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1、等离子体基础概念及其应用王淑峰绪论部分P2等离子体技术及应用，山东科大主要内容等离子体基本概念 等离子体概念等离子体概念 等离子体产生方式及分类等离子体产生方式及分类 等离子体主要应用领域 低温等离子体应用低温等离子体应用 冷等离子体应用冷等离子体应用 热等离子体应用军事与高技术应用热等离子体应用军事与高技术应用 聚变等离子体聚变等离子体 磁约束聚变惯性约束聚变磁约束聚变惯性约束聚变 空间与天体等离子体空间与天体等离子体P3等离子体技术及应用，山东科大主要内容等离子体基本概念等离子体概念等离子体概念等离子体产生方式及分类等离子体产生方式及分类等离子体主要应用领域低温等离子体应用低温等离子体应用
2、 冷等离子体应用冷等离子体应用 热等离子体应用军事与高技术应热等离子体应用军事与高技术应用用P4等离子体技术及应用，山东科大什么是等离子体？n由大量的带电粒子组成的非束缚态的宏观体系非束缚性：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）的运动紧密耦合，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。P5等离子体技术及应用，山东科大等离子体是物质第四态固体 冰液体 水气体 水汽等离子体 电离气体温度00C1000C100000CP6等离子体技术及
3、应用，山东科大电离气体是一种常见的等离子体放电是使气体转变成等离子体的一种常见形式等离子体 电离气体普通气体普通气体等离子体等离子体放电放电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 )P7等离子体技术及应用，山东科大n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、表面冶金、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n人类的生存伴随着水，水存在的环境是地球文明
4、得以进化、发展的的热力学环境，这种环境远离等离子体物态普遍存在的状态。因而，天然等离子体就只能存在于远离人群的地方，以闪电、极光的形式为人们所敬畏、所赞叹。n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，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、星云及星团，毫无例外的都是等离子体。宇宙中90物质处于等离子体态P8等离子体技术及应用，山东科大密度(cm-3)温度(度)太阳核心 磁约束聚 变霓虹灯 北极光 火 焰闪电日冕 氢弹星际空间荧光气体液 体固 体人类居住环境惯性聚变星 云太阳风等离子体参数空间P9等离子体技术及应用，山东科大在等离子体气体中，以电子碰撞双原子
5、分子在等离子体气体中，以电子碰撞双原子分子XYXY为例，若碰撞能量小，为例，若碰撞能量小，则会发生弹性碰撞，电子的动能不会改变。若碰撞能量很高，分子中绕核则会发生弹性碰撞，电子的动能不会改变。若碰撞能量很高，分子中绕核运动的低能电子，就会在碰撞中获得足够的能量，被激发至离核较远的高运动的低能电子，就会在碰撞中获得足够的能量，被激发至离核较远的高能级轨道上运动。我们把这种高能级状态的分子称为激发态分子，用能级轨道上运动。我们把这种高能级状态的分子称为激发态分子，用XY*XY*表示。激发态分子中的电子从高能级跳回到低能级时，便以发光的形式发表示。激发态分子中的电子从高能级跳回到低能级时，便以发光的
6、形式发出多余能量出多余能量( (辉光放电辉光放电) )，这个过程称为，这个过程称为“退激退激”。等离子体的产生等离子体的产生P10等离子体技术及应用，山东科大n若碰撞电子能量足够高，电子吸收的能量就可以使其脱离核的束缚而若碰撞电子能量足够高，电子吸收的能量就可以使其脱离核的束缚而成为自由电子，也就是分子发生了成为自由电子，也就是分子发生了“电离电离”，用，用XYXY+ +表示表示 。n电子对分子电子对分子XYXY的碰撞也可以使之分解成为的碰撞也可以使之分解成为X X原子和原子和Y Y原子（离解原子（离解/ /裂解）裂解）。用。用“：”表示分子中成键的电子对，离解过程可以表示为表示分子中成键的电
7、子对，离解过程可以表示为X:YX:YX + X + Y Y。这样带有未成对电子的。这样带有未成对电子的X X，Y Y就容易发生化学反应，故称为化学活就容易发生化学反应，故称为化学活性或基团。性或基团。P11等离子体技术及应用，山东科大等离子体特性等离子体特性等离子体的基本反应过程等离子体特性应用 激发： XY + e XY*+e 退激退激:XY*XYhv（光子）（光子）离解： XY + e X + Y + e电离：电离： XY + e XY+ + 2e X+ + Y + 2e电子和离子在电场中受加速粒子间的碰撞产生热效应、粒粒子间的碰撞产生热效应、粒子和固体表面的碰撞子和固体表面的碰撞发光特性
8、发光特性 化学活性 导电性导电性 高速粒子 产生高温产生高温 P12等离子体技术及应用，山东科大在等离子体中引入电场，经过一定的时间在等离子体中引入电场，经过一定的时间.德拜( Debye )屏蔽P13等离子体技术及应用，山东科大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，屏蔽电场德拜屏蔽德拜( Debye )屏蔽屏蔽层厚度：德拜长度 lD特征响应时间：tp lD/vT1/wpP14等离子体技术及应用，山东科大在等离子体内部，正、负电荷数几乎相等准中性 ne ni 准中性P15等离子体技术及应用，山东科大对弱电离情况：带电粒子与中性粒子相互碰撞频率远小于带电粒子之间的相
9、互库仑碰撞作用频率和振荡频率等离子体判据等离子体存在时间尺度：必须大于响应时间，即等离子体存在空间尺度：必须大于德拜长度，即等离子体参数：必须远大于1，即德拜球内存在足够多的粒子。 =nD31； 是等离子体粒子间平均动能和平均相互作用势能之比的一个度量。?等离子体是弱耦合的近 “理想”电离气体德拜球中的粒子数必须具有统计意义= =P16等离子体技术及应用，山东科大 V 击穿电压 汤生放电 电晕放电 辉光放电 弧光放电 电流II直流放电：汤生放电电晕放电辉光放电弧光放电气体放电的典型伏安特性曲线气体放电的典型伏安特性曲线P17等离子体技术及应用，山东科大等离子体的产生方式人工等离子体（Plasm
10、a）的主要产生方式： 燃烧P、电弧P、高频P、激光P、聚变P等工业中常用的气体放电法分为： 直流放电：高压击穿，高空载电压下直流放电 低频放电：1100kHz 高（射频）放电：10100MHz，常用13.56MHz 微波放电：1GHz，常用2.45GHzP18等离子体技术及应用，山东科大等离子体的分类n按产生原因：按产生原因：自然等离子体和实验室等离子体自然等离子体和实验室等离子体n按气体电离程度：按气体电离程度：完全电离、部分电离、弱电离完全电离、部分电离、弱电离n按等离子体的温度：按等离子体的温度：高温等离子体（高温等离子体（10106-86-8K) K) 低温等离子体低温等离子体( (室
11、温室温-3-310105 5K)K)（冷等离子体和热等离子体）（冷等离子体和热等离子体）n按粒子密度：按粒子密度：致密等离子体（密度致密等离子体（密度n10n101515-10-101818cmcm-3-3),),此时粒子碰撞其主要作用；此时粒子碰撞其主要作用；稀薄等离子体（密度稀薄等离子体（密度n10n1012-1412-14cmcm-3-3 ) )，此时粒子碰撞几乎不起作用，此时粒子碰撞几乎不起作用，如辉光放电。如辉光放电。n人工等离子体按产生等离子体的方式划分：人工等离子体按产生等离子体的方式划分：燃烧等离子体、电弧等离子体、高频等离子体、激波等离子体、激燃烧等离子体、电弧等离子体、高频
12、等离子体、激波等离子体、激光等离子体、聚变等离子体等光等离子体、聚变等离子体等P19等离子体技术及应用，山东科大主要内容等离子体基本概念等离子体概念等离子体概念等离子体产生方式及分类等离子体产生方式及分类 等离子体主要应用领域 低温等离子体应用低温等离子体应用 冷等离子体应用冷等离子体应用 热等离子体应用军事与高技术应用热等离子体应用军事与高技术应用P20等离子体技术及应用，山东科大冷等离子体应用n等离子体的化学过程刻蚀化学气相沉积（成膜）n等离子体材料处理表面改性灭菌消毒等离子清洗n光源冷光源（节能，线光谱）气体激光器等离子体显示器低温等离子体应用 电子能量（电子能量（eV） 远大于远大于分
13、子键能分子键能 （0.1eV）?非热平衡等离子体，背景温度低，电子温度高，存在大量的活性粒子P21等离子体技术及应用，山东科大纳米尺度上针尖状表面特征表面制造 可以制备纳米尺度的针状表面、波纹表面，树枝状表面、正弦表面等表面结构，其中波纹表面，是应用薄膜生长过程的自组织过程中直接形成的。纳米尺度上波纹状表面树枝状表面大面积正弦表面低温等离子体应用P22等离子体技术及应用，山东科大毫米级厚金刚石片制备研究 应用PCVD方法可以稳定地制备高质量毫米量级厚度的金刚石片，并用金刚石膜加工成金刚石电子热沉片，热导率高达7.6W/(kcm)，可用于大功率电子器件。纯金刚石片（直径30mm）半透纯金刚石热沉
14、片10x10 mm2 带Si衬底的金刚石厚膜金刚石质量表征低温等离子体应用P23等离子体技术及应用，山东科大机械级CVD金刚石膜热学级CVD金刚石膜光学级CVD金刚石膜P24等离子体技术及应用，山东科大等离子显示屏结构PDPPDP（Plasma Display PanelPlasma Display Panel，等离子显示器），等离子显示器），等离子显示器），等离子显示器） P25等离子体技术及应用，山东科大P26等离子体技术及应用，山东科大热等离子体应用n高温加热冶金、焊接、切割n材料合成、加工陶瓷烧结、喷涂、三废处理等离子束表面冶金n光源强光源（近黑体连续辐射）低温等离子体应用?热平衡等离
15、子体，电子、离子、原子同样的温度，热量大?通常是高气压（1个大气压左右或更高的气压）?电弧、等离子体炬P27等离子体技术及应用，山东科大直流压缩电弧等离子体(a).非转移弧非转移弧用于等离子喷涂、等用于等离子喷涂、等离子离子CVD、等离子清、等离子清洗、等离子点火等。洗、等离子点火等。 (b).联合弧联合弧用于等离子束表面淬用于等离子束表面淬火、等离子多元共渗火、等离子多元共渗等。可不灭弧调温。等。可不灭弧调温。 (c).转移弧转移弧用于等离子冶金、等用于等离子冶金、等离子束表面冶金、等离子束表面冶金、等离子切割、等离子焊离子切割、等离子焊接等。接等。P28等离子体技术及应用，山东科大等离子喷
16、涂等离子喷涂喷涂辊套（氧化铝）用于炼油厂，耐高温磨损 在氧化铝薄板上喷涂氧化锆，用于半导体陶瓷器件的高温烧结支撑板P29等离子体技术及应用，山东科大等离子喷涂枪与送粉器等离子喷涂枪与送粉器P30等离子体技术及应用，山东科大等离子表面冶金示意图等离子表面冶金示意图基基 材材涂层涂层等离子束流等离子束流冷却水冷却水 离子气离子气保护气保护气粉末粉末阴极阴极 直流电源直流电源P31等离子体技术及应用，山东科大基体基体保护气保护气等离子束等离子束粉末粉末同步注入粉末等离子束示意图 P32等离子体技术及应用，山东科大等离子束表面冶金强化等离子束表面冶金强化“ “无火花无火花” ”本安型截齿本安型截齿P3
17、3等离子体技术及应用，山东科大对大型旧中部槽进行等离子表面冶金强化P34等离子体技术及应用，山东科大等离子体军事及高技术应用n军事应用等离子体天线、等离子体隐身、等离子体减阻、等离子体鞘套、等离子体诱饵n高技术大功率微波器件、X射线激光、强流束技术、等离子体推进低温等离子体应用P35等离子体技术及应用，山东科大等离子体离子推进器P36等离子体技术及应用，山东科大VASIMR(可变比冲磁） 等离子体推进技术P37等离子体技术及应用，山东科大Hall thrusters 霍尔等离子体推进Anodexenonmagnetic circuitElectronsIonsCathodemagnetic field linesElectric fieldcoilsceramic channelP38等离子体技术及应用，山东科大小结1.掌握等离子体的概念和普遍性2.掌握等离子体的基本性质以及不同的分类方式3.了解冷等离子体和热等离子体的区别和应用4.掌握电弧等离子体发生器的种类和应用领域5.了解等离子体在军事上和天体物理学方面的应用，查阅等离子体推进器的主要原理
