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1、高电压新技术气体放电与应用,华中科技大学电气学院夏胜国2010.12,引言,Coulomb（1785）：研究孤立绝缘导体上电荷的消失现象。非自持放电现象。Petrov（1803）：发现电极接触-分离法形成电弧。Faraday（1831-1835）：发现低气压辉光放电，1Torr，1000V。Crook and Thomson（19世纪末期到20世纪初）：阴极射线实验，电子e/m的测量，证实电子的存在。引发原子结构的研究，导致现代物理学的建立。Townsend（20世纪初）：建立气体放电汤生理论，标志着气体放电学科的建立。大量的研究者进行大量的汤生放电实验工作，积累大量的电子-原子碰撞截面值，电
2、子和离子的漂移速度值，电子-离子复合系数值等。正式这些实验成果形成了气体放电物理学研究的基础。Langmuir and Tonks（1928）：提出“等离子体”这一名词：Plasma。从此与气体放电紧密相关的新的学科-等离子体科学登上了历史舞台。Loeb and Meek：1940年建立流注放电理论。进一步完善了气体放电理论。迄止目前，越来越多的放电应用,第一部分 气体放电基础,典型的气体放电气体放电理论模型气体放电物理基础元过程,典型的气体放电实验装置,气体放电的全伏安特性,直流放电的类型,辉光放电：低气压(110Torr)，外电路阻抗大，电流10-610-1A弧光放电：高气压(1atm)，
3、外电路阻抗小，电流1A火花放电：高气压(1atm)，放电间隙较长(10cm)电晕放电：强不均匀场中发生的特殊的放电,汤生放电理论J.S.Townsend,18681957,英国,作用电子产生的电离倍增（电子雪崩）作用离子轰击阴极时二次电子的出射效应,二次电子发射,电离倍增作用（作用）,（作用）,汤生自持放电条件,帕邢定律Paschen,18651947,德国,帕邢定律的内容：气体击穿电压由气体压强 p 和电极间距d的乘积(pd)所决定，并有极小值。,汤生理论对帕邢定律的解释,9,流注气体放电理论,说明工程上感兴趣的压力较高和气隙间距较长气体的击穿，如大气压力下空气的击穿特点：认为电子碰控电离及
4、空间光电离是维持自持放电的主要因素，并强调了空间电荷畸变电场的作用 流注理论的放电原理,10,流注理论的发展阶段,电子崩阶段 空间电荷畸变外电场 流注阶段 光电离形成二次电子崩，等离子体,11,1.电子崩阶段,电子崩外形：好似球头的锥体，空间电荷分布极不均匀 例如，正常大气条件下，若E30kVcm，则 11cm-1，计算得随着电子崩向阳极推进，崩头中的电子数,12,空间电荷畸变外电场 大大加强了崩头及崩尾的电场，削弱了崩头内正、负电荷区域之间的电场,电子崩头部：电场明显增强，有利于发生分子和离子的激励现象，当它们回复到正常状态时，放射出光子,崩头内部正、负电荷区域：电场大大削弱，有助于发生复合
5、过程，发射出光子,13,2.流注阶段,当电子崩走完整个间隙后，大密度的头部空间电荷大大加强了后部的电场，并向周围放射出大量光子光子引起空间光电离，在受到畸变而加强了的电场中，造成了新的电子崩，称为二次电子崩,光电离、二次电子崩,1主电子崩 2二次电子崩3流注,14,正流注的形成,二次电子崩中的电子进入主电子崩头部的正空间电荷区（电场强度较小），大多形成负离子。大量的正、负带电质点构成了等离子体，这就是正流注 流注通道导电性良好，其头部又是二次电子崩形成的正电荷，因此流注头部前方出现了很强的电场,1主电子崩2二次电子崩3流注,15,正流注向阴极推进,流注头部的电离放射出大量光子，继续引起空间光电
6、离。流注前方出现新的二次电子崩，它们被吸引向流注头部，延长了流注通道流注不断向阴极报进，且随着流注接近阴极，其头部电场越来越强，因而其发展也越来越快流注发展到阴极，间隙被导电良好的等离子通道所贯通，间隙的击穿完成，这个电压就是击穿电压,16,自持放电条件,一旦形成流注，放电就进入了新的阶段，放电可以由本身产生的空间光电离而自行维持，即转入自持放电了。如果电场均匀，间隙就将被击穿。所以流注形成的条件就是自持放电条件，在均匀电场中也就是导致击穿的条件,自持放电的条件：,17,流注理论对pd很大时放电现象的解释,1放电外形 Pd很大时，放电具有通道形式 当某个流注由于偶然原因发展更快时，将抑制其它流
7、注的形成和发展，并且随着流注向前推进而越来越强烈 二次电子崩在空间的形成和发展带有统计性，所以火花通道常是曲折的，并带有分枝2放电时间 光子以光速传播，所以流注发展速度极快，这就可以说明pd很大时放电时间特别短的现象3阴极材料的影响 根据流注理论，维持放电自持的是空间光电离，而不是阴极表面的电离过程，这可说明为何很大Pd下击穿电压和阴极材料基本无关了,18,在电离室中得到的阳极流注发展过段的照片正流注的发展速度约为11082108cm/s,气体放电元过程,参与气体放电的粒子：电子、离子（，）、中性粒子（原子、分子）、光子粒子之间的碰撞：气体放电所表现出来的全部现象都不过是这些粒子之间的碰撞的结
8、果。在电场中电子优先获得能量。电子碰撞的种类：高能电子通过碰撞引起物理化学反应。正是这些物理化学反应决定了气体放电的性质。碰撞一般分为弹性碰撞、非弹性碰撞。后者包括电离、激发、复合等。,辉光放电电弧放电电晕放电火花放电介质阻挡放电射频放电微波放电,第二部分 各种常用的气体放电,辉光放电（压强约1Torr）,辉光放电各部分发光颜色分布,朗缪尔(Irving Langmuir,1932年Nobel化学奖),1928年朗缪尔在研究辉光放电时将正柱区中的电离气体取名为“等离子体”(Plasma)。他的合作者Tonks在他的一篇论文(Am.J.Phys.,35(1967),p.857)中，这样生动地讲述
9、了这个名称的由来：Langmuir came into my room in the General Electric Research Laboratory one day and said”Say,Tonks,Im looking for a word.In these gas discharges we call the region in the immediate neighborhood of the wall or an electrode a sheath,and that seems to be quite appropriate;but what should we cal
10、l the main part of the discharge?there is complete space-charge neutralization.I dont want to invent a word,but it must be descriptive of this kind of region as distinct from a sheath.What do you suggest?”My reply was classic“Ill think about it,Dr.Langmuir.”The next day Langmuir breezed in and annou
11、nced,“I know what we call it!Well call it the plasma.”The image of blood plasma immediately came to mind:I think Langmuir even mentioned blood.,冷阴极电子发射，主要依靠正离子轰击阴极产生二次发射电子阴极附近有正空间电荷层和一个较大的阴极势降 从负辉区流人阴极区域的正离子，受鞘层电场加速后与阴极碰撞，引起二次电子逸出(作用)。这些二次电子又在鞘层电场的加速作用下向阳极方向运动，成为高能量的电子束，从而引发电离(作用)。也就是说，辉光放电是在鞘层电场的基础
12、上由作用和作用所共同维持的。,直流辉光放电的基本特征,辉光放电的特性参数,大气压辉光放电,大气压下辉光放电的困难,辉光放电的实验表明：若保持电流不变，电流密度：即：电流通道的横截面积将随着气压的增大而急剧减小,因此当大气压下气体间隙击穿时通常看到的是丝状放电（也称流注）及其进一步的发展电弧放电。为了在高气压下不产生丝状放电，必须需控制电子雪崩地放大以免它增长过快。,高气压辉光放电均匀措施,1)预电离。一般要求预电离电子密度为104108cm3,2)陡脉冲,电弧放电,减小外回路中的阻抗，则电流增大，电流增大到一定值后，放电通道收细，且越来越明亮，管端电压则更加降低，说明通道的电导越来越大电弧通道
13、和电极的温度都很高，电流密度极大，电路具有短路的特征,电晕放电,电极曲率半径很小或电极间距离很远，即电场极不均匀，则当电压升高到一定值后，首先紧贴电极在电场最强处出现发光层，回路中出现用一般仪表即可察觉的电流。随着电压升高，发光层扩大，放电电流也逐渐增大发生电晕放电时，气体间隙的大部分尚未丧失绝缘性能，放电电流很小，间隙仍能耐受电压的作用,刷状放电,电场极不均匀情况下，如电压继续升高，从电晕电极伸展出许多较明亮的细放电通道，称为刷状放电 电压再升高，根据电源功率而转入火花放电或电弧放电，最后整个间隙被击穿如电场稍不均匀，则可能不出现刷状放电，而由电晕放电直接转入击穿,电晕放电,火花放电,在较高
14、气压（例如大气压）下，击穿后总是形成收细的发光放电通道，而不再扩散于间隙中的整个空间。当外回路中阻抗很大，限制了放电电流时，电极间出现贯通两极的断续的明亮细火花 火花放电的特征是具有收细的通道形式，并且放电过程不稳定 火花间断的原因：放电通道电阻很小，而外电路电阻很大，放电通道分得电压太小，以致放电不能持续,雷电,介质阻挡放电,平板电极体放电,梳状电极表面放电,同轴结构,介质阻挡材料玻璃、石英、陶瓷以及聚合物等，有时还采用一些具有保护涂层或者其他功能涂层如驻极体材料等。频率过高则介质层将失去阻挡作用，因而介质阻挡放电驱动电压频率范围为50Hz10MHz。放电电压范围为几百伏特到几千伏特。根据不
15、同的应用背景，放电间隙为0.1mm几cm。放电气体可以流动，也可以循环使用，也可静止。放电气体可以是惰性气体如He、Ne、Ar，可以是分子气体如氮气、氧气、空气，也可以是其他反应性气体如CCl2F2,CClF3 and CHClF2,DBD的一些基本特征,高频放电和微波放电,用甲烷等气体来进行直流放电的时候，电极表面上绝缘性薄膜的堆积会阻碍电流的流通，甚至会导致放电的中止。不使用直流而采用工业上标准的13.56MHz的高频电磁波或2.45GHz的微波来进行放电，就能够维持这类气体放电约稳定的等离子体状态。所以，使用高频放电或微波放电的等离子体应用比直流放电的多。在实际应用等离子体时，首先根据用
16、途需要选择最合适的等离子体。实际的工业应用中如LSI制作工艺中为了实现超微细、大面积、高速加工，经常要求等离子体具有低气压（1Pa）、大口径（0.4m）、高密度（1017m3）等特性。在气压降低时，等离子体扩散加快，而电离频率降低，因而低气压条件下生成大口径、高密度低温等离子体并不容易。提高放电功率，可以增大等离子体密度，但是若功率不能有效地用于产生电离（如直流辉光放电），那么等离子体密度也不能增大。采用后面要讲述的给线圈通高频电流的方法(感应耦合等离子体）或激励等离子体波动的方法(表面波等离子体、ECR等离子体、螺旋波等离子体)，由于可以在保持较低的等离子体与电极间的电位差的状态下提供高功率
17、，那么在低气压时也可以高效率地生成等离子体，并且其高密度化也将成为可能。,用于放电的三种天线耦合方式,利用用静电场来加速电子，又称电容耦合,高频放电或微波放电是由天线(电极)从外部得到功率，通过电磁场对电子的加速作用来维持等离子体的。,利用感应电场来供给等离子体能量,利用电磁波来供给等离子体能量,平行板加RF电压电容耦合等离子体,典型的放电条件是：压强101000 Pa，电极间距15cm，高频功率20200 W，放电频率通常为13.56MHz。等离子体密度虽然不是那么高(约在1016m3),但这种方法的优点是容易生成大口径等离子体。放电的发光分布，在低气压时整体上基本是均匀发光。但随着压强的增
18、高中心部分变暗，只有两个电极附近部分才发亮。,线圈通RF电流感应耦合等离子体,无外加磁场时的高频放电可分为电场型放电(E放电)和磁场型放电(H放电)。前者是天线表面电荷产生的静电场导致的放电，电容耦合等离子体是其中有代表性的例子。后者是天线电流产生的磁场H导致的放电。这里磁场随时间变化引起感应电场(法拉第电磁感应定律)，利用这个电场来加速电子从而可以维持等离子体。如此生成的等离子体叫做感应耦合等离子体。,强电波照射表面波等离子体,无磁场时通过电磁波照射高密度等离子体可以激励起沿等离子体表面传播的波，用强微波照射可以产生这种表面波，从而生成大口径、高密度的等离子体，这种等离子体叫做表面波等离子体
19、。图中，2.45GHz、1kW的微波从大气一侧通过石英板直径（30 cm）照射等离子体，在2200Pa压强下就可以得到10171018m3的高密度等离子体(图中虽然没有画出，但有时在石英板的上面或下面设有开槽的金属天线)。这时，在石英板与等离子体的界面上会出现表面波，在这个波的电场的作用下电子被加速，等离子体就被提供了能量。,使用磁场中的波ECR等离子体和螺旋波等离子体,电子回旋共振（ECR）当有磁场存在时，电子会在洛仑兹力作用下作环绕磁力线的回旋运动。其频率c由磁场决定。如果从外部施加同一频率的振荡电场，那么作回旋运动的电子会受到同相位电场的作用而被“直流式”地持续加速，电子由此获得较高的动
20、能，这种现象成为ECR。利用这个原理的ECR等离子体装置，由于吸收了微波能量的高速电子频繁地引起电离，所以即使在低气压下也可获得高密度的等离子体。例如，在0.1T量级的磁场中一1kW左右的微波（2.45GHz）从真空窗入射，在0.050.5Pa的低气压下也可生成高密度（1017m3）的等离子体。,在磁场中，给天线通以频率远低于电子回旋频率(c)的高频电流，即使在低气压下也可以容易地生成高密度的等离子体。这样生成的等离子体叫做螺旋波等离子体。图中，天线部分直径0.1m左右，在0.01T的弱磁场中对天线输入13.56MHz、1kW的高频信号后就可以在15Pa的压强下得到密度为10181019m3的
21、强电离等离子体。,第三部分 气体放电等离子体的应用,等离子体电离气体具有热效应相关应用：等离子体弧焊、等离子体切割、等离子体热喷涂、烧结、生成微粒材料、等离子体熔炼、城市垃圾焚烧、金属材料表面处理等离子体电离气体具有良好的化学活性相关应用：材料表面改性、等离子体化学气相沉积、等离子体刻蚀（太阳能电池、LCD、LSI、及DRAM等制造工艺）、臭氧发生器、燃烧废气处理、汽车尾气处理气体放电具有强烈的可见辐射和非可见辐射相关应用：照明用放电管、霓虹灯、气体激光器、等离子体显示、紫外线光源、X射线源等离子体电离气体具有良好的导电性，可作为优良的流动导体MHD发电、核聚变发电、闸流管、引燃管、静电除尘力
22、学效应相关应用：溅射、离子注入、火箭推进,等离子体热喷涂,1,等离子喷涂技术的应用,Surface coating for engine housing,Plasma spray for shielding tiles,Real metal design on black granite and ceramic,等离子体对高聚物表面处理的应用,等离子体刻蚀与LSI制造工艺,等离子体刻蚀技术，1969年已开始引进到半导体加工中来了。这种技术是为了解决过去采用化学湿法刻蚀中出现的一些问题。化学湿法刻蚀在工件上会有腐蚀性剩留液，会影响器件可靠性和寿命。另外，湿法刻蚀过程很难控制，刻蚀工件有严重的钻蚀
23、现象，一般刻蚀线宽大于5m左右，是提高器件集成度的一个工艺障碍。等离子体干法刻蚀，不存在剩留腐蚀性溶液的问题，刻蚀线宽可减小到亚微米量级，可以提高器件的集成度。对于现代的大规模集成电路LSI而言，其制造工艺中最重要的是微细加工所能达到的程度。批量生产设备的最小加工尺寸在1997年是0.25m，2001年达到0.1m，在2012年之前达到0.05m。,LSI制造,准备单晶硅切片基板，在基板上形成金属(Al)或电介质(SiO2)薄膜。形成感光膜(光刻胶也称光致抗蚀剂)，其成分是碳水化合物的聚合膜(CnHm)把预先用计算机等制作好的巨大的图纸(电路)缩小，制成掩膜板(负片)。然后让紫外线照射掩膜板进
24、行爆光。再把感光部分用专用的显影液冲洗。这样完成了电路的转印。在高活性的等离子体氛围里，对没有覆盖光刻胶的薄膜进行刻蚀。用氧等离子体除掉抗蚀剂，进行灰化。,等离子体焊接和切割,电弧的压缩效应热力学压缩机械压缩箍缩效应,气体放电光源,全世界所有的照明灯有一半以上是放电灯。2.放电灯一般包括有荧光灯、高气压汞灯、低气压和高气压钠灯，以及金属卤化物灯等。,等离子体电视,体外冲击波碎石术是高压强脉冲放电技术在医疗领域中的一项成功的应用。它的基本原理是利用在水中发生高压强脉冲放电时形成“液电效应”而产生冲击波，以及冲击波可以被聚焦这一物理现象和特性。当冲击波从人体外部传入人体内部并在人体内部的结石处聚焦时，处于冲击波焦点范围内的结石在聚焦后的强烈冲击波反复冲击下逐渐碎裂。破碎后的结石粉末和小颗粒随尿液自行排出体外，从而使结石患者的结石症得到治愈，并免受传统的外科手术之苦。,体外冲击波碎石,核聚变Tokamak,ITER,
