1、等离子体应用技等离子体应用技术术参考教材：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n等离子体基本原理n等离子体的化学行为n等离子体发生技术n介质阻挡放电等离子体技术与应用n电晕和辉光放电等离子体技术与应用n微波放电等离子体技术与应用n等离子体在薄膜制备中的应用n等离子体在高分子化学中的应用n等离子体显示技术n等离子体在隐身技术中的应用n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GasCathode LayerNegative GlowPositive ColumnHeNe(neon)Ar
2、KrXeH2N2O2Airredyellowpink-red-brownpinkredpinkpinkorangedark-bluegreenorange-greenthin-blueblueyellow-whiteblueRed-pinkred-browndark-redblue-purplewhite-greenpinkred-yellowred-yellowred-yellow介质阻挡放电（DBD） 滑动电弧放电等离子体 激光第一章第一章 等离子体基本原理等离子体基本原理1.1 等离子体概念：等离子体概念：由大量的带电的正粒子、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
3、）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：注意：q非束缚性：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。q粒子与电磁场的不可分割性：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。q集体效应起主导作用：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：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
4、体态。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北极光北极光空间天体等离子体逃离太阳的等离子体逃离太阳的等离子体 空间天体等离子体星系：巨大的聚变反应堆星系：巨大的聚变反应堆 空间天体等离子体密度(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参数空间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。q日常生活中：日光灯、电弧、等离子体显示屏、臭氧发生器q典
5、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q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核聚变反应聚变等离子体D + T = n + 4HeD + T = p + 3He实现聚变的三种途径实现聚变的三种途径聚变等离子体托卡马克装置托卡马克装置( 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00C1000C100000C放电是
6、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 )1.2 等离子体特征等离子体特征1.2.1 等离子体的整体特征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，可以把等离子体的整体导电率写为21ee cee nm v 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，23 21 20251.6()()lnesekTe zmln3 20231 212 ()lnlneekTz e n 在等离子体内部，正、负电荷数几
7、乎相等准中性 ne ni 1.2.2 等离子体的准电中性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包围的剩余电荷量决定，此球表面的静电位为：rQV04 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
8、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：320043( )43nnrer eVVr2203nr eUeV1122UKTeT02032nTner n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/vT1.2.3 等离子体鞘层等离子体鞘层德拜屏蔽鞘层德拜屏蔽鞘层n 静电势满足 Poisson 方程：20eiennn 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
9、 “鞘层” 中n 热平衡时电子、离子密度满足 Boltzmann 分布：n 当 ，有1101518cm-3稀薄等离子体n101214cm-31.4 等离子体分类等离子体分类按热力学平衡分类完全热力学平衡等离子体（高温等离子体） 例如：太阳内部，核聚变和激光聚变局部热力学平衡等离子体（热等离子体） 例如：电弧等离子体，高频等离子体非热力学平衡等离子体（冷等离子体） 例如：电晕放电，辉光放电，火花放电 介质阻挡放电，微波放电及射频 放电等电子温度冷等离子体TeTi，Tg热等离子体Te=Ti，Tg10000oC1eV低 温等离子体高 温等离子体聚变、太阳核心按热力学平衡分类完全热力学平衡等离子体（高
10、温等离子体） 例如：太阳内部，核聚变和激光聚变局部热力学平衡等离子体（热等离子体） 例如：电弧等离子体，高频等离子体非热力学平衡等离子体（冷等离子体） 例如：电晕放电，辉光放电，火花放电 介质阻挡放电，微波放电及射频 放电等电弧、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
11、等离子体辅助燃烧等离子体物理发展简史等离子体物理发展简史n19世纪30年代起q放电管中电离气体，现象认识q建立等离子体物理基本理论框架n20世纪50年代起q受控热核聚变q空间技术q等离子体物理成为独立的分支学科n20世纪80年代起q气体放电和电弧技术发展应用q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发展简史n等离子体化学源自18世纪n1758年火花放电产生臭氧n1785年利用气体放电制备了氧化氮n20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
12、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等离子体物理研究领域n低温应用等离子体n高温聚变等离子体n空间和天体等离子体冷等离子体应用n等离子体的化学过程q刻蚀q化学气相沉积（成膜）n等离子体材料处理q表面改性q表面冶金n光源q冷光源（节能）毫米级厚金刚石片制备研究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10 x10 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大面积正弦表面等离子体军事及高技术应用等离子体军事及高技术应用n军事应用q等离子体天线、等离子体隐身、等离子体
13、减阻、等离子体鞘套、等离子体诱饵n高技术q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热等离子体应用n高温加热q冶金、焊接、切割n材料合成、加工q陶瓷烧结、喷涂、三废处理n光源q强光源返回无线电波在电离层的反射截止层： f = fc = 9 ne1/2 返回总总 结结n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。n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。n等离子体研究领域对人类面临的能源、材料、信息、环保等许多全局性
14、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、包装材料及制药业中的应用约为几十亿美元市场。
