ABSTRACT
Magnetic Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.1.6.1 Cyclotron Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.1.6.2 Drift Velocity Perpendicular to the Magnetic Field
due to Additional External Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.1.6.3 Influence of Collisions on Charged Particle Transport
in Magnetized Plasmas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.2 Thermal and Nonthermal Plasmas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2.1 Plasma in Thermodynamic Equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.2.1.1 Complete Thermodynamic Equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.2.1.2 Local Thermodynamic Equilibrium. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2.2 Nonequilibrium Plasmas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.3 Elementary Collision Processes and Cross Sections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.3.1 Introduction and Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.3.1.1 Dynamics of Elastic and Inelastic Collisions . . . . . . . . . . . . . . 39
3.3.2 Collision Processes in Nonthermal Plasmas and Their Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.3.3 Collision Cross Section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.3.3.1 Gas Kinetic Cross Section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.3.3.2 Polarization Cross Section. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.3.3.3 Coulomb Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.3.3.4 Electron Attachment Cross Section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.3.3.5 Electron Impact Excitation and Ionization
Cross Section. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.3.3.6 Cross Section of the Neutral-Neutral Reaction at
Thermal Velocity with Threshold Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.4 Plasma Kinetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 3.4.1 The Boltzmann Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 3.4.2 Electron Energy Distribution Function in Nonthermal Plasmas . . . . . 62
3.5 Averaged Quantities, Transport Equations, and Rate Coefficients . . . . . . . . . . . 64 3.5.1 Weighted Average of Physical Quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 3.5.2 Macroscopic Transport Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.5.3 Analytical Calculation of Rate Coefficients
and Collision Frequencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.5.3.1 Gas Kinetic Neutral-Neutral Collision Frequency and
Mean Free Path Length . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.5.3.2 Rate Coefficient for Ion-Molecule Reactions with the
Langevin Capture Cross Section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.5.3.3 Rate Coefficient for Neutral-Neutral Reactions with
Threshold Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.5.4 Rate Coefficient for Electron Impact Ionization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.5.5 Rate Coefficient of Three-Particle Collisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.5.6 Reaction Rate Coefficient of Chemical Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.5.7 Order of Chemical Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.6 Boundary Plasma-Surface, Plasma Sheaths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3.6.1 Stationary Plasma Sheath and Bohm Sheath Criterion . . . . . . . . . . . . . . 77
3.6.1.1 Generalized Bohm Sheath Criterion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 3.6.1.2 Plasma Sheath in Electronegative Gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 3.6.1.3 Multi-Species Plasmas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 3.6.1.4 Plasma Sheath in Front of the Floating Surface . . . . . . . . . . . 82
3.6.2 High-Voltage Plasma Sheaths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 3.6.2.1 Matrix Sheath . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 3.6.2.2 Child-Langmuir Sheath . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 3.6.2.3 Plasma Sheath with Ion Collisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 3.6.2.4 Ion Energy Distribution at the Surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.6.3 Nonstationary Plasma Sheaths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 3.6.3.1 Collisionless Sheath in Capacitively Coupled RF
Plasma (e · |ϕsh| kB · Te) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 3.6.3.2 Strongly Asymmetric Capacitively Coupled
RF Plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 3.7 Nonthermal Plasmas of Electric Gas Discharges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.7.1 Introduction and Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 3.7.2 Electric Breakdown in Gases and Townsend Discharge . . . . . . . . . . . . . 93
3.7.2.1 Townsend Discharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 3.7.3 Glow Discharges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.7.3.1 Transition from the Townsend Discharge to the Glow Discharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.7.3.2 Glow Discharges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 3.7.3.3 Cathode Sheath and Negative Glow in Strongly
Anomalous Glow Discharges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 3.7.3.4 Stable Positive Column . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
3.7.4 Arc Discharges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.7.5 High Voltage Breakdown at Atmospheric Pressure, Corona and Barrier Discharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 3.7.5.1 Barrier Discharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.7.6 Glow Discharges at Alternating Electric Field, RF and Microwave Plasmas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 3.7.6.1 Heating of Electrons in the Bulk Plasma by the
High-Frequency Electric Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 3.7.6.2 Radio Frequency Plasmas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
3.8 Technical Plasma Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 3.8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 3.8.2 Plasma Generation by Electric Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 3.8.3 Low-Pressure Plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 3.8.4 Direct Current Discharges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 3.8.5 Radio Frequency Discharges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 3.8.6 Capacitively Coupled Discharges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 3.8.7 Inductively Coupled Discharges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 3.8.8 Microwave Discharges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 3.8.9 Atmospheric Pressure Discharges. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 3.8.10 Dielectric Barrier Discharge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 3.8.11 Microdischarge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 3.8.12 Cold Plasma Jets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 3.8.13 Beam-Generated Plasmas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 3.8.14 Properties of Plasma Sources for Plasma Chemistry . . . . . . . . . . . . . . 133 3.8.15 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
The name plasma defines a quasi-neutral many-particle system (total charge zero) consisting of sufficient high concentration of free positive (q+) and negative (q−) charged species, e.g., positive ions, negative ions, and electrons. The system may contain additionally neutral atoms, molecules, radicals, and excited species. The classical plasma is characterized by higher mean kinetic energy of electrons or other plasma species (1-105 eV) compared to usualmatter, and exceptional electromagnetic phenomena like the shielding of the far-ranging Coulomb interaction and collective oscillations of the electron or ion ensemble. Due to the presence of free charged particles the plasma is electrically conductive. Furthermore, plasmas reveal nonlinear behavior and have specific dielectric properties, and in interaction of charged plasma particles with an external magnetic field the plasma shows an anisotropic behavior concerning the charged particle transport and electromagnetic wave propagation.
