等离子体电子学
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西安交通大学电子与信息工程学院研究生课程《等离子体电子学》
第六章气体中带电粒子输运的一般性质
主讲人：王洪广
2017-05-10
●直流电场中的电子输运
☐输运参数
⏹前面所讲的电子群参数与此处的输运参数含义基本相同
⏹低温等离子体工业应用中主要涉及两种外加电场：直流电场和射频电场，
两种情况下输运参数不同
⏹直流电场中输运参数依赖于约化场强E/N
⏹射频电场中输运参数同时依赖于E/N和频率
⏹本章内容输运参数的讨论限于流体力学参数范围（E/N<~1000）
●直流电场中的电子输运
☐输运参数（续）
⏹现有输运参数的数据主要来源与实验测量（实验测量是在高气压条件下
进行的，高气压下非流体效应可忽略），有两类主要的实验测量方法
⏹快门栅法（精度高，但只适用于低约化场强情况）
⏹脉冲汤森实验（精度相对低，±3%，但可用于较高约化场强情况）
⏹这些数据可用于低温等离子体的数值模拟
⏹有专门相关的文献和网络数据库
●直流电场中的电子输运
☐电子迁移速度
⏹分为四个主要区段
⏹低约化场强，电子的动能
通过弹性碰撞转移出去
⏹单原子气体，电子的一部
分动能不能交换出去
⏹多原子气体，因为振动激
发态的存在能更有效地吸
收电子的动能
⏹激发，电子的能量可以有
效地交换出去
●直流电场中的电子输运
☐电子迁移速度（续）
⏹不同气体的差别
⏹多原子气体明显存在
III区及相应的极值
⏹单原子和双原子气体
则不明显
多原子分子迁移速度从极大值随
E/N增大而变小的现象称为负微
分电导（具体需要用能带理论去
解释）
●直流电场中的电子输运
☐多原子分子迁移过程中的速度分布
⏹三种不同的约化场强下，可以看到
整体速度从大、到小再变大的变化
情况
●直流电场中的电子输运
⏹扩散参数
⏹低约化场强下，纵向扩散系数
比横向扩散系数小，且
⏹某些特殊情况中，由于气体碰
撞速率的快速降低，导致纵向
扩散系数较大
⏹在高约化场强下，纵、横向扩
散速度基本相等
⏹在10~100Td间，纵横向分量
间存在差值较大
●直流电场中的电子输运
☐电子平均能量
⏹平衡状态的电子能量
⏹电子从电场中获得能量
⏹通过碰撞消耗能量
⏹电子平均能量虽然在连续
性方程中不出现，但它仍
然是一个非常重要的参量
⏹目前还没有可以高精度测
量电子平均能量的方法
●直流电场中的电子输运
☐非弹性过程和弹性过程的速率表示方法
⏹碰撞频率：单位时间内，单个动能为ε的电子与单个气体分子发生碰撞的次数，
表示为：ν ε [cm3s-1]
⏹速率常数：单位时间内，单个电子与单个分子发生碰撞的次数，表示为：k
[cm3s-1]
⏹速率：单位时间内，单个电子发生碰撞的次数R [s-1]
⏹净速率：单位时间内的碰撞次数Λ [cm3s-1]
⏹汤生空间系数：单位长度内，单个电子发生碰撞的次数α [cm-1]
●直流电场中的电子输运
☐激发速率
⏹激发过程比电离过程的阈
值低
⏹激发与辐射相关（等离子
体显示、光源、等离子体
的粒子探测与诊断）
⏹计算过程中：可直接根据
激发态粒子密度来近似计
算辐射强度
激发速率和电离速率对于计算等离子体化学过程
非常重要，可直接用于等离子体模拟
●直流电场中的电子输运
☐电离速率和附着速率
⏹附着过程比激发过程的阈
值更高。气体温度较低时，
电子附着较容易发生
⏹电子附着速率随E/N变换
存在一个峰值，峰值比电
离阈值稍低
⏹电子附着反应产生负电气
体，在E/N略大于附着速
率和电离速率交点处，气
体击穿形成稳定负电气体
●射频电场中的电子输运
☐弛豫时间
⏹在射频电场作用下，电场的大小和方向发生周期性变化，输运过程需要经
历一定时间才能达到某种准稳定状态
⏹当外场变化的时间尺度小于电子的反应的时间尺度时，电子来不及反应，
使得电子群输运又接近直流情况
⏹由于离子的质量大，因此一般都来不及“弛豫”
输运参数不仅与约化场强相关，而且与频率相关
●射频电场中的电子输运
☐弛豫时间(续)
⏹根据能量弛豫方程和动量弛豫方程，可以推导得到能量弛豫时间常数和动
量弛豫时间常数的解析表达式
●射频电场中的电子输运
☐弛豫时间(续)
纯Ar CF
4
●射频电场中的电子输运
☐弛豫时间（续）
⏹电子平均能量在不同频率条件下的弛豫情况
●射频电场中的电子输运
☐弛豫时间（续）
⏹分类(同时依赖于弛豫时间常数和射频场频率)
⏹低频情况：可用准直流场近似，动量和能量都可以弛豫
⏹高频情况：动量可以弛豫，但能量来不及弛豫，会产生一些直流输运无法解
释的现象；在场和输运系数之间会引入一定延迟
⏹甚（特）高频情况：动量和能量都无法弛豫，有延迟；交流/直流比随频率的增
加而降低；延迟相位随频率的增加而增加