Материал: Физика тлеющего разряда

Физика тлеющего разряда

Список обозначений

разряд тлеющий электрод

ФТП, ФП - фарадеево темное пространство

КТП - катодное темное пространство

ОС - отрицательное свечение

ПС - положительный столб

АТП - анодное темное пространство

КС - катодное свечение

АС - анодный слой

ТР - тлеющий разряд

γ_p - число электронов, вылетающих из катода под действием положительных ионов, отнесенное к числу ионов, приходящих на катод;

γ_ν - квантовый выход фотоэффекта в электронах на падающий квант частоты ν;

j_eg -[А/см²торр²] плотность электронного тока в отрицательном свечении.

n_p, n₊ [эл./см³]- концентрация ионов

n_e [эл./см³]- концентрация электронов

V_з, [В] - потенциал зажигания

α - коэффициент ионизации (среднее число ионов одного знака, производимое электроном на своем пути)

β - коэффициент, характеризующий ионизирующую способность положительных ионов

γ - коэффициент, определяющий отношение числа электронов, эмитируемых поверхностью катода, к числу приходящих на катод ионов

Е [В/см]- напряженность электрического поля

d, [м]- расстояние от катода

d_с, l_c, [м]- длина катодной области от катодного до анодного конца второго темного пространства

j_e [A]- электронный ток

j_p , j₊ , j_x⁺ [A]- ионный ток

δ - коэффициент эффективности плазмы

T_e, [K]- электронная температура

T_g, [K]- температура нейтральных молекул газа

Т_n, [K] - температура ионов

p [мм. рт. ст; торр] - давление газа

V_c, U_c [В]- катодное падение напряжения

D_a - коэффициент амбиполярной диффузии

L_D , [м] - дебаевский радиус

ρ, [Кл∙см³] - объемный заряд

Введение

Обосновать актуальность темы для науки и (плазменных) технологий

В настоящее время интерес к низкотемпературной неравновесной плазме газовых разрядов низкого давления, классическим примером которых служит тлеющий разряд, не ослабевает. Он относится к наиболее изученным и часто применяемым на практике газовым разрядам. Он применяется в микроэлектронных технологиях (травление, напыление, осаждение тонких металлических пленок и т.д.) [1, 2, 3]. Положительный столб тлеющего разряда используется в качестве источника света. Примером этого служат лампы дневного света, которые не только дают очень приятное “естественное” освещение, но и значительно (в 3-4 раза) экономичнее лампочек накаливания; рекламные трубки. Важные области применения находят эксимерные, ультрафиолетовые и галогенные лампы [4, 6 - 9]. Эксимерные и эксиплексные лампы (эксилампы) используются для организации различных фотопроцессов, например, таких как:

нанесения тонких металлических пленок;

фотоосаждения аморфных полупроводников;

фотоосаждения тонких диэлектрических слоев;

фототравления полимеров;

обеззараживания жидких и воздушных сред;

низкотемпературного окисления органических веществ [5].

Кроме того, есть другие не менее важные области применения тлеющего разряда - ионные источники [10, 11], работа плазменных генераторов [12], электронных пушек [13], очистка алмазов [14, 15], ионная цементация [16], стерилизация медицинских инструментов[17], технология получения искусственных ворсистых материалов [18] и т.д. Диффузионная обработка в тлеющем разряде в настоящее время является наиболее перспективной, как позволяющая значительно экономить технологический газ и расход электроэнергии. Диффузионные установки с тлеющим разрядом используются для проведения процессов азотирования, цементации, силицирования и других видов химико-термической обработки из газовой фазы. К общим преимуществам применения тлеющего разряда относятся: высокий коэффициент использования электроэнергии (расход только на ионизацию газа и нагрев детали); уменьшение длительности процесса, за счет быстрого нагрева до температуры насыщения, увеличения активности газовой среды и поверхностного слоя [19].

Объяснить интерес, важность данной темы для вашей специальности

Важнейшее применение газовой среды тлеющего разряда получил в сравнительно недавно созданных квантовых источниках света - газовых лазерах. При возбуждении газовой смеси электрическим током, возникает тлеющий разряд, который способствует электрической накачке активных сред [20]. Тлеющий разряд в поперечном потоке газа применяется в CO₂ лазерах. На его основе реализуются высокие мощности генерации - около 5 kW с метра длины электродов [21].

Показать, кто и где активно сейчас занимается данной темой

В настоящее время активно ведутся исследования процессов в тлеющем разряде во многих институтах нашей страны. Это институт электрофизики УрО РАН в Екатеринбурге, физико-технический институт им. А.О. Иоффе в Санкт-Петербурге, институт общей физики РАН в Москве, Московский энергетический институт, институт теплофизики экстремальных состояний, институт сильноточной электроники г. Томска, а также институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН в Новосибирске.

Заострить внимание на задачах, решаемых сегодня

В лаборатории оптических излучений института сильноточной электроники СО РАН были изучены и разработаны эксилампы нескольких типов. К настоящему времени достигнуты следующие показатели для эксиламп тлеющего разряда: плотности мощности до 200 мВт/см2 на молекулах KrCl*(l~222 нм), XeCl*(l~308 нм) и до 25 мВт/см2 на молекуле Cl2*(l~258 нм) [5].

При исследовании пылевой плазмы тлеющего разряда постоянного тока впервые получены упорядоченные структуры из протяженных цилиндрических макрочастиц (жидкий плазменный кристалл); измерены заряды пылевых частиц в широком диапазоне изменения их размеров; обнаружены самовозбуждающиеся пылезвуковые колебания.

Выполнена серия экспериментальных исследований пылевой плазмы в стратах тлеющего разряда постоянного тока. Впервые получены упорядоченные структуры из протяженных цилиндрических нейлоновых частиц длиной 300 мкм, диаметром 15 мкм и 7.5 мкм. В отличие от обычно используемых в исследованиях сферических монодисперсных частиц, формирующих при определенных условиях плазменно-пылевой кулоновский кристалл, цилиндрические частицы, приобретающие в плазме большой объемный заряд порядка 5∙10⁵ электронов, образуют структуру, подобную жидкому кристаллу [22].

Привести несколько конкретных примеров таких задач

Исследование процессов поверхностной модификации полимеров в плазме тлеющего разряда. Предложен высокоэффективный процесс поверхностной модификации пленок поликарбоната (ПК) разных марок тлеющим разрядом с целью увеличения поверхностной энергии. Установлено, что обработка ПК приводит к захвату приповерхностным слоем низкоэнергетических электронов, инжектированных из плазмы. При этом установлена четкая корреляция между величиной возникающего в пленке поверхностного заряда и величиной поверхностной энергии обработанной пленки. Методами термостимулированной релаксации и деполяризации исследованы объемно-зарядовые процессы в обработанных пленках. Продемонстрирована применимость метода для получения долгоживущих полимерных электретов на основе поликарбонатных пленок и волокон, в частности, для получения высокоэффективных фильтрующих материалов [23]

Выделить значимый, яркий результат, полученный в последнее время

В последнее время тлеющий разряд нашел свое применение в широко распространенном направлении - нанотехнологиях. На смену электронно-лучевым трубкам приходят плазменные панели. Толщина такой панели всего 3,5 см. Трудно поверить, что такая плоская, почти лишенная толщины, конструкция способна заменить ящик более чем в полметра по длине, высоте и ширине. Масса панели также неприлично мала - менее 5 кг. Угол обзора 140 град. не уступает этому параметру телевизоров на кинескопах [24]. Разработками в этой сфере занимаются ведущие фирмы - NEC, Fujitsu и многие другие.

Указать современные методы исследования

Существует несколько основных методов исследования характеристик тлеющего разряда. Наиболее распространен метод зондов.

Изучение распределения электрической силы при помощи зондов весьма затруднительно вследствие того, что зонд, находясь в потоке быстрых электронов, может заряжаться до потенциала, значительно превосходящего потенциал пространства. Виду этого Дж. Дж. Томсон предложил для такого рода измерений катодный пучок, который отклоняется при прохождении через соответственную область катодного пространства.

Другой метод определения силы поля вблизи катода, предложенный Брозе, основан на измерениях смещения спектральных линий, когда испускающие их атомы находятся в электрическом поле [39].

Остановиться на нерешенных проблемах

Наиболее полно тлеющий разряд изучен в инертных газах и парах ртути [25]. Значительно меньше данных о разряде в электроотрицательных газах и воздухе [26], а также в различных технологических газах (трифторбромметан, хлорсиланы и др.).

Сформулировать не менее пяти вопросов, которые отражали бы ваш интерес к теме

Итак, что определяет различие процессов в разряде в молекулярных и атомарных газах? Какой диапазон давлений возможен для поддержания как нормального, так и аномального разряда? Какова роль положительных ионов в тлеющем разряде? Что такое анодные пятна и как они образуются? Какими процессами обусловлено поддержание баланса частиц в положительном столбе разряда? На эти вопросы я постаралась найти ответы в своем реферате.

Остановиться на перспективах, которые открывает данная тема

Наиболее перспективная область применения газовой среды тлеющего разряда, лежит в разработках нанотехнологий - это плазменные панели, ионные источники, более совершенные, более надежные и экономичные.

Источники информации. Энциклопедии - 1; Словари - 0; Справочники - 0; Книги - 9; Статьи - 3; Результаты конференций - 0; Другие источники - 0.

1. Основные характеристики тлеющего разряда

1.1    Отличительные черты

[Райзер, 1987, с. 358]: Тлеющий разряд - это самоподдерживающийся разряд с холодным катодом, испускающим электроны в результате вторичной эмиссии, главным образом под действием положительных ионов. Его отличительным признаком является существование вблизи катода слоя определенной толщины с большим положительным объемным зарядом, сильным полем у поверхности и значительным падением потенциала 100-400 В (и более). Оно называется катодным падением. Толщина слоя катодного падения обратно пропорциональна плотности (давлению) газа. Если межэлектродное расстояние достаточно велико, между катодным слоем и анодом образуется электронейтральная плазменная область, где поле относительно небольшое. Серединную однородную часть ее называют положительным столбом. От анода он отделяется анодным слоем. Положительный столб тлеющего разряда постоянного тока - наиболее ярко выраженный и распространенный пример слабоионизированной неравновесной плазмы, которая поддерживается электрическим полем. В отличие от катодного слоя, без которого тлеющий разряд существовать не может, положительный столб не является его неотъемлемой частью. Если в результате образования катодного слоя промежуток между электродами оказывается исчерпанным, столба нет. Но если не хватает расстояния на формирование должного катодного слоя, тлеющий разряд не загорается [Райзер, 1987, с. 355].

1.2 Картина свечения. Характер процессов, обеспечивающих существование разряда

Прежде чем переходить к описанию явлении, происходящих в различных областях тлеющего разряда, остановимся коротко на общем характере процессов, обеспечивающих существование самостоятельного разряда. Пространство между электродами состоит из визуально наблюдаемых чередующихся темных и светлых областей. Наблюдать эту картину проще при низких давлениях, когда слои растянуты по длине трубки. Слоистая картина схематически изображена в верхней части рисунка (Рис 1.1) [Райзер, 1987, с. 356].

Из катода эмиттируются электроны вследствие бомбардировки его поверхности ионами, ускоренными сильным полем вблизи катода, и быстрыми атомами, а также вследствие фотоэффекта, возникающего благодаря излучению атомов в разряде. Эти электроны, ускоряясь в направлении анода, приобретают энергию, достаточную для ионизации атомов. Новые электроны, возникшие при ионизации газа, снова ускоряются полем, а положительные ионы летят к катоду и, падая на его поверхность, вызывают эмиссию новыx электронов.

Электроны покидают катод с небольшими скоростями, определяемыми работой выхода их из металла. Поэтому около катода свечение газа полностью отсутствует. Эта область носит название темного астонова пространства.

Размеры астонова пространства в нормальном разряде в широких пределах не зависят также от тока, но с переходом к аномальному начинают уменьшаться с повышением силы тока и давления газа [Чернетский, 1969, стр.137]. На некотором расстоянии от катода электроны приобретают скорости, достаточные для возбуждения газа (возбуждения заканчиваются испусканиями атомами квантов света), и возникает тонкая светящаяся пленка, называемая катодной - сравнительно малосветящаяся область [Райзер, 1987, с. 356].

Ионизации газа в этой области еще нет, так как вероятность при этих энергиях еще мала. Излучение имеет линейчатый спектр. На рис. 1.2. в логарифмическом масштабе показано распределение интенсивности свечения двух линий гелия с λ=4471,47Ǻ и λ=5875,62Ǻ. Ближайший к катоду максимум соответствует катодной светящейся пленке. Максимум свечения линий, характеризующихся более высоким энергетическим уровнем, расположен дальше от катода [Грановский, 1971, с. 294].

После катодной пленки идет темное катодное пространство, также называемое темным круксовым пространством. (В иностранной литературе употребительны также термины: гитторфово пространство - у немецких авторов и круксово - у английских). В этой области свечение газа слабее, а напряженность электрического поля выше, чем в других частях разряда.[Энциклопедия, 2000. с. 19]: В нем электроны, потерявшие частично или полностью энергию на возбуждение в катодной пленке, разгоняются снова до скоростей, при которых становятся способными возбуждать, даже ионизовать газ. Эта область именуется областью отрицательного тлеющего свечения (ОС), которое затухает в направлении анода. Все пространство между катодом и отрицательным тлеющим свечением называется областью катодного падения потенциала.

Здесь происходят процессы рекомбинации электронов с положительными ионами, а также квантовые переходы возбужденных атомов на более низкие энергетические уровни [Чернетский, 1969, с. 138].

 [Рожанский, 1937, с. 256]: Катодное свечение (отрицательное или тлеющее) по мере удаления от катода становится все менее ярким и наконец переходит в область, более темную и занимающую довольно значительный объем. Эта область, называемая темным фарадеевым пространством (ФП), ясно видна и при больших давлениях. По своим электрическим свойствам она резко отличается от катодного темного пространства и представляет как бы постепенный переход к следующей области, отличающейся значительной яркостью, иногда большим протяжением. Эту часть разряда мы будем называть положительным столбом (ПС). [Энциклопедия, 2000, с. 19]: ПС светится однородно или имеет слоистую структуру в виде неподвижных или движущихся вдоль оси разряда слоев - страт. Вблизи анода расположен тонкий слой объемного заряда, называемый анодным слоем (АС). Такое разделение тлеющего разряда (ТР) на различные области базируется на давних традициях, в границы областей не всегда четко определены. Квазинейтральная плазма занимает ПС, ФТП, часть ОС и АС. К катоду, аноду и к боковым стенкам трубки прилегают слои объемного заряда. [Райзер, 1987, с. 357]: Спокойное, иногда слегка подрагивающее свечение тлеющего разряда завораживает своей красотой. Положительный столб обычно менее яркий, чем отрицательное свечение, и имеет другой цвет. В гелии катодное свечение красное, отрицательное свечение зеленое, положительный столб красно-фиолетовый; в неоне соответственно желтое, оранжевое, красный; каждый газ имеет свои окраски, что связано с особенностями спектров. В длинных трубках при не чрезмерно низких давлениях мы видим в основном положительный столб. В очень широких трубках или сферических сосудах положительный столб часто не виден. Лишь умозрительно можно себе представить, как протягивается токовый путь от отрицательного свечения до анода.