一、等离子体基本原理

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1、等离子体应用技术,参考教材： 1. 等离子体技术与应用 许根慧等 化学工业出版社 2.等离子体技术及应用 赵青 刘述章 童宏辉 国防工业出版社,目录,等离子体基本原理 等离子体的化学行为 等离子体发生技术 介质阻挡放电等离子体技术与应用 电晕和辉光放电等离子体技术与应用 微波放电等离子体技术与应用 等离子体在薄膜制备中的应用 等离子体在高分子化学中的应用 等离子体显示技术 等离子体在隐身技术中的应用 等离子体应用技术进展,霓虹灯,太阳等离子体喷流,电晕放电实例,部分气体辉光放电的颜色,介质阻挡放电（DBD）,滑动电弧放电等离子体,激光,第一章 等离子体基本原理,1.1 等离子体概念：由大量的带

2、电的正粒子、负粒子（其中包括正离子、负离子、电子、自由基和各种活性基团等）组成的集合体，其中正电荷和负电荷电量相等，故称等离子体。 注意： 非束缚性：异类带电粒子之间相互“自由”，等离子体的基本粒子元是正负荷电的粒子（电子、离子），而不是其结合体。 粒子与电磁场的不可分割性：等离子体中粒子的运动与电磁场（外场及粒子产生的自洽场）紧密耦合，不可分割。 集体效应起主导作用：等离子体中相互作用的电磁力是长程的。,1.1.1 等离子体存在处： 宇宙中90物质处于等离子体态。由地球表面向外，等离子体是几乎所有可见物质的存在形式，它与众所周知的物质三态也就是气态、液态、固态并列称为物质的第四态,即等离子体

3、态。如大气外侧的电离层、日地空间的太阳风、太阳日冕、太阳内部、星际空间、闪电、极光、星云及星团，毫无例外的都是等离子体。,什么保护了地球：等离子体,空间天体等离子体,北极光,空间天体等离子体,逃离太阳的等离子体,空间天体等离子体,星系：巨大的聚变反应堆,空间天体等离子体,等离子体参数空间,地球上，人造的等离子体也越来越多地出现在我们的周围。 日常生活中：日光灯、电弧、等离子体显示屏、臭氧发生器 典型的工业应用：等离子体刻蚀、镀膜、表面改性、喷涂、烧结、冶炼、加热、有害物处理 高技术应用：托卡马克、惯性约束聚变、氢弹、高功率微波器件、离子源、强流束、飞行器鞘套与尾迹,核聚变反应,聚变等离子体,D

4、 + T = n + 4He D + T = p + 3He,实现聚变的三种途径,聚变等离子体,托卡马克装置( JET ),聚变等离子体,美国激光聚变装置,美国国家点火（NIF）激光聚变装置,激光聚变电站,神光II、星光II激光聚变装置,1.1.2 等离子体是物质第四态,00C,1000C,100000C,放电是使气体转变成等离子体的一种常见形式,普通气体,等离子体,需要有足够的电离度的电离气体才具有等离子体性质。 “电性”比“中性”更重要 ( 电离度 10-4 ),1.2 等离子体特征 1.2.1 等离子体的整体特征 等离子体是一种导电流体。 对于洛仑兹等离子体，把等离子体看作微观粒子的集合

5、，可以把等离子体的整体导电率写为,对于电子只与每个电荷数均为z的带电粒子碰撞的情况，等离子体整体电导率s为 为库仑对数，,在等离子体内部，正、负电荷数几乎相等准中性 ne ni,1.2.2 等离子体的准电中性,就等离子体本身而言，它具有变成为电中性的强烈倾向，故离子和电子的电荷密度几乎相等，此种情况称为准中性，是带相反电荷粒子间的强电作用的结果。 等离子体中电荷分离仅可能由外加电场或等离子体本身的内能（热能）来维持，可由等离子体动力学温度维持的对电中性的最大偏离估算出来。 一个密度几乎相等，每立方米n0个粒子的电子和单电荷正离子构成的含能等离子体，在半径为r的球形区域内，此体积内的静电能由其所

6、包围的剩余电荷量决定，此球表面的静电位为：,Q=en，为球内静电荷，其中e为电子电荷，此时球表面的静电位为 被推进净负电荷小球区域的一个电子所得到的能量可由上式的静电位乘以电荷得到： 此能量仅来自与有限的动力学温度T有关的动能 可得到与电中性的相对偏离：,在等离子体中引入电场，经过一定的时间，等离子体中的电子、离子将移动，屏蔽电场德拜屏蔽,屏蔽层厚度：德拜长度 D,特征响应时间：p D/vT,1.2.3 等离子体鞘层,德拜屏蔽鞘层,静电势满足 Poisson 方程：,设想在等离子体中插入一电极，试图在等离子体中建立电场 电子将向电极处移动，离子则被排斥，电极所引入的电场仅局限在较小尺度的 “鞘

7、层” 中,热平衡时电子、离子密度满足 Boltzmann 分布：,当 ，有,等离子体的特征长度：德拜长度,一维模型（电极为无限大平板），解为：,德拜长度：,通常由于离子响应慢，离子的动态屏蔽作用可略， 德拜长度是等离子体保持准电中性的最小尺度 德拜长度也是集体效应起主要作用的最小尺度,库仑屏蔽势，点电荷在等离子体中产生的电势分布为：,1.2.4 等离子体扩散过程,对于麦克斯韦气体和非磁化等离子体，Einstein给出了此类 等离子体的扩散系数,另外，David Bohm 提出了一个从经验推论的扩散系数， 用于描述某些电弧中等离子体的径向扩散，表示为,1.2.5 等离子体辐射,激发辐射 hv =

8、En-Em=E 复合辐射 hv =e+(Ei-Em) e复合前自由电子的动能 Ei电离能 Em复合后该电子所处的能级,轫致辐射 回旋辐射,1.3 等离子体特征量及等离子体判据 1.3.1 粒子密度和电离度,ne表示电子密度 ni表示离子密度 ng表示中性粒子密度 当ne= ni时，用n表示二者中任意一个带电粒子的密度， 简称为等离子体密度。 电离度定义为,1.3.2 电子温度和离子温度,在热力学平衡状态下，粒子能量服从麦克斯韦分布，单个 粒子平均平动能KE与热平衡温度的关系为： KE=mv2/2=3KT/2 式中：k为玻尔兹曼常数， T为温度 在讨论等离子体时，往往直接以“电子伏特”作为温度单

9、位，以下 记为Tev， Tev=kT=1ev=1.610-12尔格 根据等离子体的粒子温度，可以把等离子体分为两大类，即 热平衡等离子体和非平衡等离子体。,1.3.3 沙哈方程,中性气体到完全电离等离子体状态的转变可由沙哈方程来 描述： 式中：h-普朗克常量； T-三种粒子的共同热动力学温度； gi-原子的电离电位； g0-离子基态的统计权重； gi/g0-中性原子基态的统计权重，碱性金属等离子体的比值 约为0.5，其他气体约为1的量级。,1.3.4 等离子体的时空特征限量,等离子体的电中性有其特定的空间和时间尺度。 空间尺度下限德拜长度 时间尺度下限 电子走完一个振幅（等于德拜长度）所需的时

10、间p,1.3.5 等离子体判据,空间尺度要求 ：等离子体线度远大于德拜长度 时间尺度要求：等离子体碰撞时间、存在时间远大于特征响应时间 等离子体参数：在德拜球中粒子数足够多，具有统计意义,1.4 等离子体分类,电子温度,冷等离子体 TeTi，Tg,热等离子体 Te=Ti，Tg,10000oC,1eV,聚变、太阳核心,电弧、碘钨灯,极光、日光灯 电晕放电等离子体 DBD等离子体,1.5 等离子体的应用,等离子体的应用,等离子体化学,等离子体工程：研究等离子体的发生以及等 离子体发生装置的学科,等离子体物理,等离子体环境方面的应用,等离子体生物方面的应用,磁流体动力学,电流体动力学,微电子中的等离

11、子体过程,等离子体强化化学气相沉积,无机物等离子体沉积及硬覆盖,等离子体化学合成,等离子体溅射及材料加工,等离子体源,等离子体辅助燃烧,等离子体物理发展简史,19世纪30年代起 放电管中电离气体，现象认识 建立等离子体物理基本理论框架 20世纪50年代起 受控热核聚变 空间技术 等离子体物理成为独立的分支学科 20世纪80年代起 气体放电和电弧技术发展应用 低温等离子体物理发展,等离子体化学发展简史,等离子体化学源自18世纪 1758年火花放电产生臭氧 1785年利用气体放电制备了氧化氮 20世纪60年代，利用等离子体技术实现了许多前所未有的化学反应，形成了低温等离子体化学，在半导体材料、表面

12、刻蚀、薄膜制备方面取得瞩目的成绩。,如何获得拥有不同电子密度及电子温度的、大范 围均一的等离子体区域，是目前等离子体工程所面临 的主要问题。,1.5.1 等离子体物理研究领域,低温应用等离子体 高温聚变等离子体 空间和天体等离子体,冷等离子体应用,等离子体的化学过程 刻蚀 化学气相沉积（成膜） 等离子体材料处理 表面改性 表面冶金 光源 冷光源（节能）,毫米级厚金刚石片制备研究,纯金刚石片 （直径30mm）,半透纯金刚石 热沉片10x10 mm2,带Si衬底的金刚石厚膜,纳米尺度上 针尖状表面,特征类金刚石表面制造,纳米尺度上 波纹状表面,树枝状表面,等离子体军事及高技术应用,军事应用 等离子

13、体天线、等离子体隐身、等离子体减阻、等离子体鞘套、等离子体诱饵 高技术 大功率微波器件、X射线激光、强流束技术、等离子体推进,返回,热等离子体应用,高温加热 冶金、焊接、切割 材料合成、加工 陶瓷烧结、喷涂、三废处理 光源 强光源,返回,无线电波在电离层的反射,截止层： f = fc = 9 ne1/2,返回,总 结,等离子体科学涵盖了受控热核聚变、低温等离子体物理及应用、国防和高技术应用、天体和空间等离子体物理等分支领域。 等离子体科学在能源、材料、信息、环保、国防、微电子、半导体、航空、航天、冶金、生物医学、造纸、化工、纺织、通讯等领域有广泛的应用。 等离子体研究领域对人类面临的能源、材料

14、、信息、环保等许多全局性问题的解决具有重大意义。,等离子体辅助加工被用来制造特种优良性能的新材料、研制新的化学物质和化学过程，加工、改造和精制材料及其表面，具有极其广泛的工业应用-从薄膜沉积、等离子体聚合、微电路制造到焊接、工具硬化、超微粉的合成、等离子体喷涂、等离子体冶金、等离子体化工、微波源。等离子体辅助加工已开辟的和潜在的应用领域包括： 半导体集成电路及其它微电子设备的制造 工具、模具及工程金属的硬化 药品的生物相溶性包装材料的制备 表面防蚀及其它薄层的沉积 特殊陶瓷（包括超导材料） 新的化学物质及材料的制造 金属的提炼 聚合物薄膜的印刷和制备 有害废物的处理 焊接 磁记录材料和光学波导材料 精细加工 照明及显示 电子电路及等离子体二极管开关 等离子体化工(氢等离子体裂解煤制乙炔、等离子体煤气化、等离子体裂解重烃、等离子体制炭黑、等离子体制电石等),对上述某些部分领域的目前潜在市场估计： 半导体工业约为260亿美元 等离子体电子学约为400亿美元 工具及模具硬化约为20亿美元 作记录和医用聚合物薄膜领域约为几十亿美元的市场 对一些新的有活力的市场估计： 金属腐蚀防护约为500亿美元 优质陶瓷约为50亿美元 在废物处理、金属提练、包