等离子体电子工程(20)—等离子体的生成方法I

减少，这使等离子体的生成与维持变得困难。为解决这个问题，除了 上面说到的使用空心阴极的方法之外，利用磁场也是一种有效地方 法。这里 PIG 放电就是其中之一。它在压强低至 104 Pa 的情况下都可 以工作，并在溅射离子真空泵中得到应用。PIG（Penning ionization gauge）这个名称，来源于潘宁发明的冷阴极电离真空计。实际放电 装置的例子如图 5.2 所示，圆筒状阳极的轴向磁场（0.05~0.2T）是通 过给电磁线圈通电来获得的。 离子轰击位于轴方向两端的阴极面使得 二次电子逸出，这些二次电子在鞘层中被加速后沿磁力线方向运动。 它们一旦接近对面阴极，就会在该阴极鞘层中被加速后反射回来，即 电子被两阴极间的势阱限制在磁力线方向上。另一方面，磁场会有效 的抑制电子横跨磁力线在径向的扩散损失。于是，高能量电子的寿命 会变得较长，即使在低气压条件下也完全可能维持等离子体。 利用磁场的另一个方法是磁能管放电。其中，从阴极表面逸出的 二次电子被磁场捕捉，形成 EB 漂移，它们的寿命因此变长。我们在 5.5 节中要对这种放电进行详细叙述。此外，利用表面磁场的方法也 是有效地。
b 点后，电流迅 达到真正放电中的那种电流持续流动的状态。在超过○ c 点就是所谓的放电着火状态，对应的电压 速增大而达到汤生放电。○
是 4.2 节中讲过的着火电压。 在图 5.3 中，放电从 c 点开始后会进入电流增加而电压下降的 c 至 d 点的阶段（前期辉光放电） 。产生这样的负阻现象（ dV / dI 0 ） 是因为等离子体电阻（ V / I ）随等离子体密度增加而变小。若我们再 增大电流， 那么放电就会进入电压一定的 d 至 e 阶段 （正常辉光放电） 。 造成这种定电压特性的原因是，电流密度 j 一定、面积 A 增加而导致 总电流 I Aj 增大。但是，电流超过流过全部阴极面积的 e 点后，放 电就要进入电流密度 j 增加而导致整个电流增大的 e 至 f 阶段（反常 辉光放电） 。 在以上放电开始的 c 点至 f 点的过程中，我们可以看到等离子体 的辉光现象，故这种放电称为辉光放电（glow discharge） 。进一步增 大电流，电压 V 会下降到电离电压值附近而到达 g 点，从而引起电 弧放电。对于这种从辉光到电弧（arc）的转变过程，我们将在 5.3.1 节中给予说明。
图 表面磁场及作用 5.1.2 直流放电模式 对标准的直流放电模式【图 5.1（a） 】的研究由来已久。在 1Torr 左右的压强下测量这种放电过程中电极间的电压 V 和电流 I 的关系，
a 点至○ b 点的开始阶段，电流随着电 不难得到图 5.3 的结果。在途中○
压的升高而增加。这时的微弱电流（称为暗流）是不稳定的，还没有
增加从阴极逸出的电子数量将使放电的起始和维持变得容易， 这
样既可以降低外加电压又可以增大电流。为此，最简单的方法是采用 图 5.1（b）所示的直热式阴极的方法。这时，把钨等高熔点金属加热 到 2500 C 左右会导致热电子逸出。如果阴极表面采用低逸出功的物 质（ BaO, LaB6 等） ，那么即使温度较低（900~1599℃）条件下也可以 得到大量的热电子。例如，图 5.1（c）中所示的从涂有 BaO 的阴极 背面进行间接加热的旁热式热阴极就是一种常用方案。 与无加热的冷 阴极放电相比，这样的热阴极放电在 0.1Pa 的低气压下也可以维持， 并且电流密度可以增大几个数量级。此外，如果放电电压下降到与电 离电压相当的程度，那么在潘宁效应较强的时候，放电电压有时还可 以进一步下ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ到电离电压的三分之一到五分之一。 另外，图 5.1（d）所示的阴极是一端封闭而另一端敞开的直径约 为 1cm 的细圆筒空心（hollow）电极。采用这种阴极可以增加电流密 度从而得到高密度的等离子体，对应的放电称为空心阴极放电。这种 放电是通过下述机理来提高电离效率的。 空心阴极因离子轰击而发射 出的二次电子，由于鞘层的作用在半径方向上被加速，平均自由程 e 大于圆筒直径 d 的二次电子会更接近相反一侧的阴极面。这时，若该 阴极表面鞘层厚度 dc d / 2 ， 则在鞘层内损失掉动能的电子将被反射， 朝着原来一侧的阴极面作加速运动。 即， 势阱中高能量的电子被约束， 其寿命会因此变长；电离次数的增加会提高等离子体密度。因为阳极 有吸收电子的作用，所以采用面积尽可能大的阴极来覆盖等离子体、 同时减少阳极的面积，对加强空心阴极的效果是很重要的。 在低于 1Pa 的低气压条件下，平均自由程变长，电离碰撞的机会
但在其他大部分地方是沿着方位角方向的。所以，要沿半径方向上流 出的电子必须以近乎垂直的角度切割磁力线， 电子的扩散会受到很强 的抑制，这是第二个效应。第三个效应是容器壁附近的鞘层对电子的 静电反射作用（这是一般性的作用，并非一定是表面磁场的作用） 。 以上三方面效应的结合会有效地抑制电子在容器壁表面的损失， 因而 中心区域的等离子体密度上升。分布也变得较为均匀。 这种表面磁场的作用， 最初是把接地金属容器作为阳极而对热阴 极（灯丝）加负电压的直流放电中被发现的。如下面右图所示，磁场 的作用在低气压时是很显著的。如上所述，不仅限于直流放电，即使 在高频或微波放电中，表面磁场也是促进等离子体的高密度化、均匀 化和低气压化的一种有效手段。
第五章 等离子体的生成方法 I——直流方法 5.1 各种放电方法与放电模式 5.1.1 直流放电法 直流放电中，电极上所加电压的极性在时间上是恒定的，我们把 正电位一侧称为阳极，把负电位一侧称为阴极。等离子体的生成和维 持主要是通过阴极鞘层中的电子加速和等离子体中的焦耳加热来实 现的。如图 5.1（a）所示，最简单的基本放电方法是在容器里设置两 块电极板并施加直流电压。我们把这种阴极称为冷阴极，因为通过下 面的例子可知阴极有加热和不加热的区别。 这种放电是通过等离子体 中被加速的离子碰撞阴极表面而产生二次电子来维持的。 这种二次电 子的数量比较少，所以阴极鞘层中需要有强电场，放电电压要达到数 百伏以上。

补充：表面磁场对等离子体的约束作用 沿着放电容器排列大量的永久磁铁， 在容器表面会形成局部磁场 （即称为表面磁场或多极磁场） ，这可以实现放电等离子体的低气压 化、高密度化和均匀化。下面的左图表示了圆筒形容器的外侧按 N 几、S 极相互交叉方式排列着磁铁棒（ B0 0.1T ）的构造截面图。从 图中磁力线的形状可以看到，所谓的线会切形（line cusp）磁场是对 应于一对 N 和 S 而出现的。这种磁场集中在离容器壁表面 1cm 以内 的范围内，其强度随着离开磁铁表面而迅速减弱，所以可认为等离子 体内部几乎不存在磁场。另外，虽然这种磁场能有效的影响电子的运 动，但是对于质量较大的离子来说，拉莫尔半径很大，几乎是在作直 线运动，所以这种磁场对离子不起作用。 电子从无磁场的等离子体中心区域扩散到容器壁附近时， 表面磁 场便会对电子形成如下的约束作用。首先，向着会切部前进的电子在 磁镜效应作用下被反射回中心区域，这时第一个反应。另一方面，若 从中心区域来观察表面磁场，磁力线在线会切部是朝着半径方向的，