第4章气体放电和低温等离子体

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（高密度的等离子体）。
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4.2 气体原子的电离和激发
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。
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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。
v0
qB
Tm
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
v0
v0
F
5
3）如果
v0
与
B斜交成角：粒子作螺旋运动，
T 2m
qB
v v0
B
v//
R
R mv0 sin
qB
h
螺距 h:
h
v //T
v //
2R v
2mv0 cos qB
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2、非均匀磁场
第四章 气体放电和低温等离子体
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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
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4.1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、平行电场
r F
r qE
mar
电子经过电势差为U所得到的能量变成动能。
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。
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。
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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
二体非弹性碰撞内能 mt
传递系数：
mi mt
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
1 mv2 eU 2 故电子与电势差的关系
v 2eU m
3
2、径向电场
两个同轴圆柱电极，两极之间的 电场是径向的。则其强度为：
Er
U1 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：
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2、径向电场和轴向磁场
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。
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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。
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
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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。
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。
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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 Ei
1 2
mt
ut2
1 2
mi vi2
4mi mt
mi mt 2
cos2
二体弹性碰撞 4mimt
能量传递系数： 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。
带电粒子在非均匀磁场中向磁感应强度增加的方向运动
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三、带电粒子在电磁场中的运动
1、正交均匀电磁场
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
R
mE eBBaidu Nhomakorabea2
eB
m
Y方向前进的漂移速度：
E
u
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。
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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。
(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4 。
二、带电粒子在磁场中的运动 1、均匀磁场
当带电粒子沿磁场方向运动时: 粒子作匀速直线运动。
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。
R mv0 qB
T 2R 2 m 2 qB
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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，是气体放电的首要前提。
➢ 电离：若原子从外界获得的能量足够大，以致使一个或几 个电子摆脱原子核的束缚形成自由电子和正离子，这一过 程称为电离。电离所需的能量称为电离能Wi，通常用电子 伏(eV)表示，有时也用电离电位Ui表示， Ui = Wi /e (e为电 子的电荷量)。
B
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2、径向电场和轴向磁场
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。
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。