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 Franklin‘s Drachenversuche Die Erscheinungen eines elektrischen Bogens in Luft zwischen zwei Kohleelektroden entdeckte der russische Physiker Wassili W. Petrov um 1802 bereits einige Jahre vor Humphrey Davy (1778-1829), der solche Bogenentladungen ab 1821 konsequent für Beleuchtungszwecke (Grubenlampe) verwendete. Voraussetzung war dafür die Verfügbarkeit von ausreichend leistungsfähigen Batterien.

Davy Faraday

Michael Faraday (1791-1867) bestimmte die Potentialdifferenz, bei der eine Funkenentladung entsteht. Dabei fand er, dass der Durchbruch des ersten Funkens zwischen den Elektroden bei höherer Potentialdifferenz vor sich geht als der Überschlag des nächsten Funkens und dass nach jedem Funken die Eigenschaft des Gases, die den Durchgang des nächsten Funkens erleichtert, für einige Zeit erhalten bleibt (Ionisierung). Faraday experimentierte in den Jahren 1831-1835 auch schon mit Glimmentladungen in Röhren, die auf Drücke von etwa 1 Torr evakuiert werden konnten und an die eine Spannung bis zu 1000 V angelegt werden konnte. Der eigentliche Mechanismus des Blitzes und der Funkenentladung hat erst im 20. Jahrhundert eine befriedigende Erklärung gefunden. Viel fruchtbarer war in diesem Zusammenhang im 19. Jahrhundert das Studium der Leitung durch verdünnte Gase, für die Polarlichter das „kosmische Beispiel“ darstellen.

Diese systematischen Untersuchungen wurden um 1850 von Julius Plücker (1801-1868) eingeleitet. Am Anfang stand dabei eine phänomenologische Beschreibung der Glimmentladung und einiger anderer Entladungsformen in verdünnten Gasen, wie z.B. der geschichteten Entladung. Großen Einfluss auf die schnelle Entwicklung dieses Gebietes der Physik hatte die Verbesserung der Vakuum- und Glastechnik zu jener Zeit. In diesem Zusammenhang ist unbedingt der Bonner Glasbläser Heinrich Geissler (1815-1879) zu nennen, der mit der Fertigung der nach ihm benannten Geissler- Röhren u.a. hervorragende Entladungsröhren für die Spektroskopie bereitstellen konnte.

Plücker Geissler

Geissler-Röhre (1858) http://www.infogr.ch/roehren/roehren.htm Johann W. Hittorf (1824-1914) – eine Schüler von Plücker – studierte die Glimmentladung und publizierte 1869 eine Arbeit „Über die elektrische Leitfähigkeit der Gase“. Von ihm und Plücker stammen die ersten Untersuchungen über Kathodenstrahlen.

Hittorf Entladungsröhre Mit der Gasverdünnung in der Entladungsröhre bis zur damals äußerst möglichen Grenze wurden die experimentellen Studien von William Crookes (1832-1919) fortgesetzt, der 1879 vor der British Association in London – unterstützt durch seine klassischen Demonstrationen – darüber berichtete.

Crookes Entladungsrohr nach Crookes Fluoreszenz in Crookes’scher Röhre

Crookes lenkte dabei insbesondere die Aufmerksamkeit auf die magnetische Ablenkung der Kathodenstrahlen, die er bereits als den „vierten Aggregatzustand der Materie“ bezeichnete. Am Ende seines Vortrags sagte er voraus, dass die größten physikalischen Probleme durch sie ihre Lösung finden würden. In der Tat hat die Geschichte diese Voraussage in gewisser Weise bestätigt – denn es ist wohl berechtigt zu sagen, dass die moderne Atomtheorie zu einem erheblichen Teil auf den Erkenntnissen aufbaut, die mit Gasentladungen gewonnen wurden. So zeigte es sich, dass die Kathodenstrahlen aus Elektronen bestehen – und Joseph John Thomson (1856-1940) war im Jahre 1897 in der Lage, aus der von Crookes nachgewiesenen magnetischen Ablenkung das Verhältnis zwischen elektrischer Ladung und Masse des Elektrons zu bestimmen. Thomson lieferte auch einen wichtigen Beitrag zur Erklärung von Gasentladungsphänomenen durch seine Arbeiten über die Existenz von Elektronen und Ionen.Ausseiner Cavendisher Schule ging eine Reihe von Physikern hervor, die sich intensiv mit elektrischen Entladungen in Gasen beschäftigten. Unter vielen anderen Namen sind hier John Sealy Edward Townsend (1868-1957), Ernest Rutherford (1871-1937), Owen W. Richardson (1879-1959) und Francis W. Aston (1877-1945) zu nennen.

Thomson Townsend Aston Gasentladungen wurden auch bald zu einem der wichtigsten Hilfsmittel in der spektroskopischen Forschung. Balmer (1825- 1898) entdeckte 1885 die Formel für die Wellenlängen aus dem Spektrum, das von einer Wasserstoffentladung ausgesendet wurde, und diese Entdeckung wiederum diente Niels Bohr (1885-1962) später im Jahre 1913 zur Entwicklung seiner Atomtheorie. Eine andere bahnbrechende Folge der Untersuchung von Gasentladungen bei niedrigem Druck war die Entdeckung der nach ihm benannten Strahlen durch Wilhelm Konrad Röntgen (1845-1923).

Balmer Röntgen Die modernen Theorien zur Gasentladungsphysik gehen in der Tat auf die Arbeiten von J.J. Thomson und seinen Schülern in Cavendish zurück. Wichtige Vorstellungen zur Gasionisierung gehen auf klassische Arbeiten von Townsend zurück, dessen Theorie in den Jahren 1931-1932 von Walter Rogowski (1881-1947) erweitert wurden. Damit konnte die Theorie nun auch auf die selbständige Glimmentladung ausgedehnt werden. Richardson untersuchte um 1900 die thermische Elektronenemission und schuf damit die erste quantitative Theorie dieser Elementarprozesse, die insbesondere für die Bogenentladung von großer Bedeutung sind. Die Theorie der thermischen Ionisation (1923) geht auf den indischen Physiker Saha (1894-1956) zurück, die Anwendung dieser Theorie auf die eingeschnürte Bogenentladung im Jahre 1935 stammt von Elenbaas () und Mitarbeitern.

Glimmentladung Bogenentladung Auch zur Quantentheorie haben Untersuchungen zu Gasentladungen wichtige Voraussetzungen geliefert. James Franck (1882-1964) und Gustav Hertz (1887-1975) bestimmten um 1913 die zur Elektronenstoßanregung eines Hg-Atoms erforderliche Mindestenergie (Anregungs- und Ionisierungspotentiale) und lieferten damit ein wichtiges Experiment zur Quantenphysik. Dies führte schließlich zu einer Methode für die Bestimmung des Wirkungsquantums, die von Max Planck (1858-1947) in seinen „Erinnerungen“ gekennzeichnet wird als eine Methode, „wie man sie sich direkter nicht wünschen kann“.

Franck Hertz

Planck

Franck-Hertz-Versuch • in 1928, it was Langmuir who denoted plasma a gas which is ionized to a large extent, and therefore, its charge density is called plasma density • in this nomenclature, this plasma will fall into the category tenuous plasma or low-density plasma • it conducts electric currents and can easily be influenced by external electric or magnetic fields • on the other hand, the plasma bulk will remain neutral, and this state is denoted quasi-neutral Irving Langmuir (1881 – 1957) • it is the simultaneous occurrence of long-range and short- range forces which distinguishes a plasma from a neutral gas • It can be described, at least in principle, with the kinetic gas theory and the corresponding refinements (various potentials of interaction to take into account short-range forces) • both types of matter have some properties in common; among them is the chaotic behavior of their constituents: the neutrals and charged particles move on randomly scattered trajectories after [6] Gasentladungen bei höheren Frequenzen – also keine DC-Entladungen – wurden wohl erstmalig von Nicola Tesla (1856-1943) im Jahre 1891 beschrieben. Solch eine Entladung erhielt man, in dem ein evakuiertes Gefäß innerhalb einer Spule platziert wurde, an die eine HF-Spannung angelegt wurde. Das elektrische Feld, das durch das oszillierende Magnetfeld induziert wird, kann einen Durchbruch im stark verdünnten Restgas hervorrufen und die Entladung zündet.

Im Gegensatz zu den (klassischen) elektrischen Gasentladungen sind in der modernen Plasmaphysik EM-felderzeugte bzw. strahlerzeugte Gasentladungen ein weiterer Untersuchungsgegenstand. Fortschritte in der Radar- und Senderöhrentechnik führten Ende der 1940er Jahre durch Sanborn C. Brown () zu systematischen Studien von Mikrowellenentladungen. Kontinuierliche optisch gepumpte Entladungen, in denen dichte Gleichgewichtsplasmen durch Strahlung aufrechterhalten werden, konnten erstmals in den 1970er Jahren durch CO2-Laser erzeugt werden. Gasentladungsphysik in Greifswald und Kiel

Die Kieler Gasentladungsphysik ist eng mit den Namen Lennard, Hertz, Müller, Lochte-Holtgreven, Unsöld u.a. verbunden. ………………………………………………………………………………………………………

Hertz in Kiel Seeliger in Greifswald

Der eigentliche Stammvater der Greifswalder Gasentladungs- und Plasmaphysik wurde Rudolf Seeliger (1886- 1965), den Stark Ende 1918 nach Greifswald holte. Johannes Stark selbst verließ die alte Hansestadt bereits wieder nach vierjährigem Aufenthalt. Schon mit dem Thema seiner preisgekrönten Dissertation bei Arnold Sommerfeld in München hatte Seeliger 1909 das Forschungsgebiet gefunden, welches sein gesamtes wissenschaftliches Leben bestimmte: Die Physik des elektrischen Stromes im Gas. Eine erste fundamentale Entdeckung auf diesem Gebiet gelang ihm zusammen mit Ernst Gehrcke 1912 an der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt, nämlich der Nachweis, das die Anregung von Spektrallinien beim Stromfluss durch Gase gewisse charakteristische Mindestenergien der Elektronen erfordert. Die Gehrcke- Seeliger’schen Elektronenstoßexperimente bewiesen erstmalig die Existenz diskreter Energieniveaus in den Atomen und stellten objektiv einen Vorläufer der berühmten Franck-Hertz’schen Stoßversuche dar, für die 1925 ein Nobelpreis vergeben wurde. Auch zu weiteren wichtigen Aufgabenstellungen haben Seeliger, seine Schüler und seine Mitarbeiter bedeutende Beiträge geliefert. Beispiele dafür sind: • Einführung des Begriffes Anregungsfunktion der Spektrallinien bei Elektronenstößen und ihre erstmalige experimentelle Bestimmung (Seeliger, Mierdel, 1919/1920) • Erste systematische Messung der Elektronentemperaturen und der elektrischen Feldstärken in Edelgas- Niederdruckentladungen (Seeliger, Hirchert, Alterthum, Rompe 1928-1932) • Entwicklung der Xenon-Hochdrucklampe (Seeliger, Schulz 1948/1949). Elektronische Anregung von Atomen Entdeckung diskreter Energieniveaus –

Franck – Hertz – Stoßexperiment 1914

4,9 V

James Franck Gustav Hertz

Nobelpreis für Physik 1925

Periodisches Verhalten des Elektronendriftstromes I in Quecksilberdampf (10-2mbar) mit Zunahme der Anodenspannung U.

 *  e HgHg (EA )e ∆Ekin

Mit dem Erreichen der ersten Anregungsenergie von Quecksilber (4,9 eV 253 nm) verliert die Mehrzahl der Elektronen in den unelastischen Stößen kinetische Energie und der Elektronendriftstrom sinkt, entsprechend können Elektronen bei der doppelten Energie (9,8 eV) zweimal stoßen usw. Physics of Gas Discharges

1.3 Characterization of gas discharges

Als Gasentladungen werden Vorgänge bezeichnet, bei denen ein elektrischer Strom durch ein gasförmiges Medium fließt. Dieser Stromfluss ist nur nach Bildung eines Plasmazustandes im Gas möglich. Ein Plasma entsteht dabei durch Stoßionisation. Gasentladungen benötigen daher eine bestimmte elektrische Mindest-Feldstärke, um zu entstehen oder aufrechterhalten zu werden. Niedertemperaturplasmen oder auch Gasentladungen lassen sich auf vielfältige Weise und mit entsprechend unterschiedlichen Eigenschaften erzeugen. Wesentliches Element dabei ist das Einbringen eines elektrischen Feldes, das auf die leichten Elektronen einwirkt und ihnen die notwendige Energie zuführt. Entsprechende E-Felder können stationär (DC-Entladungen), in Form von Wechsel- bzw. Hochfrequenz (AC- und HF-Entladungen) oder als Mikrowelle (MW- Entladungen) eingebracht werden.

Eine Gasentladung entsteht z.B., wenn eine Spannung genügender Größe zwischen zwei Elektroden anliegt - es beginnt ein Strom durch das Gas zu fließen.

Das Plasma entsteht und bleibt erhalten, wenn die durch die Spannung beschleunigten freien Elektronen genügend Energie haben, die Gasatome zu ionisieren (Stoßionisation) und die neu gebildete Menge an Ionen die Rekombinationsrate übersteigt. Die Gasentladung strahlt Licht, Ultraviolett- und Infrarotstrahlung charakteristischer Wellenlängen aus. Plasmabildung und Gasentladungen sind auch elektrodenlos mittels eines Hochfrequenzfeldes möglich. Introduction to Plasma Physics

Plasma generation mechanical compression • gas is heated by shock waves (ballistic compression) electromagnetic compression • gas heating for short duration by high-current pulse discharges to very high temperatures • special form of electromagnetic compression at Pinch effect where a rapidly increasing magnetic field compresses the plasma

plasma generation by electric fields • plasmas are mostly generated by electrical discharges • in principle, a gas becomes ionized by an electric field (ignition) and a self- sustaining mechanism stabilizes the plasma at a certain current • time regime (frequency) of the field, gas pressure and electrode material are of great importance

plasma generation by waves / radiation • for ionization of a gas also waves or particle beams can be used • e.g. microwave radiation, electron beams, laser, radioactive radiation plasma generation methods

heating/ plasma generation particle beam/ compression (energy supply) external source

electron beam plasma plasma jet electric field magnetohydrodynamic glow discharge generator (MHD) - positive column - low-pressure lamps electromagnetic - cathode sputtering field - hollow cathode electromagnetic inductively coupled waves arc discharge plasma (ICP) - high-pressure lamps - plasma torch microvwave plasma - plasma welding magnetron discharge - electron cyclotron corona discharge plasma focus resonance (ECR) dielectric barrier discharge (DBE) surface wave plasma - plasma display panel (PDP) helicon wave plasma capacitively coupled plasma (CCP) plasma characterization classification

Gasentladungsplasmen im Labor haben Eigenschaften, die sie eindeutig von den in der Natur vorkommenden Plasmen abgrenzen:

(1) Sie werden elektrisch erzeugt. (2) Kollisionen von Neutralteilchen mit geladenen Teilchen müssen berücksichtigt werden. (3) Das Plasma ist durch Wände begrenzt, so dass Oberflächenverluste von Bedeutung sind. (4) Das Plasma wird durch die Ionisation von Neutralteilchen aufrecht erhalten. (5) Die Elektronen sind nicht im thermischen Gleichgewicht mit den Ionen. Physics of Gas Discharges

1.4 Gas discharges in technology

Gas discharge plasmas are frequently used for technical applications.

plasma processing

• for plasma processing „cold“ low-temperature plasmas are used • temperature of ions and neutrals are at room temperature

• there exist a large variety of applications in plasma processing:

illumination / lighting surface treatment (plasma spraying, etching, deposition, functionalization) plasma switch gears, plasma welding energy conversion (MHD), gas conversion (plasma chemistry) ion beam sources, plasma thrusters plasma characterization energy and plasma density plasma sources at different gas and charge carrier densities non-ideal plasmas 18 focus Coulomb- 10 torch dominated thermal plasmas plasmas 1016 high

) MHDpressure -3 lamps (cm i , e n 1014 hollow cathode DBE

pseudo ECR sparks arcs helicon electron PDP 1012 arcs beam electron energy ICP microwave surface distribution: „reactive“ CCP wave non-maxwellian Magnetron low-pressure lamps neutral- charge carrier densities 1010 positive column dominated ideal weakly corona ionized, plasmas 108 non-isothermal dc cathode sputtering plasmas

12 14 16 18 -3 10 10 10 10 gas density N0 (cm )

0.01 1 100 10k pressure p0 (Pa) 1.4 Anwendungen von Gasentladungsplasmen

• Lichtbögen, z.B. zum Schweißen und in Hochdruck • Glimmentladungen in Leuchtstoffröhren, Glimmlampen, Plasmabildschirmen •Technische Plasmaanwendungen, zum Beispiel das als Ionenquelle dienende Duoplasmatron oder Plasmatrons zum Schneiden und Schweißen • Pumpentladungen von Gaslasern,z.B.HeNe-Laser, Stickstofflaser, CO2 - Laser, Argon-Ionen-Laser, Excimerlaser • Oberflächenbearbeitung (Ätzen, Beschichten) • Gassynthese und –reformierung • Ionenstrahltriebwerke • etc. etc. etc.

http://www.dpg-physik.de/dpg/organisation/fachlich/p/info/technisch.html Gasentladungen

• Strahlerzeugte Plasmen (z.B. durch Elektronenstrahl, Laserfunken etc.) • Stromerzeugte Plasmen

Glimmentladung

Bogenentladung Koronaentladung Funkenentladung

• Hochtemperaturplasmen • Lichttechnik • Energiewandler, Stoffwandler • Oberflächenbearbeitung Anwendungen : • Teilchenquelle • Plasmatriebwerke plasmas in technology illumination

• glow discharges occur in diluted gases (low pressure discharges) at small current densities • they are used in sodium vapor lamps and fluorescent lamps, the former replaced normal incandescent lamps for street lighting from the 1960s plasmas in technology illumination plasmas in technology plasma display panels

microdischarges of short duration = tiny flashes / lightning

• thin cylindrical weakly ionized plasma columns,  200 m • electron densities: 1014 … 1015 cm-3 • duration: 1 .. 10 ns • non-equilibrium plasmas (Te >> Tgas)  well suited for initiation of plasma-chemical reactions

Dielectric Barrier Discharge (DBD) plasmas in technology surface treatment

1 m

process plasmas ... etch semiconductor structures ... coat micro-disperse particles plasmas in technology surface treatment

energy conversion : field, plasma, surface

plasma power loss (heat) different etch reactive rate species electron power loss density ne selectivity electron collision rate  power loss voltage U homogeneity (heat) free mean

path + plasma application: for example semiconductor etching Fundamental plasmas in technology surface treatment

plasma jets at atmospheric pressure for polymer treatment plasmas in technology cutting arcs

• very high temperatures can be generated with electric arcs, which were described for the first time by H. Davy in 1813 • two years later, they were applied to melt and fuse refractory metals • the temperatures are 4700 K at the electrodes and up to 7000 K in the arc itself plasmas in technology plasma thrusters

Artemis