» И 20 Иванов И. Г. Газовый разряд и его применение в фотонике: учебное пособие / И. Г. Иванов. <...> ISBN 978-5-9275-0613-2 В пособии на современном уровне рассматриваются элементарные процессы в газоразрядной плазме и её параметры, свойства разрядов различных типов, их устойчивость. <...> Пособие призвано помочь студенту в освоении теоретического материала лекционного курса «Газовый разряд в фотонике и оптоинформатике», а также в самостоятельной работе по решению задач. <...> Диффузия и амбиполярная диффузия в плазме . <...> Зажигание самостоятельного разряда с холодным катодом . <...> Процессы в катодной области АТР, приводящие к ИЭЭ и явлению катодного распыления . <...> ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ СТОЛБ ТЛЕЮЩЕГО И ДУГОВОГО РАЗРЯДОВ . <...> Газоразрядные источники света на парах металлов . <...> Такая плазма обладает рядом уникальных свойств, что определяет ее эффективное использование в физическом эксперименте, в газоразрядных электронных приборах, важнейшими типами которых являются газоразрядные источники света и газоразрядные лазеры различных типов, а также в ионной технологии для микроэлектроники: ионном распылении материалов для получения тонких пленок, ионном травлении для получения атомарно чистых поверхностей и др. <...> ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЫ Плазма любого вида – эти ионизированный газ при таких концентрациях заряженных частиц, когда их взаимодействие обеспечивает макроскопическую нейтральность во всем объеме, при этом локальные нарушения нейтральности приводят к появлению сильных электрических полей, быстро восстанавливающих указанную нейтральность. <...> Состав газоразрядной плазмы Плазма газа, состоящего из атомов («атомарного» газа), содержит следующий набор частиц: Частица атом положительный однократно заряженный ион положительный двукратно заряженный ион положительный k-кратно заряженный ион электрон Обозначение А А+ А++ Аk+ e Масса МА ~MA ~MA ~MA me Заряд q *) 0 +e +2e +ke –e Концентрация частиц **) NA N+ N++ Nk+ ne *) e-элементарный электрический <...>
Газовый_разряд_и_его_применение_в_фотонике.pdf
УДК 533.9
ББК 22.333
И 20
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Южного федерального университета
по «Программе развития федерального государственного
образовательного учреждения
Учебное пособие подготовлено и издано в рамках
национального проекта «Образование»
“Южный федеральный университет” на 2007–2010 гг.»
высшего профессионального образования
И 20
Иванов И. Г.
Газовый разряд и его применение в фотонике: учебное
пособие / И. Г. Иванов. – Ростов н/Д: Изд-во ЮФУ,
2009. – 96 с.
ISBN 978-5-9275-0613-2
В пособии на современном уровне рассматриваются элементарные
процессы в газоразрядной плазме и её параметры, свойства
разрядов различных типов, их устойчивость. Особое внимание
уделяется качественной стороне явлений. Кратко рассмотрены
важнейшие приложения современной физики газового разряда:
процессы в газоразрядных лазерах, газоразрядных источниках
света, в том числе люминесцентных, газоразрядных плазменных
индикаторных панелях и др. Пособие призвано помочь студенту в
освоении теоретического материала лекционного курса «Газовый
разряд в фотонике и оптоинформатике», а также в самостоятельной
работе по решению задач.
Рекомендуется в качестве методического руководства для студентов,
обучающихся по специальности «Фотоника и оптоинформатика»
и смежным физическим специальностям, может быть полезно
также в качестве справочного руководства при проведении
НИРС.
ISBN 978-5-9275-0613-2
© Иванов И. Г., 2009
УДК 533.9
ББК 22.333
© Южный федеральный университет, 2009
© Оформление. Макет. Издательство
Южного федерального университета, 2009
Стр.2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ........................................................................................................................... 5
1. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЫ ...................... 6
1.1. Состав газоразрядной плазмы ....................................................................... 6
1.2. Нейтральность плазмы .................................................................................... 7
1.3. Восстановление плазмой нейтральности ................................................... 8
1.4. Энергетический спектр тяжелых частиц (атомов и молекул) ............ 10
1.5. Столкновения частиц в плазме .................................................................... 11
1.6. Плазма в электрическом поле ...................................................................... 15
1.7. Диффузия и амбиполярная диффузия в плазме ...................................... 16
1.8. Механизмы эмиссии электронов из катода в газовом разряде .......... 17
1.9. Примеры решения типовых задач ............................................................... 19
1.10. Контрольные вопросы (тест) к разделу 1 ................................................ 23
2. ВИДЫ РАЗРЯДОВ В ГАЗЕ ................................................................................ 26
2.1. Зажигание самостоятельного разряда с холодным катодом .............. 26
2.2. Виды самостоятельных разрядов постоянного тока
с холодным катодом ....................................................................................... 29
2.3. Процессы в катодной области АТР, приводящие к ИЭЭ
и явлению катодного распыления .............................................................. 34
2.4. Дуговой разряд ................................................................................................. 35
2.5. Высокочастотный и СВЧ разряды .............................................................. 36
2.6. Искровой и коронный разряды ................................................................... 37
2.7. Рекомендации по решению задач ................................................................ 38
2.8. Контрольные вопросы (тест) к разделу 2 ................................................. 38
3. ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ СТОЛБ ТЛЕЮЩЕГО
И ДУГОВОГО РАЗРЯДОВ ................................................................................. 42
3.1. Параметры и свойства ПС ............................................................................. 42
3.2. Метастабильные атомы в ПС ....................................................................... 45
3.3. Положительный столб в смеси газов. «Пеннинговские» смеси ........ 47
3.4. Явление катафореза в смеси газов .............................................................. 49
3.5. Излучение ПС ................................................................................................... 51
3.6. Рекомендации по решению задач ............................................................... 53
3.7. Контрольные вопросы (тест) к разделу 3 ................................................... 53
3
Стр.3
4. НЕУСТОЙЧИВОСТИ В ПОЛОЖИТЕЛЬНОМ
СТОЛБЕ РАЗРЯДА ............................................................................................... 55
4.1. Критерии устойчивости разряда ................................................................. 55
4.2. Ионизационно-перегревная неустойчивость .......................................... 56
4.3. Ионизационно-доменная неустойчивость ............................................... 58
4.4. Электродинамическая неустойчивость .................................................... 59
4.5. Рекомендации по решению задач ............................................................... 60
4.6. Контрольные вопросы (тест) к разделу 4 ................................................. 60
5. ВАЖНЕЙШИЕ ПРИМЕНЕНИЯ
ГАЗОВОГО РАЗРЯДА .......................................................................................... 62
5.1. Газоразрядные источники света ................................................................. 62
5.2. Газоразрядные источники света на парах металлов ............................ 64
5.3. Газоразрядные индикаторные панели (дисплеи) ................................... 71
5.4. Газоразрядные лазеры с ПС ......................................................................... 72
5.5. Приборы плазменной газоразрядной электроники ............................... 84
5.6. Газовый разряд в ионно-плазменной технологии .................................. 86
5.7. Контрольные вопросы (тест) к разделу 5 .................................................. 89
Литература ..................................................................................................................... 93
Приложение. Правильные ответы к тестам самоконтроля ............................. 94
Стр.4