由气体放电产生的部分电离等离子体

m
) e v 3/ 2
m v2 2 kT
2
2 kT
2激发态粒子服从波尔兹曼分布
nk
n0
gk Z
Ek
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 n0

2gi g0
(2 mekT )3/2
h3
Ei
e kT
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
低温等离子体及应用
06电光源
杨深
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：
低温等离子体的性质
谢谢！
主要参考资料： 《光源原理与设计》 周泰明 复旦大学出版社 《气体放电物理》 徐学基 诸定昌 复旦大学出版社 《等离子体物理学》国家自然科学基金委员会 《等离子物理学专题报告》 王龙 《light and light sources》 Peter Flesch 《Plasma diagnostic techniques》 H.S.W Massey University college London
Hal* Hal
ignitor
Me* Me
Me+ MeHal
Mo-Foils
ballast
supply voltage
几种金卤灯的发射光谱
高压汞灯
Na- Tl –In 灯
稀土元素 （Dy+Tm+Ho）
等离子体表面处理
（1）等离子体刻蚀
刻蚀是微电子电路加工的关键 工艺，过去的化学法（湿法） 刻蚀方向性差，无法满足亚微 米线宽的工艺要求。而等离子 刻蚀则利用气体放电引起相应 的化学反应，形成刻蚀所需要 的自由基，它们与基地反应生 成易挥发的反应物被流动的气 体带走，而对带保护膜的部分 没有影响，从而达到刻蚀的目 的。
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.
hc
nm
Anm n*
根据波尔兹曼分布，激发态浓度为
n*
n0
gn Z
e En / KT
考虑空间立体角，有
()= 1 4
hc
nm
Anm n0
gn Z
e En / kT
通常选取两条自吸 收率低的谱线：
I1
g1 A1v1
E1 E2
e KT
I2
g2 A2v2
用朗谬尔探针测量电子温度
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
2分子的带状光谱：受激发的分子跃迁产生的辐射。不但分子 内电子能量发生变化，而且分子的转动能量和振动能量也发 生变化，这些谱线的集合就是分子带状光谱。
3连续光谱：a电荷符号相反的粒子相遇时发生复合，多余能
量以光子释放 辐射
E

Ei

En

1 2
mev 2
b韧致
谱线的自然宽度：不确定关系
4谱线的放宽：
多普勒放宽：辐射原子的热运动 谱线的压力放宽：斯塔克放宽（带电粒子的影响）
范氏放宽（同种粒子碰撞影响）
例：不同气压下 的汞放电的光谱
用发射光谱测量电子温度
对于原子的线光谱，辐射功率密度为：
()= 1 4
低温等离子体在光源中的应用
（一）荧光灯 （非平衡等离 子体） 发光原理：电极发射电子，电子在电场作用下与汞原子碰撞发生雪崩电离。同时
电子激发汞原子，主要是 63 P1 共振激发态，当其向基态跃迁时，产生253.7nm
的紫外辐射，经荧光粉转化为可见光 由于存在辐射吸收（禁锢效应），所以汞的蒸气压要控制在合理的范围，一般 在0.8Pa左右。但在这么低的气压下，电子的平均自由程过长，通过双极性扩 散带电粒子损失太大，因此要充200～400pa的氩气或氪气等惰性气体作为缓 冲气体，以减少带电粒子的损失
由气体放电产生的部分电离等离子体，温度低于10ev（10万k）
热等离子体：Te=Ti 低温等离 子体
非平衡等离子体：Te>Ti>Tg
主要微 观过程
电子与原子的弹性碰撞：只交换动量，不 改变位能和电荷
e A A* e E
e A A 2e E
非弹性碰撞与其他作用
A* B A B e E A* hv A
A e A hv
低温等离子的平衡方程及主要模型
粒子平衡


ND
j
(
nj N
)

S
j
0
平衡 方程
热平衡 kgTg SH Cp v Tg 0
辐射平衡
dL ds
L
能量平衡：输入电能=辐射能+热损失
局部热力学平衡（LTE） :热等离子体
诊断模型
日冕模型(Corona model)
碰撞辐射模型（Collision-Radiation）：非平衡等离子体
局部热力学平衡
成立条件：在一个平均自由程尺度的范围内粒子从电场中获得的能量远小于 热运动的能量，且温度的梯度可以忽略
则在该微元内，满足以下假设：
1电子速率服从麦克斯韦分布
f (v) 4 n(
双极性扩散示意图
电磁感应耦合等离子体
（二）金属卤化物放电灯(热等离子体)
典型的金卤灯结构及工作原理
Outer bulb
400 500 600 700 nm
Hg = Mercury Me = Metals Hal = Halids
Hg* Electrodes
Me1Me2Hal
Quartzburner
随机电流 I eJ r As
Jr

1 nv 4

n 4
8Te
m
V1
Vs
V2
对于双探针
I

Ii
tanh

eV 2kTe


dI
eIi
dV I 0,V 0
2kTe
百度文库
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