プラズマについて

- Jan 03, 2018-

血漿の定義


プラズマは荷電粒子(イオンと電子の両方)と中性子(原子と分子)のガスであるが、光子のガスでもある。 より具体的には、全体として電気的に中性である完全にまたは部分的にイオン化されたガスとして特徴付けることができる。すなわち、正および負の電荷の数は等しい。 これは、固体から液体への遷移、および液体から気体への遷移のような急激な相転移はないが、ガスにエネルギーを供給するときに生じるので、第4の状態の物質と考えられることが多い。 プラズマの代替名は、光子の付随する放出を伴う粒子の脱励起に起因するプラズマからの特徴的なグローによってグロー放電である。 地球上では、プラズマは雷の点滅と炎を除いて自然状態としては起こらないが、宇宙プラズマは物質の最も一般的な形態である。 人工的に生成されたガス状プラズマは、しかしながら、人類のために多くの用途を有する。 プラズマは、光源、新しい種類のテレビ画面、融合実験のためのリアクターなど、さまざまな用途に使用されています。おそらく最も一般的で最も経済的に重要なのは、固体の材料処理やガスは、ある。 融合のためのプラズマとは異なり、これらのプラズマは「冷たい」、すなわちガスが低温である一方で、電子がガス粒子の一部をイオン化、励起、解離するのに十分高いエネルギー(温度)を有する「熱力学的平衡」ではない。


プラズマの発生


材料処理における工業的応用のためのプラズマは、異なるプラズマ源によって生成される。


プラズマは、ガス中の2つの電極の間に電圧を印加し、ガス圧および電極間の距離に応じてある電圧でガスを発生させることにより発生することができ、ガスが絶縁破壊してイオン化によりガスが導通する。 イオン化は、電場による電離エネルギーに加速された電子と、例えば原子のような中性粒子との衝突によって引き起こされる。 1つの自由電子を生成するすべての衝突は新しいイオン化を引き起こすことができるが、最初の電子も依然として再び衝突することが自由であるため、イオン化はアバランシェ過程として現れる。 最終的に、このプロセスは、荷電粒子の発生と損失との間で定常状態に達する。 プラズマ体積からのイオンおよび電子の損失は、プラズマ境界への再結合および拡散によって起こり得る。 イオン化の開始は、例えば宇宙線によるイオン化のために、常に中性ガス中に存在する一次イオンと電子によって可能となる。 原子をイオン化するのに十分なエネルギーを持たない電子は、その電子構造を変化させ、それを励起し、原子が脱励起したときに光子を放出することができる。 荷電粒子の再結合および脱励起は、プラズマシステムのグロー特性に寄与する。


グロー放電の最も簡単なタイプでは、印加電圧は直流電圧であり、2つの電極はそれぞれカソードおよびアノードを表す。 電場は、電極の間に均一に分布していないため、グローの輝度に差異が生じる。 放電の最も激しい部分は、陰極から離れた「陰の輝き」である。 このグローとカソードとの間の領域は、電位が急激に低下する「陰極ダークスペース」または「空間電荷シース」である。 衝突がないかまたは非常に少なく、この領域では光子放出がないため、暗く見える。 正のイオンは、シースを通る潜在的な低下により加速され、陰極表面と衝突する。 これは、陰極から反発されて陰性グローに放出され、そこでイオン化を促進する二次電子の放出を引き起こす可能性がある。 イオンはまた、カソード材料から原子をノックアウトすることができ、この効果は、堆積される材料源としてスパッタリングに使用される。 カソードとアノードとの間の距離が放電の幅に対して十分に長い場合、別のグロー領域「陽光柱」が現れることがある。 陽極には暗い空間もあるが非常に薄い。


陰極が非導電性材料で囲まれている場合、電極表面の帯電のために、プラズマは直流電圧によって維持できない。 この場合、放電を発生させるために、無線周波数(RF)電圧で電極に電力を供給することが可能である。 RF放電は、通常、DC放電よりも効率的なイオン化を有する。 電子は非常に低い質量を有し、イオンは時間平均電界にちょうど追随しながらRF振動に容易に追従することができる。 導電性カソードの場合には、カソードと電源との間のブロッキングコンデンサを用いて、カソード上に負の直流バイアス(実際には両方の電極上)を形成し、電極とプラズマとの間に空間電荷シースを形成することができるRF放電では、イオンはDCケースのようにこのシースを通って加速される。



中空陰極


中空の電極形状におけるシースの存在は、中空陰極源で利用される「余分な」放電(中空陰極放電(HCD))を生じさせる可能性がある。 中空の陰極(陰極)とより大きい対向電極(陽極)とを有する2電極システムでは、HCDは、陽極と陰極との間の「通常の」放電と同時に陰極の空洞内で発生することができ、キャビティ内の壁は、負のグローの幅にほぼ等しい。 HCDの起源は、1つのカソード壁から放出されたエネルギーの高い電子がシースを横切って反対側の壁に向けて加速されると、中空カソードの内部に電子が閉じ込められることである。 反対側の同一のシースに同じであるが反対の電場に達すると、それらは反射される。 電子はトラップされ、反対側のシース間で強制的に振動する。 このメカニズムは「中空陰極効果」と呼ばれています。 これらの振動の間、電子はガス原子との非弾性衝突を受け、イオン化の確率を高めてカソード内部に非常に高密度のプラズマを与える。 このプラズマは、ガスを流すことによってカソードから押し出される。 中空陰極は、RF電源によっても給電することができる。 電子は、1つのRFサイクルの間に何度も振動することができ、高いプラズマ密度を与える。 中空陰極は、異なる幾何学的形状を有することができる:管、管のアレイ、または平行板(線形中空陰極)。


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