潘寧放電(Penning tyDischarge)是在1936年由Frans Miehel Penning發明的，是磁場中冷陰極放電中的一種。潘寧放電是電子在電場和磁場共同作用下呈螺旋形運動，大量電子受磁場約束，以滾輪線的形式貼近陽極筒旋轉，形成一層電子云，運動的電子與中性氣體分子發生電離碰撞能夠產生離子 。作為一種能產生高能量粒子束放電方式，在原子分子物理和材料科學等研究中具有很重要的意義。
基本介紹
- 中文名：潘寧效應
- 外文名：Penning effect
- 性質：物理變化
- 提出學者：Frans Miehel Penning
- 發明時間：1936年
- 套用領域：原子分子物理、材料科學等領域
- 套用裝置：潘寧離子源裝置
歷史沿革,工作原理,放電條件,放電分類,套用領域,研究展望,
歷史沿革
1936年，Frans Miehel Penning發明了潘寧放電；
1959年，RGMerand和SCBrown將其改進成為離子源潘寧結構;
1966年，G v smirnitskaya和RP Babertsyan分析了潘寧放電中正離子的動力學特性；
1967年，W Schuurman在理論和實驗上同時研究了低氣壓下（P<10-4Torr）的潘寧放電的特性，並且取得了認可的結論；H.Buamnan用光譜分析法證實了Ne-H2所支持的潘寧放電中Li的負離子的存在；EM Rudnitskiy分析了在潘寧放電中離子電流密度沿陰極的分布；
1973年，SIIVANOV描述了潘寧放電的形成時間；
1983年，P. Rohwer通過診斷萃取的粒子的能量測量了潘寧放電中心的電勢分布；
1984年，M.B.Lwesi研究了改造後的潘寧放電離子源極大程度的提高了金屬離子產量，延長了存在時間；
1994年，C.Heise對潘寧放電的輻射特性進行了研究；
1997年，K.Tkaiyama用雷射誘導螢光發光法直接測量了DP中otkamka電漿鞘中的電場分布;
1998年，S.P. Nikulni分析了潘寧放電中的正的載體結構的存在條件;
2002年，歐陽禮仁研究了潘寧離子源的磁路。
現今廣泛套用於離子源。
工作原理
當在潘寧室內加上正交電磁場時，潘寧室中的自由電子作為初始電子，在電場和磁場的共同作用下飛向陽極表面的過程中打出二次電子，這些電子飛向陽極時，再與氣體分子碰撞有發生使之電離，如此不斷的發展引起氣體電離和氣體放電。加磁場的目的是增加氣體電離機會,當不加磁場時,雖有電場存在但由於氣壓很低，電子的平均自由程大於放電間距，因此電子與氣體分子碰撞的幾率很小不足以引起放電。而當有磁場存在時，電子在磁場中做Lamor運動，所以電子在到達陽極前的運動路程將大大增加，有更多的機會與殘餘氣體分子碰撞幾率增大，以提高電離效率。使得潘寧離子源的裝置在很低的氣壓下能夠發生放電。這就是潘寧放電的本質所在。
潘寧放電裝置圖
潘寧放電裝置圖放電條件
潘寧放電電漿源可以在氣壓10-7Torr(1.33x10-5Pa)至100Torr(1.33Pa)間工作。磁感應強度在0.01T至3T之間,當磁感應強度小於0.01T時由於電子旋轉半徑過大,不能起到對電子的約束作用,因此不能產生電漿。當磁感應強度大於3T時電子旋轉半徑太小,電子做拉莫運動時所走的路徑將大大縮短，因此不足以提供足夠的碰撞幾率以產生電漿。陽極電壓100V至50kV,電流從10A至20A。改變陽極電壓，以及通入氣體的流量會對放電現象產生明顯的影響。
放電分類
根據磁感強度B和氣體密度n的大小可以將潘寧放電分成幾類：
（1）在氣壓很低、磁場很弱時不發生自持放電。
（2）低氣壓放電模式（較低的真空度下，通常來說P<10-4Torr）：由於磁場同伸展子橫越磁場的速率遠比離子慢，於是在放電空間內形成過剩的電子云，電子云使徑向電位下垂，並在陽極附近形成鞘層；陽極電流隨氣壓線性增加，這是潘寧電離計（PIG）的基礎；此時並未在整個空間形成電漿。在這個時候電子的約束時間遠大於離子的輸運時間，所以這個時候參與放電完全是電子電漿。
在這個低真空條件下根據磁感應強度的大小，又劃分為低氣壓低磁場(LMF)模式和低氣壓高磁場(HMF)模式。
①在LMF模式下,放電室內電子濃度較低,陽極中軸線處的電勢接近陽極電勢,這個時候陽極放電電流與陽極尺寸和此時真空度有關,而不受陽極電壓影響。
②在HMF模式下,在陽極鞘層附近形成由電子組成的陰極鞘層。這個時候,電中性的電漿占據在陽極中軸線處,電勢接近陰極電勢,其中的電子濃度小於陰極鞘層中的電子濃度。
（3）高氣壓放電模式，（氣壓大於1.3×10-2Pa,）放電模式由低氣壓放電突然過渡到高氣壓放電。
套用領域
潘寧放電能產生高能量粒子束，現今廣泛套用於潘寧離子源，涉及到多種學科的知識， 如高電壓與絕緣技術、固體物理學、表面物理、真空物理學、分子動力學、電工材料學、電漿物理學、電磁學、原子物理和核物理學及氣體放電等等。具體套用舉例如下：
（1）把潘寧發電離子源作為一种放電方式沉積出了Sic薄膜；
（2）潘寧放電在密封電真空器件真空度測量中的套用；
（3）把潘寧放電的冷陰極上濺射產生的金屬離子用於重離子直線加速器和全能加速器，並且分析和測量了大量的從陰極上濺射下來的帶電的金屬離子；
（4）製造潘寧濺射儀器在很低的氣壓下得到了成分中含有靶的薄膜；
（5）使用潘寧放電濺射的方法在人造鑽石薄膜上進行了輕微的刻蝕和鑲嵌；
（6）潘寧放電濺射沉積納米級氮化物薄膜；
（7）醫用回旋加速器；
（8）大口徑脈衝潘寧放電裝置。
研究展望
潘寧放電的發明和潘寧離子源的產生套用至今， 經歷了幾十年的研究工作， 在國外的技術相對比較成熟。國內對潘寧離子源的研究工作起步較晚，與國外相比較， 還需要做大量的工作， 主要有以下幾個方面：[1]
（1） 潘寧離子源的放電機理、模型的研究還僅僅是定性的描述， 特別是數值模擬方面才剛剛開始起步；
（2） 潘寧離子源的電漿參數的診斷還不全面和準確， 特別是不同放電條件下的電漿密度和電子溫度等參數；
（3） 潘寧離子源引出特性的研究還不深入和全面；
（4） 潘寧離子源引出離子束的離子成份的診斷研究還有待進一步開展；
（5） 潘寧離子源的套用研究還不夠深入和廣泛。
在前人研究工作的基礎上， 不斷豐富我們的實驗方法和檢測手段， 以實現對潘寧離子源放電原理和電漿診斷方面更深入的研究，開拓潘寧離子源的套用前景。
