气体放电和各种等离子体源
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N=ead≈4×106 （汤生放电）
高气压，长电极距离，高过电压率 Ncr (~108)
流注放电理论适用
流注放电（streamer discharge） 12
荷电粒子在碰撞离化雪崩增殖中， 阴极 扩散的带电离化球半径满足
阳极 电场
r=(4Dt)1/2
D： 电子扩散常数
由此离化球产生电场为 Es=eNs/(4pe0r2)
1
气体放电
1. 带电粒子的产生和消失过程 2. 汤生放电和间隙击穿电压 （帕刑定律） 3. 流注放电
2
1. 带电粒子的产生和消失过程
3
带电粒子的产生过程
碰撞离化
X+e→X++e+e X*+e→X++e+e X*+Y→X+Y++e
电子碰撞离化 潘宁(Penning) 离化 X, Y: 气体原子或分子
• B : Negative glow, AB之间是'Crookes' dark space‘ • C: ‘positive column （or plasma） • D: 继 续 抽 真 空 A/B/C 都 消 失 ， 出 现 Green Fluorescent
Light.
22
Regions in the DC Glow Discharge Tube
• Abnormal discharge • Arc
The cathode gets hotter. Now the thermionic emission of electrons exceeds that of secondary-electron emission and low-voltage arcs propagate.
20
Regions in the DC Glow Discharge Tube
Two metal plates /~10k V/and vacuum the tube.
21
Regions in the DC Glow Discharge Tube
• 高气压: 红色光线横穿两个电极，气压降低：红色光线变粗充满 两电极间. 一个电极出现 blue glow, 另一个出现space.继续降 气压， blue glow变成了薄薄的红色sheath （A ）
Neutral gas energy = 0.025 eV, (To = 293 K) Low pressure glow discharge is usually a nonequilibrium cold
plasma.
(if in equilibrium: Ti = To = Te = T)
25
Potentials along the Tube
23
Light intensity Potential V Field E
Current density
Charge density Charge density (total)
Yu. P. Raizer. Gas Discharge Physics. Springer, Berlin, 1991.
Ns: 离化球中离子数
高气压，长电极距离，高过电压率 Es 不可忽略，如有图所示。
流注放电（streamer discharge） 13
阳极
阳极
二次电子雪崩 光子
阴极
正流注 （阴极向） Meek mechanism1
阴极
负流注 （阳极向） Raether mechanism2
1 Meek, J. (1940). "A Theory of Spark Discharge". Physical Review 57 (8): 722. 2 Raether, H. (1939). "Die Entwicklung der Elektronenlawine in den Funkenkanal". Zeitschrift für Physik, 112: 464.
17
Current–voltage (i –V ) characteristics of direct current (dc) electrical discharge
Vb is the breakdown voltage, Vn is the normal operating voltage, and Vd is the operating voltage of arc discharge.
能量E增加
n0
• E>离化能，发生碰撞离化
• 电子移动单位距离产生的离化次数a， dx
百度文库
称为一次汤生离化系数
n n+dn
x d
dn=nadx, d=0, n=n0
n=n0ead
汤生放电
9
g效应 二次电子发射
阴极二次发射电子数 Dn=gnA-nC) 阴极电子数 nC=n0+Dn 阳极电子数 nA=nCead
emission here.
• Cathode dark (Crookes)
little ionization, this region is dark. Most of the discharge voltage is dropped across the cathode dark space. Referred to as the cathode sheath.
exp -
6.83109f 2/ 3 E
二次电子发射
粒子能量>F
高能粒子
金属
光电子发射
光子能量>F hn
金属
6
g效应 一个入射粒子撞击后放出 的二次电子数目称作g系数 (g与材料和表面状态有关) 应用例子
爱因斯坦光电效应
7
汤生放电和帕刑定律
汤生放电
a效应
电场
初始电子
8
中性粒子
初始电子n0（来自宇宙射线或者电极表面辐射）离子 电子 • 在电场作用下从阴极向阳极运动
Particle energies and temperature:
For glow discharge:
Electron energy = 1 to 10 eV (typically 2 eV)
23000 K
Effective characteristic temperature Te = E/kB =
辐射复合 三体碰撞复合 分解复合 辐射复合
三体碰撞复合 电荷交换复合
电子-离子 离子-离子
5
电极表面现象
真空能级E0
DF
e3E 4pe 0
0
DF
吸附效应（物理 化学）
镜像势
-e2/16pe0x
电子能量, x
静电势
F
-eEx 热电子发射
T＞0 K
T=0 K
费米能级EF
Feff
有效 势
有效势
J=AT2e-eF/kT
nA=n0ead/[1-g(ead-1)]=n0ead/(1-gead), ead》1 IA=I0ead/(1-gead)
1-gead=0, IA 趋近无穷大，发生间隙击穿(Breakdown)
帕刑定律 (间隙击穿电压) 10
汤生一次离化系数 a=Ae-Bp/E, E=V/d
击穿条件 1-gead=0
电子分布函数, f
f=1/(ex-EF+1)
Metal
金属内
Feff = F - DF
肖特基效应(E<108 Vm-1)
x 真空
J=AT2e-e(F-DF)/kT
场发射效应(E>108 Vm-1)
量子隧穿效应 Fowler–Nordheim equation
J
6.2 10-2 x 1/ 2 E 2
f x )f1/ 2
Glow discharge
18
19
Sprite and Glow Discharge Tube
Sprite light in the atmosphere (left) and in a laboratory glow discharge tube (right). In both cases, the light near the positive (anode) end is red and arises from the collisional excitation of neutral nitrogen molecules by free electrons. Also in both cases, the light near the negative (cathode) end is blue and arises from the collisional excitation of N2+ ions by free electrons.
Vbd=Bpd/ln[Apd/ln(1/g)]
物理意义
电子自由径le∝1/p 在此仅以d不变来做分析
存在一个最小Vbd
• 在帕刑最小右边: le随着p升高而降低，撞击次 数升高，电子难于获得大的能量，故击穿电压很高。
• 在帕刑最小左边: le随着p降低而升高，电子 可获得很大能量，但撞击次数很低，难以发生击穿， 也需要较大的击穿电压。
热致离化
n=∝ n=＊＊
X+X+KE→X++X+e
n=＊
X*
n=∝
光致离化
X+hv→X++e
hv≥fj
n=1
X
n=1
Y
4
带电粒子的消失过程
电子附着过程
X, Y, Z: 气体原子或分子
X+e→X- +hv XY+e→X- +Y X+Y+e→X- +Y
辐射附着 分解附着 三体碰撞附着
复合过程
X++e→X*+hv X++e+e→X*+e X++e+Y→X*+Y XY++e→(XY)*→X*+Y X++Y- →X+Y+hv X++Y- →XY+hv X++Y- +Z→XY+Z X++Y- →X*+Y*
Motion of Plasma Species
j nv q 4
Electrical current density
Particle flux
Charge
• Cathode • Aston dark Very thin: containing low energy electrons and high energy positive ions • Cathode glow De-excitation of positive ions through neutralization is the probable mechanism of light
流注放电（streamer discharge） 11
汤生放电适用于
低气压，短电极距离，低过电压率 此条件下，一个电子在电极间移动时，生成空间电荷数少，低于可影响 空间电场的离子数临界值，Ncr (~108)
ead＜Ncr
例如在N2，p=760 Torr, d=1 cm 直流击穿电压~31 kV, E/p=41 V/(cm torr), 在10%的过电压率情况下， E/p=45 V/(cm torr)
• Negative glow
Visible emission due to interactions between secondary electrons and neutrals with attendant excitation and de-excitation.
• Faraday dark • Positive column • Anode dark Commonly referred to as the anode sheath. • Anode
J=J++Je J+= n+eu+E Je=-neeueE
Fundamental of Plasma Physics
24
Plasma species: ne, ni, no Electron has highest velocity
Electrically neutral: ne = ni Degree of gas ionization: fi = ne/(ne+no) fi = 10-4 for glow discharge
汤生放电-流注放电转变 14
K：过电压率
小结
15
• 放电中电子参与的 一些反应 • 放电发生的具体过程 • 帕邢定律 • 流注放电机制
Types and Structures of Discharges
16
• Townsend discharge • Normal glow
Enough ionization, discharge becomes self-sustaining. Gas begins to glow, the voltage drops accompanied by a sharp rise in current. Plasma spreads on the electrodes slowly with increasing power.
高气压，长电极距离，高过电压率 Ncr (~108)
流注放电理论适用
流注放电（streamer discharge） 12
荷电粒子在碰撞离化雪崩增殖中， 阴极 扩散的带电离化球半径满足
阳极 电场
r=(4Dt)1/2
D： 电子扩散常数
由此离化球产生电场为 Es=eNs/(4pe0r2)
1
气体放电
1. 带电粒子的产生和消失过程 2. 汤生放电和间隙击穿电压 （帕刑定律） 3. 流注放电
2
1. 带电粒子的产生和消失过程
3
带电粒子的产生过程
碰撞离化
X+e→X++e+e X*+e→X++e+e X*+Y→X+Y++e
电子碰撞离化 潘宁(Penning) 离化 X, Y: 气体原子或分子
• B : Negative glow, AB之间是'Crookes' dark space‘ • C: ‘positive column （or plasma） • D: 继 续 抽 真 空 A/B/C 都 消 失 ， 出 现 Green Fluorescent
Light.
22
Regions in the DC Glow Discharge Tube
• Abnormal discharge • Arc
The cathode gets hotter. Now the thermionic emission of electrons exceeds that of secondary-electron emission and low-voltage arcs propagate.
20
Regions in the DC Glow Discharge Tube
Two metal plates /~10k V/and vacuum the tube.
21
Regions in the DC Glow Discharge Tube
• 高气压: 红色光线横穿两个电极，气压降低：红色光线变粗充满 两电极间. 一个电极出现 blue glow, 另一个出现space.继续降 气压， blue glow变成了薄薄的红色sheath （A ）
Neutral gas energy = 0.025 eV, (To = 293 K) Low pressure glow discharge is usually a nonequilibrium cold
plasma.
(if in equilibrium: Ti = To = Te = T)
25
Potentials along the Tube
23
Light intensity Potential V Field E
Current density
Charge density Charge density (total)
Yu. P. Raizer. Gas Discharge Physics. Springer, Berlin, 1991.
Ns: 离化球中离子数
高气压，长电极距离，高过电压率 Es 不可忽略，如有图所示。
流注放电（streamer discharge） 13
阳极
阳极
二次电子雪崩 光子
阴极
正流注 （阴极向） Meek mechanism1
阴极
负流注 （阳极向） Raether mechanism2
1 Meek, J. (1940). "A Theory of Spark Discharge". Physical Review 57 (8): 722. 2 Raether, H. (1939). "Die Entwicklung der Elektronenlawine in den Funkenkanal". Zeitschrift für Physik, 112: 464.
17
Current–voltage (i –V ) characteristics of direct current (dc) electrical discharge
Vb is the breakdown voltage, Vn is the normal operating voltage, and Vd is the operating voltage of arc discharge.
能量E增加
n0
• E>离化能，发生碰撞离化
• 电子移动单位距离产生的离化次数a， dx
百度文库
称为一次汤生离化系数
n n+dn
x d
dn=nadx, d=0, n=n0
n=n0ead
汤生放电
9
g效应 二次电子发射
阴极二次发射电子数 Dn=gnA-nC) 阴极电子数 nC=n0+Dn 阳极电子数 nA=nCead
emission here.
• Cathode dark (Crookes)
little ionization, this region is dark. Most of the discharge voltage is dropped across the cathode dark space. Referred to as the cathode sheath.
exp -
6.83109f 2/ 3 E
二次电子发射
粒子能量>F
高能粒子
金属
光电子发射
光子能量>F hn
金属
6
g效应 一个入射粒子撞击后放出 的二次电子数目称作g系数 (g与材料和表面状态有关) 应用例子
爱因斯坦光电效应
7
汤生放电和帕刑定律
汤生放电
a效应
电场
初始电子
8
中性粒子
初始电子n0（来自宇宙射线或者电极表面辐射）离子 电子 • 在电场作用下从阴极向阳极运动
Particle energies and temperature:
For glow discharge:
Electron energy = 1 to 10 eV (typically 2 eV)
23000 K
Effective characteristic temperature Te = E/kB =
辐射复合 三体碰撞复合 分解复合 辐射复合
三体碰撞复合 电荷交换复合
电子-离子 离子-离子
5
电极表面现象
真空能级E0
DF
e3E 4pe 0
0
DF
吸附效应（物理 化学）
镜像势
-e2/16pe0x
电子能量, x
静电势
F
-eEx 热电子发射
T＞0 K
T=0 K
费米能级EF
Feff
有效 势
有效势
J=AT2e-eF/kT
nA=n0ead/[1-g(ead-1)]=n0ead/(1-gead), ead》1 IA=I0ead/(1-gead)
1-gead=0, IA 趋近无穷大，发生间隙击穿(Breakdown)
帕刑定律 (间隙击穿电压) 10
汤生一次离化系数 a=Ae-Bp/E, E=V/d
击穿条件 1-gead=0
电子分布函数, f
f=1/(ex-EF+1)
Metal
金属内
Feff = F - DF
肖特基效应(E<108 Vm-1)
x 真空
J=AT2e-e(F-DF)/kT
场发射效应(E>108 Vm-1)
量子隧穿效应 Fowler–Nordheim equation
J
6.2 10-2 x 1/ 2 E 2
f x )f1/ 2
Glow discharge
18
19
Sprite and Glow Discharge Tube
Sprite light in the atmosphere (left) and in a laboratory glow discharge tube (right). In both cases, the light near the positive (anode) end is red and arises from the collisional excitation of neutral nitrogen molecules by free electrons. Also in both cases, the light near the negative (cathode) end is blue and arises from the collisional excitation of N2+ ions by free electrons.
Vbd=Bpd/ln[Apd/ln(1/g)]
物理意义
电子自由径le∝1/p 在此仅以d不变来做分析
存在一个最小Vbd
• 在帕刑最小右边: le随着p升高而降低，撞击次 数升高，电子难于获得大的能量，故击穿电压很高。
• 在帕刑最小左边: le随着p降低而升高，电子 可获得很大能量，但撞击次数很低，难以发生击穿， 也需要较大的击穿电压。
热致离化
n=∝ n=＊＊
X+X+KE→X++X+e
n=＊
X*
n=∝
光致离化
X+hv→X++e
hv≥fj
n=1
X
n=1
Y
4
带电粒子的消失过程
电子附着过程
X, Y, Z: 气体原子或分子
X+e→X- +hv XY+e→X- +Y X+Y+e→X- +Y
辐射附着 分解附着 三体碰撞附着
复合过程
X++e→X*+hv X++e+e→X*+e X++e+Y→X*+Y XY++e→(XY)*→X*+Y X++Y- →X+Y+hv X++Y- →XY+hv X++Y- +Z→XY+Z X++Y- →X*+Y*
Motion of Plasma Species
j nv q 4
Electrical current density
Particle flux
Charge
• Cathode • Aston dark Very thin: containing low energy electrons and high energy positive ions • Cathode glow De-excitation of positive ions through neutralization is the probable mechanism of light
流注放电（streamer discharge） 11
汤生放电适用于
低气压，短电极距离，低过电压率 此条件下，一个电子在电极间移动时，生成空间电荷数少，低于可影响 空间电场的离子数临界值，Ncr (~108)
ead＜Ncr
例如在N2，p=760 Torr, d=1 cm 直流击穿电压~31 kV, E/p=41 V/(cm torr), 在10%的过电压率情况下， E/p=45 V/(cm torr)
• Negative glow
Visible emission due to interactions between secondary electrons and neutrals with attendant excitation and de-excitation.
• Faraday dark • Positive column • Anode dark Commonly referred to as the anode sheath. • Anode
J=J++Je J+= n+eu+E Je=-neeueE
Fundamental of Plasma Physics
24
Plasma species: ne, ni, no Electron has highest velocity
Electrically neutral: ne = ni Degree of gas ionization: fi = ne/(ne+no) fi = 10-4 for glow discharge
汤生放电-流注放电转变 14
K：过电压率
小结
15
• 放电中电子参与的 一些反应 • 放电发生的具体过程 • 帕邢定律 • 流注放电机制
Types and Structures of Discharges
16
• Townsend discharge • Normal glow
Enough ionization, discharge becomes self-sustaining. Gas begins to glow, the voltage drops accompanied by a sharp rise in current. Plasma spreads on the electrodes slowly with increasing power.