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Physics of Gas Discharges Physics of Gas Discharges

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Physics of Gas Discharges Physics of Gas Discharges Physics of Gas Discharges Physics of Gas Discharges Recommended references [1] A.Piel, “Introduction to Plasma Physics”, Springer, 2010. [2] R. Hippler, H .Kersten, M. Schmidt, K.H. Schoenbach (Ed.s), „Low Temperature Plasmas – Fundamentals, Technologies, and Techniques“, Wiley-VCH, Weinheim, 2008. [3] A. Fridman, L.A. Kennedy, “Plasma Physics and Engineering”, Taylor & Francis, NY, 2004. [4] G. Franz, „Low Pressure Plasmas and Microstructuring Technology“, Springer, 2010. [5] M.A. Lieberman, A.J. Lichtenberg, “Principles of Plasma Discharges and Materials Processing”, John Wiley & Sons Inc., New York, 1994. [6] B. Chapman, “Glow Discharge Processes – Sputtering and Plasma Etching”, Wiley, New York, 1980. [7] G. Blasek, G. Bräuer (Ed.s), “Vakuum – Plasma – Technologien”, Leuze-Verlag, 2010. [8] A. Bogaerts, E. Neyts, R. Gijbels, J. vdMullen, “Gas discharge plasmas and their applications”, Spectrochim. Acta B, 57(2002), 609. [9] J. Reece-Roth, “Industrial Plasma Engineering”, Francis & Taylor, NY, 1995. Physics of Gas Discharges 1. introduction (plasma, gas discharges in nature, historical remarks, technological applications) 2. generation and loss processes of charge carriers 2.1 elementary volume processes (thermal ionization, photoionization, collisions, Townsend mechanism) 2.2 elementary processes at surfaces (thermal and field emission of electrons, secondary electron emission) 3. electrical current in gas 3.1 gas kinetics and motion of charge carriers in electric fields 3.2 electric breakthrough 4. stationary discharges 4.1 silent discharges, Townsend discharge 4.2 glow discharges (spatial structure, special forms: hollow cathode discharge, magnetron discharge, striations) 4.3 arc discharges 5. non-stationary discharges 5.1 spark-, barrier-, and corona discharges 5.2 discharge plasmas at oscillating currents and voltages 5.3 high frequency discharges (capatively coupled: CCP, inductively coupled: ICP) 5.4 microwave discharges (ECR plasmas) 5.5 atmospheric pressure plasmas (dielectric barrier discharge, jet discharges) 6. beam plasmas 6.1 electron beam generated plasmas 6.2 ion beam generated plasmas Physics of Gas Discharges • plasma is the typical state of matter • plasmas occur if the energy per particle is sufficient for ionization of atoms or molecules • „plasma“ is often called „the fourth state of matter“ • plasmas are quasi-neutral many-particle systems as gaseous mixtures of free electrons, ions and neutrals • the physical properties of plasmas are essentially affected by the presence of charge carriers A common definition of the plasma state might be: A plasma is a quasi-neutral gas containing charged and uncharged particles which show a collective behaviour. • methodology (models, research methods) in plasma physics is based on other physical branches: mechanics, thermodynamics, electromagnetism, optics, atomic physics • results / knowledge of plasma physics influence many other fields of science and technology: atom and molecule physics, astrophysics, chemistry, material science, metrology / measurements, power engeneering … plasma – the fourth state of matter „hierarchy“ of states of matter solid liquid gaseous plasma - + + - + - state of matter n energy threshold energy solid (crystal) 1 lattice binding energy 0 … 1 eV liquid 2 evaporation energy 0 … 1 eV gas 3 ionization energy 1 … 100 eV plasma 4 nucleon binding 10 eV … 2 MeV energy mixture of free nucleons 5 2 … 200 MeV and electrons solid liquid gas ????? = plasma typical on earth typical state of matter in the Universe plasma – the fourth state of matter properties of plasma • quasi-neutrality • charge distributions limited to space charges (D • ionization degree x (weakly ionized plasmas : x<<1, heavily ionized plasmas : x ~ 1) • plasma density (electron density) ne • energy distribution (kTe), distribution functions (EEDF, IEDF) • influenced by magnetic fields, generation of magnetic fields (charge carriers) • plasma radiation (line, continuum), light plasma – the fourth state of matter energy and plasma density * ~ lab plasma 1eV ~ 10000K Physics of Gas Discharges 1.1 Gas discharges in nature In der Natur ist die Erscheinung der Elektrizitätsleitung durch Gase seit den frühesten Zeiten in zwei typischen Formen beobachtet worden, die man trotz der Vielfalt der gegenwärtig bekannten Gasentladungen noch stets als die beiden extremen Erscheinungsformen betrachten kann: Gewitterblitz und Polarlicht. Blitze treten bei dem für Gasentladungen hohen Druck der Atmosphäre auf, Polarlichter dagegen im stark verdünnten Gas der obersten Schichten der Hochatmosphäre. (Quelle: C. Clark, NOAA Photo Library, (Quelle: L.Stephan, Sternwarte Heringsdorf, 2000) National Severe Storms Laboratory) Blitze im Gewitter Polarlicht plasmas in nature Plasmas are basic constituents of the (visible) Universe. • plasma is continuosly streaming from the Sun through our solar system • charged particles of the solar wind hit the Earth and gyrate along the magnetic fiel lines into the polar regions • polar lights (aurorals) are observable by excitation and ionization processes in the upper atmosphere plasmas in nature solar wind (Quelle: NASA) solar wind interacts with the magnetosphere of Earth http://www.youtube.com/watch?v=BDZj1CmsJ64&feature=related plasmas in nature polar lights • Elektronen (hauptsächlich aus dem Sonnenwind) gelangen längs des Erdmagnetfeldes in polare Zonen (65o … 75o) • Stoßanregung von atomarem N, O (u.a.) in höheren Atmosphärenschichten (h > 100 km) Leuchterscheinungen (Abregung, Rekombination) -4 3 6 -3 -4 • Ionosphäre : p ~ 10 Pa, Tg ~ Te ~ 10 K, ne ~ 10 cm , x ~ 10 http://www.meteoros.de/polar/polar.htm plasmas in nature Plasmas are basic constituents of the (visible) Universe. • from everyday life, we are familiar with discharges, e.g. atmospheric discharges which we observe in the form of lightning, and which equalize potential differences of some millions of volts within milliseconds • lightnings in the atmosphere are discharges between clouds and earth, the separation of charges is due to friction and turbulence • bushels of pink-purple sparks can be seen at sharply pointed structures (ship masts or spires) during thunderstorms • this electroluminescent coronal discharge is well known as St.Elmo’s fire plasmas in nature lightning http://www.meteoros.de/light/blitz.htm Ladungstrennung in der Gewitterwolke Ladungsausgleich • etwa 1 Million jährlicher Blitzentladungen in Deutschland • Entstehung großräumiger Raumladungsgebiete aufgrund diverser Ladungstrennungs- und -transportprozesse in einer Gewitterwolke mittlere Ladungsdichten : einige nC/m3 lokale elektrische Feldstärken von einigen MV/m Initiierung einer ,,Streamer”-Entladung • Leitblitz (mit ~ 105 m/s zur Erde) = thermisch ionisierter Plasmakern (d ~ 1 cm), umgeben von zylindrischer Ladungshülle (,,Korona”, d ~ 100 m, Ladungsdichte ~ 10 mC/m3) • aus exponierten Objekten startet Fangblitz ( ~ 107 m/s) dem Leitblitz entgegen ,,Erdung” (Hauptblitz als Entladung der Leitblitz- Ladungshülle) grelles Aufleuchten, erheblicher UV-Anteil • Stromstoß mit Amplitude von 104 A für etwa 100 ms plasmas in nature St.Elmo‘s fire http://www.marnach.info/masurenrhein/images/ http://www.meteoros.de (M. Popek) Physics of Gas Discharges 1.2 History of gas discharges Die Beobachtung von Gasentladungen und deren Ausnutzung zur Lichterzeugung hat schon eine sehr lange Tradition. So entdeckte Piccard () im Jahre 1675 zufällig Leuchterscheinungen beim Schütteln eines Quecksilberbarometers als Folge des Hg-Dampfes im Vakuum und der Reibungselektrizität. Die erste “Leuchtröhre” mit den Zeichen AR (Augustus Rex = August der Starke) stammt ca. 1745 von Johann H. Winckler () in Leipzig, später folgte die Erfindung/Entwicklung des Lichtbogens ab 1802 durch Petrov (). Vakuumröhre mit Quecksilber („Schüttelrohr“) Woll () beobachtete den Austritt eines Funkens aus elektrisiertem Bernstein und beschrieb dies bereits 1698 in den Philosophical Transactions. In den Jahren 1733 bis 1737 gelang es Charles Francois Du Fay (1698-1739) sogar bei Experimenten zur Elektrisierung Funken aus dem Körper eines „aufgeladenen“ Menschen zu ziehen. Die Entdeckung von elektrischen Entladungserscheinungen in der Luft und ihr Vergleich mit den Phänomenen beim Gewitter führte bereits 1743 bei Michail W. Lomonossow (1711-1765) zur Idee der elektrischen Natur von Blitz und Polarlicht. Du Fay Lomonossow 1750 gelangte Benjamin Franklin (1706-1790) ebenfalls zu der Auffassung, dass der Blitz im Gewitter sich im Wesen nicht vom elektrischen Funken unterscheidet, den Pieter van Musschenbroek (1692-1761) zur gleichen Zeit (1746) zwischen den Polen seiner Leidener Flaschen überspringen ließ. Influenzmaschine van Musschenbroek und seine „Leidener Flaschen“ Mit Hilfe seiner berühmten Drachenversuche gelang es Franklin, dies zu bestätigen. Zur gleichen Zeit experimentierte Lomonossow mit seiner „Donnermaschine“ unter lebensgefährlichen Umständen und manchmal tragischen Konsequenzen. Franklin Coulomb Diesen ältesten experimentellen Untersuchungen zu Funke und Blitz verdankt das ganze Gebiet der Elektrizitätsleitung in Gasen die nicht ganz korrekte Bezeichnung „Gasentladungen“, die auf einen plötzlichen Elektrizitätsübergang hindeutet. Später behielt man diese Bezeichnung auch bei kontinuierlichem Stromfluss durch ein Gas bei. Im Jahre 1785 entdeckte Charles Coulomb (1736-1806) bei seinen Versuchen die natürliche „Zerstreuung“ (Verlust) elektrischer Ladungen durch die Luft und damit die unselbständige (stille) Entladung (Dunkelentladung). http://www.dpg-physik.de/dpg/gliederung/fv/p/info/index.html
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