Přednáška 4. Úvod do fyziky plazmatu : základní charakteristiky plazmatu, plazma v elektrickém vf plazma. Doutnavý výboj : oblasti výboje

Podobné dokumenty
Plazma. magnetosféra komety. zbytky po výbuchu supernovy. formování hvězdy. slunce

Plazmové metody. Základní vlastnosti a parametry plazmatu

Plazma v technologiích

Úvod do laserové techniky KFE FJFI ČVUT Praha Michal Němec, Plynové lasery. Plynové lasery většinou pracují v kontinuálním režimu.

Úvod do fyziky plazmatu

Plazmové metody. Elektrické výboje v plynech

ZÁŘENÍ V ASTROFYZICE

DOUTNAVÝ VÝBOJ. 1. Vlastnosti doutnavého výboje 2. Aplikace v oboru plazmové nitridace

Charakteristika a mrtvá doba Geiger-Müllerova počítače

1. Paschenův zákon. p = A exp Bp )

STEJNOSMĚRNÝ PROUD Nesamostatný výboj TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY.

Počítačový model plazmatu. Vojtěch Hrubý listopad 2007

DOUTNAVÝ VÝBOJ. Další technologie využívající doutnavý výboj

Využití plazmových metod ve strojírenství. Metody depozice povlaků a tenkých vrstev

Plazmové metody. Co je to plazma? Jak se uplatňuj. ují plazmové metody v technice?

16. Franck Hertzův experiment

VEDENÍ ELEKTRICKÉHO PROUDU V PLYNU, SAMOSTATNÝ A NESAMOSTATNÝ VÝBOJ

ATOMOVÁ SPEKTROMETRIE

Ionizační manometry. Při ionizaci plynu o koncentraci n nejsou ionizovány všechny molekuly, ale jenom část z nich n i = γn ; γ < 1.

Pravděpodobnostní charakter jaderných procesů

IONTOVÉ ZDROJE. Účel. Požadavky. Elektronové zdroje. Iontové zdroje. Princip:

Opakování: shrnutí základních poznatků o struktuře atomu

Studium fotoelektrického jevu

ATOMOVÁ SPEKTROMETRIE

Integrovaná střední škola, Hlaváčkovo nám. 673, Slaný

VEDENÍ ELEKTRICKÉHO PROUDU V LÁTKÁCH

Vojtěch Hrubý: Esej pro předmět Seminář EVF

Základní experiment fyziky plazmatu

Zdroje optického záření

13. Spektroskopie základní pojmy

Základy vakuové techniky

Emise vyvolaná působením fotonů nebo částic

ABSORPČNÍ A EMISNÍ SPEKTRÁLNÍ METODY

TECHNIKA VYSOKÝCH NAPĚŤÍ. Elektrická pevnost

STEJNOSMĚRNÝ PROUD Samostatný výboj TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY.

J = S A.T 2. exp(-eφ / kt)

Studium kladného sloupce doutnavého výboje pomocí elektrostatických sond: jednoduchá sonda

Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK

Základy molekulové fyziky a termodynamiky

Plazmová depozice tenkých vrstev oxidu zinečnatého

ELEKTRICKÝ PROUD V KAPALINÁCH, PLYNECH A POLOVODIČÍCH

Příklady Kosmické záření

Vybrané technologie povrchových úprav. Základy vakuové techniky Doc. Ing. Karel Daďourek 2006

Referát z atomové a jaderné fyziky. Detekce ionizujícího záření (principy, technická realizace)

Úvod do fyziky plazmatu

Transportní jevy v plynech Reálné plyny Fázové přechody Kapaliny

Stručný úvod do spektroskopie

Fyzikální metody nanášení tenkých vrstev

Plazmové svařování a dělení materiálu. Jaromír Moravec

4 Přenos energie ve FS

ELEKTRONOVÝ OBAL ATOMU. kladně nabitá hmota. elektron

REAKTIVNÍ MAGNETRONOVÉ NAPRAŠOV. Jan VALTER HVM Plasma s.r.o.

OPTICK SPEKTROMETRIE

Plynové lasery pro průmyslové využití

1. Zadání Pracovní úkol

Měření vakua. Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 1

Polovodičové diody Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

MODERNÍ METODY CHEMICKÉ FYZIKY I lasery a jejich použití v chemické fyzice Přednáška 5

Nekovalentní interakce

III. Stacionární elektrické pole, vedení el. proudu v látkách

Numerické modely klouzavých výbojů ve střídavém elektrickém poli

Přednášky z lékařské biofyziky Biofyzikální ústav Lékařské fakulty Masarykovy univerzity, Brno

Metody depozice povlaků - CVD

Výukový materiál zpracován v rámci projektu EU peníze školám Registrační číslo projektu: CZ.1.07/1.5.00/

2. Elektrotechnické materiály

Struktura elektronového obalu

Mgr. Ladislav Blahuta

Úvod do laserové techniky

POKUSY VEDOUCÍ KE KVANTOVÉ MECHANICE III

Snímače, detektory, čidla 1) Principy snímání polohy, měření vzdálenosti, snímání úhlu natočení (mechanické, kontaktní/ bezkontaktní, další jiné).

test zápočet průměr známka

Relativní chybu veličiny τ lze určit pomocí relativní chyby τ 1. Zanedbáme-li chybu jmenovatele ve vzorci (2), platí *1+:

Nekovalentní interakce

Charakteristiky optoelektronických součástek

DOUTNAVÝ VÝBOJ. Magnetronové naprašování

Orbitaly ve víceelektronových atomech

Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně

Elektřina: Elektrostatika: Elektrostatika: Elektrostatika: Analogie elektřiny s mechanikou: Elektrostatika: Souvislost a analogie s mechanikou.

PSK1-14. Optické zdroje a detektory. Bohrův model atomu. Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola, Božetěchova 3 Ing. Marek Nožka.

Diagnostika plazmatu. Rychlé zopakování. Optická emisní spektroskopie + odvozené metody. Hmotnostní spektroskopie. Možné aplikace

OPTICKÁ EMISNÍ SPEKTROMETRIE

Základy spektroskopických metod

OPTICKÁ EMISNÍ SPEKTROMETRIE

Anomální doutnavý výboj

Úvod do spektrálních metod pro analýzu léčiv

OPTIKA Fotoelektrický jev TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY.

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ. Katedra elektroenergetiky a ekologie DIPLOMOVÁ PRÁCE

Teplota jedna ze základních jednotek soustavy SI, vyjadřována je v Kelvinech (značka K) další používané stupnice: Celsiova, Fahrenheitova

Laserová technika prosince Katedra fyzikální elektroniky.

Atomová fyzika plazmatu

CHARAKTERIZACE MATERIÁLU II

INOVACE ODBORNÉHO VZDĚLÁVÁNÍ NA STŘEDNÍCH ŠKOLÁCH ZAMĚŘENÉ NA VYUŽÍVÁNÍ ENERGETICKÝCH ZDROJŮ PRO 21. STOLETÍ A NA JEJICH DOPAD NA ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ

Spektroskopické metody. převážně ve viditelné, ultrafialové a blízké infračervené oblasti

Elektřina. Elektrostatika: Elektrostatika: Elektrostatika: Analogie elektřiny s mechanikou: Elektrostatika: Souvislost a analogie s mechanikou.

Optogalvanick{ spektrometrie Vítězslav Otruba

Charakterizace výboje v atmosféře methanu a helia pomocí časově rozlišené spektrometrie s Fourierovou transformací

Výstupní práce Materiály a technologie přípravy M. Čada

Luminiscence. emise světla látkou, která je způsobená: světlem (fotoluminiscence) fluorescence, fosforescence. chemicky (chemiluminiscence)

Balmerova série, určení mřížkové a Rydbergovy konstanty

Transkript:

Přednáška 4 Úvod do fyziky plazmatu : základní charakteristiky plazmatu, plazma v elektrickém vf plazma. Doutnavý výboj : oblasti výboje

Jak nahradit ohřev při vypařování Co třeba bombardovat ve vakuu povrch zdroje částic nějakými těžkými atomy? Asi, se jim podaří vyrazit z povrchu zdroje částic nějaké. Ty poletí až na substrát, kde vytvoří vrstvu. Jak urychlit a řídit tok těžkých atomů? Těžko! Ale, umíme ovládat let nabitých částic elektronů a iontů! To je ono projektily budou těžké ionty. Stačí argon hmotnost 40 amu.

Kde získat ionty? Kde v plynu za nízkého tlaku získat ionty? Snadno, pomocí elektronů a jejich srážek s neutrálními atomy v elektrické nebo elektromagnetickém poli. Co vznikne prostředí nazývané PLAZMA

Úvod do fyziky plazmatu velmi zjednodušené a zaměřené zejména na aplikace vytváření povlaků a nanotechnologie

Jak dlouho známé plazma? Počátky lze najít u Empedoklése (430 př. n.l.) čtyři živly: země, voda, vzduch, oheň* Crookes (1879) prostředí vytvořené elektrickým výbojem je čtvrtým stavem hmoty Langmuir (1923) prostředí tvořené elektrony, ionty, neutrály (atomy i molekuly) = plazma * není plazma jen excitované stavy, hoření zejména reakce singletního stavu molekuly O 2 (běžný je její tripletní stav)

Plazma kolem nás asi 99% hmoty ve vesmíru je v plazmatickém stavu plazma aplikace ve zdrojích světla, materiálovém inženýrství (elektronika, odolné povlaky,...)

Základní rozdělení horká plazma teploty všech částic jsou srovnatelné typické pro hvězdy (a částečně pro atmosférický obloukový plazmový výboj) studená plazma teplota elektronů mnohem větší než teplota iontů a neutrálních částic tímto druhem plazmatu se budeme dále zabývat

Energie částic střední kinetická energie částice je dána známým vztahem e = 3/2 kt (viz kinetická teorie plynů) přesně lze o T jako o teplotě mluvit pouze v termodynamické rovnováze, při Te >> Ta,i je T kinetická teplota částic, pro každý druh jiná míra energie částic je dána faktorem kt, kt 1.38 10 23 23 1 1.38 10 T 1 T K 1 JK T K K ev K ev K 1.602 10 Energie 1.5 ev odpovídá cca 10000 o C 19 11609

Typické energie částic výboje za nízkých tlaků T e = 10 000 50 000 K T a = T i = 300 350 K obloukový atmosférický výboj T e = 10 000 50 000 K T a = T i = 2 000 20 000 K

Stavy částic stavba atomu Jak vypadá atom jednoduchý model atomu vodíku hranice kontinua e 3. 23 e 2 e 1 2. e 12 g 2 g 1 1. základní hladina e ij excitační energie pro přechod elektronu z hladiny i na j e ij ionizační energie pro i-tou hladinu g i statistická váha i-té hladiny

Stavy částic Metastabilní stavy vybuzený elektron v atomu spontánně přechází na nižší hladinu za dobu kolem 10-8 s a vyzáří při tom foton v některých stavech jsou optické přechody vyzáření fotonu zakázány, viz. kvantová mechanika, a tedy pravděpodobnost přechodu je nízká a doba existence takového stavu může být kolem 10-3 s, to jsou m.s. jsou důležitým úložištěm energie v plazmatu

Částice v plazmatu foton nemá vnitřní strukturu, energie e = hn elektron nemá vnitřní strukturu, energie volného el. je e = ½ m e v 2 atom (molekula) má vnitřní strukturu excitované stavy, u molekul rotační a vibrační stavy kladný iont i vícekrát ionizovaný, stavba jako atomy a molekuly záporný iont zachycený elektron, má jen základní hladinu a hranici kontinua, ele. afinita

Ionizační a excitační energie Atom.č. Prvek Exc. en. e 12 Ionizač. en e 1 1 H 10.2 ev 13.6 ev 2 He 19.8 24.6 6 C 1.26 11.3 7 N 2.38 14.6 18 Ar 11.6 15.8

Ionizace molekul elektrony Molekula H 2 Ionizační en. 15.427 ev N 2 15.576 O 2 12.063 NO 2 9.78 CH 3 10.19 CH 4 12.704

A co disociace molekul Molekula Dis. en. tepelná dopadem el. H 2 4.475 ev 8.8 ev N 2 9.760 24.3 O 2 5.080 7.0 NO 6.48 přes 10 ev tepelná energie není zcela ekvivalentní s procesem srážky s elektronem

Srážky nejjednodušší případy pro popis plazmatu lze použít tyto procesy srážek s elektrony A(m) + e C nm,f mn A + + e + e - ionizace atomů srážkami s zpětně tříčásticová rekombinace A(m) + e S m,o m A(n) + e excitace a deexcitace atomů srážkou s elektronem

Srážky nejjednodušší případy pro popis plazmatu lze použít tyto procesy srážek s fotony A(m) + hn mn (1-l mn )A mn,a mn A(n) zářivá excitace atomů a spontánní deexcitace A(m) + hn (1-l m )R m,r m A + + e foto ionizace a zářivá rekombinace atomů tedy z plazmatu vychází záření, a opačně (součastně) plazma záření i absorbuje

Příklad účinného průřezu

Srážet se mohou i těžké částice A(m) + B(1) A(n) + B(1) excitace a deexcitace A(m) + B A + + B + e ionizace a tříčásticová rekombinace A(m) + B(1) A(1) + B + + e ionizace a tříčásticová rekombinac, pokud je A(m) metastabilní stav, tak se nazývá Penningova ionizace A(m) + B (AB) + + e molekulární iont

Srážky s ionty další důležité srážky jsou ty s přenosem náboje mezi iontem a neutrálním atomem - symetrický přenos náboje A + + A(s) A(f) + A + - symetrický přenos náboje AB + e A - + B vznik záporných iontů e + A + B A - + B vznik záporných iontů reálně pro popis výboje nutno cca 200 až 300 rovnic včetně všech účinných průřezů (proměnné)

1 I úměrné U 2 oblast nasycení - všechny el. vzniklé fotoemisí dorazí na anodu (fotoemise z kosm. záření) 3 emise viditelného světla velice malá začíná ionizace - základ udržení výboje je fotoemise 4 růst I vliv sekundárních elektronů z katody po dopadu iontů Výboj za nízkého tlaku mějme takový systém a vhodný tlak I ~ V zvyšujme napětí a měřme proud + - Discharge Current (*10-10 A) 14 12 10 8 6 4 2 e*u i = - ga s ioniza tion e ne rgy 4 U d - s e conda ry e le ctrons e mis s ion from e le ctrode 1 2 3 Ar - Ar + Ionizační srážková kaskáda 15.76 ev 0 0 50 100 150 200 250 Discharge voltage (V)

Townsendovo kritérium průrazu plynu z VA charakteristiky je vidět, že výbojový proud prudce roste při napětích na průrazným kdy se začne uplatňovat ionizace, dále lze snadno odvodit, že výbojový proud I je úměrný podílu exp(ad)/(1 g(exp(ad) 1)). Kdy bude tedy proud maximální? a je koef. ionizace počet ionizací na jednotku dráhy letu el., d vzdálenost elektrod g je koeficient sekundární emise elektronů << 1

Townsendovo kritérium průrazu plynu podmínku pro max. proud 1 g(exp(ad) 1) = 0 lze přepsat na tvar g*exp(ad) = 1 tedy jeden primární elektron vytvoří jeden sekundární elektron, který převezme jeho funkci výboj se udrží samostatný bez nutnosti fotoemise (vnější zdroj elektronů z kosmického záření)

Paschenův zákon po dalších úpravách lze odvodit vztah U pr = funkce(pd) tedy průrazné napětí pro vznik samostatného výboje je závislé pouze na součinu tlaku a vzdálenosti katody a anody existuje minimum funkce experimentálně prokázáno roku 1889 http://en.wikipedia.org/wiki/paschen's_law

Co použít jiné než DC napájení lze, pak Paschenův zákon přejde do tvaru U pr = f(pd, fd) kde f je frekvence AC zdroje typicky pro součin pd = 1 Torr cm je závislost RF výboje

Oblasti 1 jako DC 2 klesá počet iontů dopadajících na elektrody vlivem oscilace el. pole, proto méně sek. el. 3 oscilace el. pole drží mezi elektrodami ionty i elektrony průrazné napětí rychle klesá 4 vliv fázového zpoždění způsobí nárůst průrazného napětí

Charakteristika DC výboje Obvyklý režim výboje pro materiálové aplikace

DC doutnavý výboj Long tube n e >= n i n e = n i typical values about 10 10 cm -3 n e << n i

DC doutnavý výboj Pro využití ve zdrojích světla emise v UV oblasti

DC doutnavý výboj Pro využití v oblasti materiálových technologií

Literatura http://en.wikipedia.org/wiki/glow_discharge