可低至室温，即体系表观温度仍很低，故称“低温等离子体”，一般由气体放电产生。
气体放电有多种形式,其中工业上使用的主要是电晕放电（在去除废气中的油尘上应用已相当成熟）和介质阻挡放电（用于废气中难降解物质的去除)两种。
低温等离子体技术是近年发展起来的废气处理新技术，低温等离子体处理废气的原理为：当外加电压达到气体的放电电压时，气体被击穿，产生包括电子、各种离子、原子和自由基在内的混合体。
低温等离子体降解污染物是利用这些高能电子、自由基等活性粒子和废气中的污染物作用，使污染物分子在极短的时间内发生分解，以达到降解污染物的目的。
低温等离子体的产生途径很多,我们使用的低温等离子体工业废气处理技术采用的放电形式为双介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge，简称DBD）。
装置示意图如图1所示。
图1 介质阻挡放电示意图DBD放电净化设备优点:介质阻挡放电是一种获得高气压下低温等离子体的放电方法，由于电极不直接与放电气体发生接触，从而避免了电极的腐蚀问题.介质阻挡放电等离子体技术具有以下优点:①介质阻挡放电产生的低温等离子体中，电子能量高,几乎可以和所有的气体分子作用。
②反应快，不受气速限制。
③电极与废气不直接接触，不存在设备腐蚀问题。
④只需用电，操作极为简单，无需专人员看守，基本不占用人工费.⑤设备启动、停止十分迅速，随用随开,不受气温的影响。
⑥气阻小,适用于高流速，大风量的废气处理。
⑦工艺已相对成熟.低温等离子体技术(介质阻挡放电)净化原理为：在外加电场的作用下,介质放电产生的大量携能电子轰击污染物分子，使其电离、解离和激发，然后便引发了一系列复杂的物理、化学反应，使复杂大分子污染物转变为简单小分子安全物质，或使有毒有害物质转变为无毒无害或低毒低害物质，从而使污染物异味得以降解去除。
等离子体的分类
等离子体的分类1、按等离子体焰温度分：（1）高温等离子体：温度相当于10~10 K完全电离的等离子体，如太阳、受控热核聚变等离子体。
（2）：热等离子体：稠密高压（1大气压以上），温度10~10K，如电弧、高频和燃烧等离子体。
冷等离子体：电子温度高（10~10K）、气体温度低，如稀薄低压辉光放电等离子体、电晕放电等离子体、DBD介质阻挡放电等离子体、索梯放电等离子体等。
2、按等离子体所处的状态：（1）平衡等离子体：气体压力较高，电子温度与气体温度大致相等的等离子体。
如常压下的电弧放电等离子体和高频感应等离子体。
（2）非平衡等离子体：低气压下或常压下，电子温度远远大于气体温度的等离子体。
如低气压下DC辉光放电和高频感应辉光放电，大气压下DBD介质阻挡放电等产生的冷等离子体。
什么是低温（冷）等离子体？冰升温至0℃会变成水，如继续使温度升至100℃，那么水就会沸腾成为水蒸气。
随着温度的上升，物质的存在状态一般会呈现出固态→液态→气态三种物态的转化过程，我们把这三种基本形态称为物质的三态。
那么对于气态物质，温度升至几千度时，将会有什么新变化呢? 由于物质加剧，相互间的碰撞就会使气体分子产生电离，这样物质就变成由自由运动并相互作用的正离子和电子组成的混合物（蜡烛的火焰就处于这种状态）。
我们把物质的这种存在状态称为物质的第四态，即等离子体态(plasma)。
因为电离过程中正离子和电子总是成对出现，所以等离子体中正离子和电子的总数大致相等，总体来看为准电中性。
反过来，我们可以把等离子体定义为：正离子和电子的密度大致相等的电离气体。
从刚才提到的微弱的蜡烛火焰，我们可以看到等离子体的存在，而夜空中的满天星斗又都是高温的完全电离等离子体。
据印度天体物理学家沙哈(M·Saha，1893-1956)的计算，宇宙中的99.9%的物质处于等离子体状态。
而我们居住的地球倒是例外的温度较低的星球。
此外，对于自然界中的等离子体，我们还可以列举太阳、电离层、极光、雷电等。
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二、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。
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 2.81010 B
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
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：
4mi mt
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。
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。
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
v//
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。
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
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。
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
F qE ma
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U2 ln r2
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
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
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。
旋轮半径和旋转角频率 Y方向前进的漂移速度：
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。
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
1 2
mi vi2
mi
mt
mt
cos
2
二体非弹性碰撞 mt 内能传递系数： mi mt