潘宁效应

物理变化

潘宁放电(Penning tyDischarge)是在1936年由Frans Miehel Penning发明的，是磁场中冷阴极放电中的一种。潘宁放电是电子在电场和磁场共同作用下呈螺旋形运动，大量电子受磁场约束，以滚轮线的形式贴近阳极筒旋转，形成一层电子云，运动的电子与中性气体分子发生电离碰撞能够产生离子。作为一种能产生高能量粒子束放电方式，在原子分子物理和材料科学等研究中具有很重要的意义。

历史沿革

1936年，Frans Miehel Penning发明了潘宁放电；

1959年，RGMerand和SCBrown将其改进成为离子源潘宁结构;

1966年，G v smirnitskaya和RP Babertsyan分析了潘宁放电中正离子的动力学特性；

1967年，W Schuurman在理论和实验上同时研究了低气压下（P<10-4Torr）的潘宁放电的特性，并且取得了认可的结论；H.Buamnan用光谱分析法证实了Ne-H2所支持的潘宁放电中Li的负离子的存在；EM Rudnitskiy分析了在潘宁放电中离子电流密度沿阴极的分布；

1973年，SIIVANOV描述了潘宁放电的形成时间；

1983年，P. Rohwer通过诊断萃取的粒子的能量测量了潘宁放电中心的电势分布；

1984年，M.B.Lwesi研究了改造后的潘宁放电离子源极大程度的提高了金属离子产量，延长了存在时间；

1994年，C.Heise对潘宁放电的辐射特性进行了研究；

1997年，K.Tkaiyama用激光诱导荧光发光法直接测量了DP中otkamka等离子体鞘中的电场分布;

1998年，S.P. Nikulni分析了潘宁放电中的正的载体结构的存在条件;

2002年，欧阳礼仁研究了潘宁离子源的磁路。

现今广泛应用于离子源。

工作原理

当在潘宁室内加上正交电磁场时，潘宁室中的自由电子作为初始电子，在电场和磁场的共同作用下飞向阳极表面的过程中打出二次电子，这些电子飞向阳极时，再与气体分子碰撞有发生使之电离，如此不断的发展引起气体电离和气体放电。加磁场的目的是增加气体电离机会,当不加磁场时,虽有电场存在但由于气压很低，电子的平均自由程大于放电间距，因此电子与气体分子碰撞的几率很小不足以引起放电。而当有磁场存在时，电子在磁场中做Lamor运动，所以电子在到达阳极前的运动路程将大大增加，有更多的机会与残余气体分子碰撞几率增大，以提高电离效率。使得潘宁离子源的装置在很低的气压下能够发生放电。这就是潘宁放电的本质所在。

放电条件

潘宁放电等离子体源可以在气压10-7Torr(1.33x10-5Pa)至100Torr(1.33Pa)间工作。磁感应强度在0.01T至3T之间,当磁感应强度小于0.01T时由于电子旋转半径过大,不能起到对电子的约束作用,因此不能产生等离子体。当磁感应强度大于3T时电子旋转半径太小,电子做拉莫运动时所走的路径将大大缩短，因此不足以提供足够的碰撞几率以产生等离子体。阳极电压100V至50kV,电流从10A至20A。改变阳极电压，以及通入气体的流量会对放电现象产生明显的影响。

放电分类

根据磁感强度B和气体密度n的大小可以将潘宁放电分成几类：

（1）在气压很低、磁场很弱时不发生自持放电。

（2）低气压放电模式（较低的真空度下，通常来说P<10-4Torr）：由于磁场同伸展子横越磁场的速率远比离子慢，于是在放电空间内形成过剩的电子云，电子云使径向电位下垂，并在阳极附近形成鞘层；阳极电流随气压线性增加，这是潘宁电离计（PIG）的基础；此时并未在整个空间形成等离子体。在这个时候电子的约束时间远大于离子的输运时间，所以这个时候参与放电完全是电子等离子体。

在这个低真空条件下根据磁感应强度的大小，又划分为低气压低磁场(LMF)模式和低气压高磁场(HMF)模式。

①在LMF模式下,放电室内电子浓度较低,阳极中轴线处的电势接近阳极电势,这个时候阳极放电电流与阳极尺寸和此时真空度有关,而不受阳极电压影响。

②在HMF模式下,在阳极鞘层附近形成由电子组成的阴极鞘层。这个时候,电中性的等离子体占据在阳极中轴线处,电势接近阴极电势,其中的电子浓度小于阴极鞘层中的电子浓度。

（3）高气压放电模式，（气压大于1.3×10-2Pa,）放电模式由低气压放电突然过渡到高气压放电。

应用领域

潘宁放电能产生高能量粒子束，现今广泛应用于潘宁离子源，涉及到多种学科的知识，如高电压与绝缘技术、固体物理学、表面物理、真空物理学、分子动力学、电工材料学、等离子体物理学、电磁学、原子物理和核物理学及气体放电等等。具体应用举例如下：

（1）把潘宁发电离子源作为一种放电方式沉积出了Sic薄膜；

（2）潘宁放电在密封电真空器件真空度测量中的应用；

（3）把潘宁放电的冷阴极上溅射产生的金属离子用于重离子直线加速器和全能加速器，并且分析和测量了大量的从阴极上溅射下来的带电的金属离子；

（4）制造潘宁溅射仪器在很低的气压下得到了成分中含有靶的薄膜；

（5）使用潘宁放电溅射的方法在人造钻石薄膜上进行了轻微的刻蚀和镶嵌；

（6）潘宁放电溅射沉积纳米级氮化物薄膜；