关于等离子清洗机高频放电的效率浅析

我们常常会听到说等离子清洗机的电源频率有低频40KHz、高频13.56MHz和微波2.45GHz之分，频率越高对处理材料的效果越好。许多实验结果也证明高频放电在增强电离和维持放电等方面较之低频放电有效得多。究其原因，众说纷纭，莫衷一是。为帮助大家了解等离子清洗机高频放电效率的相关知识，我们收集整理了一些资料分享给大家，以供参考。

随着频率的增加，能够产生自持放电的最低允许气压明显下降；例如当频率为13.56MHz时，气压低于0.133Pa尚可维持放电。再如，放电相同时，高频放电的放电阻抗比低频放电时更小。其结果是在给定的放电电压下流过的电流显著增大。这些非同寻常的电离现象是与高频电场中电子运动行为密切相关的。

1 等离子清洗机的电场强度和频率是决定电子运动行为的重要参量

当放电频率为13.56MHz时，不同场强下电子的振幅和所能获得的最大能量列表如下：

从电离的角度来看，例如Ar原子的电离，电子必须至少获得15.7eV的能量。按表中数据，电场强度只要比10V/cm略高就行了。但是，在此能量范围的电子弹性碰撞截面约为10的-15次方cm，而电离截面则要小约两个数量级，因此就发生等离子体而言，必须要比10V/cm强得多的电场。

2 等离子清洗机的电子弹性碰撞的时间与电场位相适当配合能被加速

关于增强电离的机制问题，MacDonald和Tetenbaum曾提出，若电子发生弹性碰撞的时间能与电场位相适当配合的话，电子就能被持续加速。一种最为理想的情况是，就在电子与Ar原子发生弹性碰撞并改变其运动方向的瞬间，恰好电场换向，这将使电子的速度和能量得以连续增长。若按这种机制，即使在相当弱的电场中电子也能获得相当于电离能的能量值。这种机制被普遍认为是微波放电中能有效地产生大量电离的主要缘由，电场频率在数千个兆赫兹范围最为有利，但也有人用来说明13.56MHz这样频率范围的电离过程。

Holland等作过与上述相同的计算并认为，由器壁和阴极发射的二次电子被离子鞘加速后进入辉光放电区成为电子的附加来源。这时电子与器壁的碰撞起着微波放电中弹性碰撞的同样作用，本质上也属于二次电子倍增现象，只不过依赖于器壁发射的二次电子。如果在二次电子放出时恰好电场换向达到相位一致的话，便能有效地增进电离，这乃是一种共振现象。综合许多高频溅射装置的实例估计，想要产生这种共振现象，对高频电场峰一峰值1000V而言，频率和电极间隙d的乘积d约需达到数百MHz·cm。

3 等离子清洗机的电极鞘层界面处“冲浪”的电子也能起到增强电离

冲浪（Surf riding)效应是另一种电离增强机制。高频交变电场能使电极处的鞘层忽而增长，忽而减小。也就是说，会使鞘电压和鞘层不断发生“涨落”变化。设与等高子体交接的鞘界面以速度Vw振荡，那么辉光中的电子向这个变动着的鞘界面入射来的情形，恰好如同电子与大体积的重粒子相碰撞一样。设垂直于鞘界面方向的电子速度为Ve，那么考虑到相对速度，与特重粒子碰撞的轻粒子将以2倍的碰撞速度离去，因而碰撞后的电子被弹回辉光区的速度可表示为（Ve 2Vw)。这表明，电子从振荡的鞘层获得了能量，可以认为在鞘层界面处“冲浪”的电子也能起到增强电离的作用。

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