第一章 等離子體概述2014

第一章等離子體概述1.1什么是等離子體1.2等離子體的各種性質(zhì)1.3等離子體的應(yīng)用第1.1節(jié)什么是等離子體固體

冰液體

水氣體

水汽等離子體

電離氣體溫度00C1000C100000C1eV=11600K兩個概念：離解和電離離解：當(dāng)溫度足夠高時，構(gòu)成分子中的原子獲得足夠大的動能，開始彼此分離，這一過程稱為離解電離：溫度繼續(xù)升高，原子的外層電子將擺脫原子核的束縛而稱為自由電子，同時，失去電子的原子變成帶正電的離子電離氣體是一種常見的等離子體放電是使氣體轉(zhuǎn)變成等離子體的一種常見人工形式

等離子體電離氣體普通氣體等離子體放電需要有足夠的電離度的電離氣體才具有等離子體性質(zhì)。 “電性”比“中性”更重要(電離度>10-4)等離子體的概念等離子體是物質(zhì)存在（固、液、氣體）的第四種狀態(tài)，是由大量帶電粒子組成的非束縛狀態(tài)的宏觀體系。注：有的書上也表述成：或正離子和電子的密度大致相等的電離氣體維基百科等離子體（Plasma）是一種由自由電子和帶電離子為主要成分的物質(zhì)形態(tài)，廣泛存在于宇宙中，常被視為是物質(zhì)的第四態(tài)，被稱為等離子態(tài)，或者“超氣態(tài)”，也稱“電漿體”。等離子體具有很高的電導(dǎo)率，與電磁場存在極強的耦合作用。等離子體是由克魯克斯在1879年發(fā)現(xiàn)的，1928年美國科學(xué)家歐文·朗繆爾和湯克斯（Tonks）首次將Plasma一詞引入物理學(xué)，用來描述氣體放電管里的物質(zhì)形態(tài)[1]，Plasma是源自希臘文，意為可形塑的物體，此字有隨著容器形狀改變自身形狀之意，如燈管中的等離子體會隨著燈管的形狀改變自身的形狀。嚴(yán)格來說，等離子體是具有高位能動能的氣體團(tuán)，等離子體的總帶電量仍是中性，借由電場或磁場的高動能將外層的電子擊出，結(jié)果電子已不再被束縛于原子核，而成為高位能高動能的自由電子。

朗繆爾（L.Langmuir）和湯克斯(L.Tonks)首先引入等離子體（Plasma）這個名稱。第1.1節(jié)什么是等離子體由大量的帶電粒子組成的非束縛態(tài)的宏觀體系非束縛性：異類帶電粒子之間相互“自由”，等離子體的基本粒子元是正負(fù)荷電的粒子（電子、離子），而不是其結(jié)合體。粒子與電磁場的不可分割性：等離子體中粒子的運動與電磁場（外場及粒子產(chǎn)生的自洽場）的運動緊密耦合，不可分割。集體效應(yīng)起主導(dǎo)作用：等離子體中相互作用的電磁力是長程的。宇宙中90％物質(zhì)處于等離子體態(tài)人類的生存伴隨著水，水存在的環(huán)境是地球文明得以進(jìn)化、發(fā)展的的熱力學(xué)環(huán)境，這種環(huán)境遠(yuǎn)離等離子體物態(tài)普遍存在的狀態(tài)。因而，天然等離子體就只能存在于遠(yuǎn)離人群的地方，以閃電、極光的形式為人們所敬畏、所贊嘆。由地球表面向外，等離子體是幾乎所有可見物質(zhì)的存在形式，大氣外側(cè)的電離層、日地空間的太陽風(fēng)、太陽日冕、太陽內(nèi)部、星際空間、星云及星團(tuán)，毫無例外的都是等離子體。人類的生存伴隨著水，水存在的環(huán)境是地球文明得以進(jìn)化、發(fā)展的的熱力學(xué)環(huán)境，這種環(huán)境遠(yuǎn)離等離子體物態(tài)普遍存在的狀態(tài)。因而，天然等離子體就只能存在于遠(yuǎn)離人群的地方，以閃電、極光的形式為人們所敬畏、所贊嘆。由地球表面向外，等離子體是幾乎所有可見物質(zhì)的存在形式，大氣外側(cè)的電離層、日地空間的太陽風(fēng)、太陽日冕、太陽內(nèi)部、星際空間、星云及星團(tuán)，毫無例外的都是等離子體。宇宙中90％物質(zhì)處于等離子體態(tài)地球上，人造的等離子體也越來越多地出現(xiàn)在我們的周圍。日常生活中：日光燈、電弧、等離子體顯示屏、臭氧發(fā)生器典型的工業(yè)應(yīng)用：等離子體刻蝕、鍍膜、表面改性、噴涂、燒結(jié)、冶煉、加熱、有害物處理高技術(shù)應(yīng)用：托卡馬克、慣性約束聚變、氫彈、高功率微波器件、離子源、強流束、飛行器鞘套與尾跡密度(cm-3)溫度(度)太陽核心磁約束聚變霓虹燈北極光火焰閃電日冕氫彈星際空間熒光氣體

液體

固體

人類居住環(huán)境慣性聚變星云太陽風(fēng)等離子體參數(shù)空間等離子體的分類1.按存在分：

天然等離子體：太陽、恒星、星云、極光、雷電等

人工等離子體：日光燈、霓虹燈、電火花、電弧等2.按電離度分：

等離子體：電子(ne

)、正離子(離子ni)、中性粒子（分子、原子、原子團(tuán)na）,由準(zhǔn)電中性：

ne≈

ni定義：電離度β=ne/(ne+na)分母為電離前分子的密度

β=100%完全電離等離子體

β≥1%強電離等離子體

β<1%弱電離等離子體3.根據(jù)三者溫度關(guān)系分等離子體包含兩到三種不同組成粒子：自由電子，帶正電的離子和未電離的原子。這使得我們針對不同的組分定義不同的溫度：電子溫度和離子溫度。輕度電離的等離子體，離子溫度一般遠(yuǎn)低于電子溫度，稱之為“低溫等離子體”。高度電離的等離子體，離子溫度和電子溫度都很高，稱為“高溫等離子體”。3.根據(jù)三者溫度關(guān)系分冷等離子體

Te≠Ti,Ta熱等離子體

Te＝Ti,Ta電弧、碘鎢燈極光、日光燈電子溫度100000C1eV聚變、太陽核心高溫

等離子體低溫

等離子體注意：

熱等離子體指在接近大氣壓強情況下，電子、離子、中性粒子通過劇烈碰撞達(dá)到熱平衡狀態(tài)，又稱近局域熱力學(xué)平衡等離子體冷等離子體指在數(shù)百帕的低氣壓下由于碰撞很少達(dá)不到熱平衡狀態(tài)，因此又稱非平衡等離子體等離子體物理學(xué)科發(fā)展簡史19世紀(jì)30年代起放電管中電離氣體，現(xiàn)象認(rèn)識建立等離子體物理基本理論框架20世紀(jì)50年代起受控?zé)岷司圩兛臻g技術(shù)等離子體物理成為獨立的分支學(xué)科20世紀(jì)80年代起氣體放電和電弧技術(shù)發(fā)展應(yīng)用低溫等離子體物理發(fā)展等離子體物理研究領(lǐng)域低溫應(yīng)用等離子體高溫聚變等離子體空間和天體等離子體第1.2節(jié)等離子體的性質(zhì)等離子體與我們所熟悉的固液氣體存在明顯差別。這三態(tài)只涉及分子間作用力，而等離子體由氣態(tài)轉(zhuǎn)化時需要克服原子核對外層電子的束縛，因此無論是成分還是性質(zhì)均有較大的差別等離子態(tài)常被稱為“超氣態(tài)”，它和氣體有很多相似之處，比如：沒有確定形狀和體積，具有流動性，但等離子也有很多獨特的性質(zhì)。等離子體中的粒子具有群體效應(yīng)，只要一個粒子擾動，這個擾動會傳播到每個等離子體中的電離粒子。等離子體本身亦是良導(dǎo)體。1.溫度高，粒子動能大2.作為帶電粒子的集合體，具有類似金屬的導(dǎo)電性能。有時等離子體可看作導(dǎo)電流體3.化學(xué)性質(zhì)活潑，容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)

例如：將甲烷和氫氣在密閉容器里混合并使之放點，若溫度適宜，在器壁上會形成金鋼石薄膜4.發(fā)光特性，可用作光源例如：鈉、水銀燈放點發(fā)光的照明燈等離子體的特性為什么有這些特性的解釋第1.3節(jié)等離子體應(yīng)用高溫等離子體應(yīng)用

高溫等離子體的溫度為102～104電子伏（1電子伏相當(dāng)于1.1×104開）。它主要用于熱核聚變發(fā)電。由聚變反應(yīng)產(chǎn)生的粒子具有很高的能量，將這種能量轉(zhuǎn)化為熱能可用于發(fā)電。核聚變發(fā)電具有清潔、價廉的優(yōu)點。尤為重要的是，其燃料氘來源于海水，全世界氘的貯量可供人類享用百億年，這是任何其他能源都無法與之相比的。由于熱核聚變反應(yīng)堆本身有一定的能量損失，因而，要實現(xiàn)聚變反應(yīng)，需首先求得整個系統(tǒng)不耗電情況下維持運行的條件，即得失相當(dāng)?shù)臈l件，通常稱為勞孫判據(jù)。20世紀(jì)80年代，熱核聚變主要采用磁約束和慣性約束兩種方法來達(dá)到上述條件。

磁約束

由于熱核聚變反應(yīng)的等離子體溫度極高，常規(guī)的容器都無法耐受，并將造成很大的熱能損失。利用強磁場把高溫等離子體約束在一定空間內(nèi)，使之與容器壁隔開，維持其高溫和高密度狀態(tài)。屬于磁約束方法的聚變反應(yīng)裝置有托卡馬克（見圖）、磁鏡、仿星器等，

慣性約束

利用強激光束或粒子束轟擊毫米量級的氘-氚(DT)靶丸,在納秒級的短時間內(nèi)，由于慣性的作用，在靶丸還來不及擴散時就被加熱到很高溫度、壓縮到很高密度從而引起熱核聚變反應(yīng)。研究人員正朝實現(xiàn)勞孫判據(jù)的條件努力。熱等離子體應(yīng)用

熱等離子體的溫度為0.1～4電子伏，電流為1～100安及以上。這類等離子體處于熱平衡態(tài)，電弧、等離子體炬屬于這一類。主要用于難熔金屬冶煉、機加工等。。①等離子體冶煉：用于冶煉用普通方法難于冶煉的材料，例如高熔點的鋯(Zr)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、鈮(Nb)、釩(V)、鎢(W)等金屬；還用于簡化工藝過程，例如直接從ZrCl4、MoS2、Ta2O5和TiCl4中分別獲得Zr、Mo、Ta和Ti；用等離子體熔化快速固化法可開發(fā)硬的高熔點粉末，如碳化鎢-鈷、Mo-Co、Mo-Ti-Zr-C等粉末。等離子體冶煉的優(yōu)點是產(chǎn)品成分及微結(jié)構(gòu)的一致性好，可免除容器材料的污染。②等離子體噴涂：許多設(shè)備的部件應(yīng)能耐磨、耐腐蝕、抗高溫，為此需要在其表面噴涂一層具有特殊性能的材料。用等離子體沉積快速固化法可將特種材料粉末噴入熱等離子體中熔化，并噴涂到基體（部件）上，使之迅速冷卻、固化，形成接近網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的表層，這可大大提高噴涂質(zhì)量③等離子體焊接：可用以焊接鋼、合金鋼；鋁、銅、鈦等及其合金。特點是焊縫平整，可以再加工,沒有氧化物雜質(zhì),焊接速度快。用于切割鋼、鋁及其合金，切割厚度大。

冷等離子體應(yīng)用

冷等離子體的電子溫度比離子溫度高，分別為10電子伏及以下和室溫，主要用于化學(xué)合成、材料表面改性和大規(guī)模集成電路的刻蝕。等離子體合成

等離子體可促使有機及無機化合物進(jìn)行各種反應(yīng)。①由氫化合物、揮發(fā)性鹵化合物、氟碳化合物、氟氮化合物生成相應(yīng)的高分子化合物。②通過分子異構(gòu)化，得到不同分子結(jié)構(gòu)。③將原子或小分子從原分子中脫除出來。由這過程可得到多種環(huán)產(chǎn)物或雜環(huán)結(jié)構(gòu)。④雙分子反應(yīng)。等離子體表面工藝

①等離子體表面處理：為了提高刀具、模具等的性能，可以用等離子體對金屬表面進(jìn)行氮、碳、硼或碳氮的滲透。這種方法的特點是,不是在表面加一覆蓋層,而是改變基體表面的材料結(jié)構(gòu)及其性能。處理過程中，工件溫度比較低，不使工件變形，這對精密的部件很重要。這一方法可以應(yīng)用于各種金屬基體，主要有輝光放電滲氮，氮碳共滲，滲硼。

②等離子體在電子工業(yè)中的應(yīng)用：大規(guī)模集成電路片心的生產(chǎn)工藝，過去采用化學(xué)方式，現(xiàn)在采用等離子體方法代替之后，不僅降低了工藝過程中的溫度，還因?qū)⑼磕z、顯影、刻蝕、除膠等化學(xué)濕法改為等離子體干法，使工藝更簡單，便于實現(xiàn)自動化，提高成品率。等離子體方法加工的片心分辨率及保真度都高，對提高集成度及可靠性均有利。

等離子體成膜：PECVDPECVD(PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition)--等離子體增強化學(xué)氣相沉積法實驗機理：是借助微波或射頻等使含有薄膜組成原子的氣體，在局部形成等離子體，而等離子體化學(xué)活性很強，很容易發(fā)生反應(yīng)，在基片上沉積出所期望的薄膜。低溫等離子體應(yīng)用PECVD作用：在硅片表面鍍上一層深藍(lán)色的氮化硅膜，可以充分吸收太陽光，降低反射，并且氮化硅膜有鈍化的作用，保護(hù)電池片不受污染。

PECVD原理：利用硅烷（SiH4）與氨氣（NH3）在等離子體中反應(yīng)，生成Si3N4沉積到硅片表面。

干法刻蝕化學(xué)方程式：

PECVD效果：

納米尺度上

針尖狀表面特征類金剛石表面制造實驗室與日本原子力所先進(jìn)科學(xué)研究中心合作，開展了非平衡薄膜表面制造的研究，成功第地制備了納米尺度的針狀表面、波紋表面，樹枝狀表面、正弦表面等表面結(jié)構(gòu)，其中波紋表面，是應(yīng)用薄膜生長過程的自組織過程中直接形成的。（J.Chem.Phys.116,10458，2002）納米尺度上

波紋狀表面樹枝狀表面大面積正弦表面毫米級厚金剛石片制備研究

應(yīng)用PCVD方法開展金剛石模制備研究開展了多年，對制備過程中物理化學(xué)及工藝過程進(jìn)行了系統(tǒng)研究?？梢苑€(wěn)定地制備高質(zhì)量毫米量級厚度的金剛石片，并用金剛石膜加工成金剛石電子熱沉片，熱導(dǎo)率高達(dá)7.6W/(k·cm)，可用于大功率電子器件。（PhysicsofPlasma,5,1541,1998、J.Phys.D,31,3327,1998、J.Vac.Sci.Tech.A，20,941,2002）純金剛石片（直徑30mm）半透純金剛石

熱沉片10x10mm2

帶Si襯底的金剛石厚膜金剛石質(zhì)量表征等離子體軍事及高技術(shù)應(yīng)用軍事應(yīng)用等離子體天線、等離子體隱身、等離子體減阻、等離子體鞘套、等離子體誘餌高技術(shù)大功率微波器件、X射線激光、強流束技術(shù)、等離子體推進(jìn)低溫等離子體應(yīng)用低溫等離子體應(yīng)用什么保護(hù)了我們地球：等離子體空間天體等離子體北極光空間天體等離子體我們的太陽

空間天體等離子體星系：巨大的聚變反應(yīng)堆

空間天體等離子體聚變與裂變能聚變等離子體D3He4HeTULi