第一章 等离子体概述2014

第一章等离子体概述1.1什么是等离子体1.2等离子体的各种性质1.3等离子体的应用第1.1节什么是等离子体固体

冰液体

水气体

水汽等离子体

电离气体温度00C1000C100000C1eV=11600K两个概念：离解和电离离解：当温度足够高时，构成分子中的原子获得足够大的动能，开始彼此分离，这一过程称为离解电离：温度继续升高，原子的外层电子将摆脱原子核的束缚而称为自由电子，同时，失去电子的原子变成带正电的离子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人工形式

等离子体电离气体普通气体等离子体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)等离子体的概念等离子体是物质存在（固、液、气体）的第四种状态，是由大量带电粒子组成的非束缚状态的宏观体系。注：有的书上也表述成：或正离子和电子的密度大致相等的电离气体维基百科等离子体（Plasma）是一种由自由电子和带电离子为主要成分的物质形态，广泛存在于宇宙中，常被视为是物质的第四态，被称为等离子态，或者“超气态”，也称“电浆体”。等离子体具有很高的电导率，与电磁场存在极强的耦合作用。等离子体是由克鲁克斯在1879年发现的，1928年美国科学家欧文·朗缪尔和汤克斯（Tonks）首次将Plasma一词引入物理学，用来描述气体放电管里的物质形态[1]，Plasma是源自希腊文，意为可形塑的物体，此字有随着容器形状改变自身形状之意，如灯管中的等离子体会随着灯管的形状改变自身的形状。严格来说，等离子体是具有高位能动能的气体团，等离子体的总带电量仍是中性，借由电场或磁场的高动能将外层的电子击出，结果电子已不再被束缚于原子核，而成为高位能高动能的自由电子。

朗缪尔（L.Langmuir）和汤克斯(L.Tonks)首先引入等离子体（Plasma）这个名称。第1.1节什么是等离子体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。宇宙中90％物质处于等离子体态人类的生存伴随着水，水存在的环境是地球文明得以进化、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。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。人类的生存伴随着水，水存在的环境是地球文明得以进化、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。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等离子体的分类1.按存在分：

天然等离子体：太阳、恒星、星云、极光、雷电等

人工等离子体：日光灯、霓虹灯、电火花、电弧等2.按电离度分：

等离子体：电子(ne

)、正离子(离子ni)、中性粒子（分子、原子、原子团na）,由准电中性：

ne≈

ni定义：电离度β=ne/(ne+na)分母为电离前分子的密度

β=100%完全电离等离子体

β≥1%强电离等离子体

β<1%弱电离等离子体3.根据三者温度关系分等离子体包含两到三种不同组成粒子：自由电子，带正电的离子和未电离的原子。这使得我们针对不同的组分定义不同的温度：电子温度和离子温度。轻度电离的等离子体，离子温度一般远低于电子温度，称之为“低温等离子体”。高度电离的等离子体，离子温度和电子温度都很高，称为“高温等离子体”。3.根据三者温度关系分冷等离子体

Te≠Ti,Ta热等离子体

Te＝Ti,Ta电弧、碘钨灯极光、日光灯电子温度100000C1eV聚变、太阳核心高温

等离子体低温

等离子体注意：

热等离子体指在接近大气压强情况下，电子、离子、中性粒子通过剧烈碰撞达到热平衡状态，又称近局域热力学平衡等离子体冷等离子体指在数百帕的低气压下由于碰撞很少达不到热平衡状态，因此又称非平衡等离子体等离子体物理学科发展简史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第1.2节等离子体的性质等离子体与我们所熟悉的固液气体存在明显差别。这三态只涉及分子间作用力，而等离子体由气态转化时需要克服原子核对外层电子的束缚，因此无论是成分还是性质均有较大的差别等离子态常被称为“超气态”，它和气体有很多相似之处，比如：没有确定形状和体积，具有流动性，但等离子也有很多独特的性质。等离子体中的粒子具有群体效应，只要一个粒子扰动，这个扰动会传播到每个等离子体中的电离粒子。等离子体本身亦是良导体。1.温度高，粒子动能大2.作为带电粒子的集合体，具有类似金属的导电性能。有时等离子体可看作导电流体3.化学性质活泼，容易发生化学反应

例如：将甲烷和氢气在密闭容器里混合并使之放点，若温度适宜，在器壁上会形成金钢石薄膜4.发光特性，可用作光源例如：钠、水银灯放点发光的照明灯等离子体的特性为什么有这些特性的解释第1.3节等离子体应用高温等离子体应用

高温等离子体的温度为102～104电子伏（1电子伏相当于1.1×104开）。它主要用于热核聚变发电。由聚变反应产生的粒子具有很高的能量，将这种能量转化为热能可用于发电。核聚变发电具有清洁、价廉的优点。尤为重要的是，其燃料氘来源于海水，全世界氘的贮量可供人类享用百亿年，这是任何其他能源都无法与之相比的。由于热核聚变反应堆本身有一定的能量损失，因而，要实现聚变反应，需首先求得整个系统不耗电情况下维持运行的条件，即得失相当的条件，通常称为劳孙判据。20世纪80年代，热核聚变主要采用磁约束和惯性约束两种方法来达到上述条件。

磁约束

由于热核聚变反应的等离子体温度极高，常规的容器都无法耐受，并将造成很大的热能损失。利用强磁场把高温等离子体约束在一定空间内，使之与容器壁隔开，维持其高温和高密度状态。属于磁约束方法的聚变反应装置有托卡马克（见图）、磁镜、仿星器等，

惯性约束

利用强激光束或粒子束轰击毫米量级的氘-氚(DT)靶丸,在纳秒级的短时间内，由于惯性的作用，在靶丸还来不及扩散时就被加热到很高温度、压缩到很高密度从而引起热核聚变反应。研究人员正朝实现劳孙判据的条件努力。热等离子体应用

热等离子体的温度为0.1～4电子伏，电流为1～100安及以上。这类等离子体处于热平衡态，电弧、等离子体炬属于这一类。主要用于难熔金属冶炼、机加工等。。①等离子体冶炼：用于冶炼用普通方法难于冶炼的材料，例如高熔点的锆(Zr)、钛(Ti)、钽(Ta)、铌(Nb)、钒(V)、钨(W)等金属；还用于简化工艺过程，例如直接从ZrCl4、MoS2、Ta2O5和TiCl4中分别获得Zr、Mo、Ta和Ti；用等离子体熔化快速固化法可开发硬的高熔点粉末，如碳化钨-钴、Mo-Co、Mo-Ti-Zr-C等粉末。等离子体冶炼的优点是产品成分及微结构的一致性好，可免除容器材料的污染。②等离子体喷涂：许多设备的部件应能耐磨、耐腐蚀、抗高温，为此需要在其表面喷涂一层具有特殊性能的材料。用等离子体沉积快速固化法可将特种材料粉末喷入热等离子体中熔化，并喷涂到基体（部件）上，使之迅速冷却、固化，形成接近网状结构的表层，这可大大提高喷涂质量③等离子体焊接：可用以焊接钢、合金钢；铝、铜、钛等及其合金。特点是焊缝平整，可以再加工,没有氧化物杂质,焊接速度快。用于切割钢、铝及其合金，切割厚度大。

冷等离子体应用

冷等离子体的电子温度比离子温度高，分别为10电子伏及以下和室温，主要用于化学合成、材料表面改性和大规模集成电路的刻蚀。等离子体合成

等离子体可促使有机及无机化合物进行各种反应。①由氢化合物、挥发性卤化合物、氟碳化合物、氟氮化合物生成相应的高分子化合物。②通过分子异构化，得到不同分子结构。③将原子或小分子从原分子中脱除出来。由这过程可得到多种环产物或杂环结构。④双分子反应。等离子体表面工艺

①等离子体表面处理：为了提高刀具、模具等的性能，可以用等离子体对金属表面进行氮、碳、硼或碳氮的渗透。这种方法的特点是,不是在表面加一覆盖层,而是改变基体表面的材料结构及其性能。处理过程中，工件温度比较低，不使工件变形，这对精密的部件很重要。这一方法可以应用于各种金属基体，主要有辉光放电渗氮，氮碳共渗，渗硼。

②等离子体在电子工业中的应用：大规模集成电路片心的生产工艺，过去采用化学方式，现在采用等离子体方法代替之后，不仅降低了工艺过程中的温度，还因将涂胶、显影、刻蚀、除胶等化学湿法改为等离子体干法，使工艺更简单，便于实现自动化，提高成品率。等离子体方法加工的片心分辨率及保真度都高，对提高集成度及可靠性均有利。

等离子体成膜：PECVDPECVD(PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition)--等离子体增强化学气相沉积法实验机理：是借助微波或射频等使含有薄膜组成原子的气体，在局部形成等离子体，而等离子体化学活性很强，很容易发生反应，在基片上沉积出所期望的薄膜。低温等离子体应用PECVD作用：在硅片表面镀上一层深蓝色的氮化硅膜，可以充分吸收太阳光，降低反射，并且氮化硅膜有钝化的作用，保护电池片不受污染。

PECVD原理：利用硅烷（SiH4）与氨气（NH3）在等离子体中反应，生成Si3N4沉积到硅片表面。

干法刻蚀化学方程式：

PECVD效果：

纳米尺度上

针尖状表面特征类金刚石表面制造实验室与日本原子力所先进科学研究中心合作，开展了非平衡薄膜表面制造的研究，成功第地制备了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。（J.Chem.Phys.116,10458，2002）纳米尺度上

波纹状表面树枝状表面大面积正弦表面毫米级厚金刚石片制备研究

应用PCVD方法开展金刚石模制备研究开展了多年，对制备过程中物理化学及工艺过程进行了系统研究。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/(k·cm)，可用于大功率电子器件。（PhysicsofPlasma,5,1541,1998、J.Phys.D,31,3327,1998、J.Vac.Sci.Tech.A，20,941,2002）纯金刚石片（直径30mm）半透纯金刚石

热沉片10x10mm2

带Si衬底的金刚石厚膜金刚石质量表征等离子体军事及高技术应用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低温等离子体应用什么保护了我们地球：等离子体空间天体等离子体北极光空间天体等离子体我们的太阳

空间天体等离子体星系：巨大的聚变反应堆

空间天体等离子体聚变与裂变能聚变等离子体D3He4HeTULi