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微波ECR等離子體


微波ECR等離子體以直流放電等離子體和射頻放電等離子體為基礎(chǔ)而發(fā)展起來(lái)的,它是一種低氣壓、高密度等離子體源,在多方面擁有顯著優(yōu)于直流放電等離子體和射頻放電等離子體的特性。

等離子體是一種導(dǎo)電流體。等離子體中存在著大量的帶電粒子,在外加電磁場(chǎng)時(shí),帶電粒子的運(yùn)動(dòng)會(huì)受到電磁場(chǎng)的顯著影響。一般而言,微波等離子體的放電氣壓范圍在70~1300Pa之間。在不發(fā)生碰撞的情況下,電子所獲得的能量很少,不足以維持放電現(xiàn)象。微波ECR等離子體是在磁場(chǎng)作用下,放電氣體中受微波能量的影響而產(chǎn)生的少量初始電子,受洛倫茲力而發(fā)生運(yùn)動(dòng),根據(jù)右手螺旋法則,電子繞逆時(shí)針?lè)较蜃龌匦\(yùn)動(dòng),即在沿磁場(chǎng)方向作勻速直線運(yùn)動(dòng)的同時(shí)又環(huán)繞磁力線作勻速圓周運(yùn)動(dòng),如圖1-1所示。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為875Gauss時(shí),電子的回旋頻率ωce與沿磁場(chǎng)傳播的微波頻率ω(2.45GHz)相匹配,電子就會(huì)發(fā)生共振能量吸收,成為高能電子。這些高能電子會(huì)與氣體分子發(fā)生非彈性碰撞,使之發(fā)生電離,進(jìn)而產(chǎn)生分子離解、碰撞電離和粒子活化,實(shí)現(xiàn)微波等離子體放電,獲得高密度的低溫ECR等離子體。
圖 1-1 穩(wěn)恒磁場(chǎng)中電子的回旋運(yùn)動(dòng)示意圖
圖 1-1 穩(wěn)恒磁場(chǎng)中電子的回旋運(yùn)動(dòng)示意圖
微波ECR等離子體具如下優(yōu)點(diǎn):
(1)微波放電時(shí)無(wú)極放電。能獲得純凈的等離子體且密度更高,適用于高純度物質(zhì)的處理和制備,且效率更高;
(2)微波ECR等離子體中存在大量長(zhǎng)壽命的自由基,甚至在輝光下游區(qū)域也存在著數(shù)量相當(dāng)?shù)幕鶓B(tài)原子、電子激發(fā)態(tài)分子和振動(dòng)激發(fā)態(tài)分子等化學(xué)活性物質(zhì)。這顯然為很多反應(yīng)提供了有利條件;
(3)利用微波電磁場(chǎng)的分布特點(diǎn),可減少等離子體與放電腔壁的相互作用;
(4)能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá),95%以上的微波能量可以轉(zhuǎn)化為等離子體能量;
(5)在低氣壓下,可獲得高密度的等離子體;
(6)微波ECR等離子體的平均粒子能量較低,高能尾翼比麥克斯韋分布短?;系碾x子的等離子體浮置電位較射頻電容耦合等離子體低,而且可以實(shí)現(xiàn)等離子體的產(chǎn)生和離子能量的控制相對(duì)獨(dú)立。


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