等離子體基本原理ppt課件

1、等離子體應(yīng)用技術(shù),參考教材： 1. 等離子體技術(shù)與應(yīng)用 許根慧等 化學(xué)工業(yè)出版社 2.等離子體技術(shù)及應(yīng)用 趙青 劉述章 童宏輝 國防工業(yè)出版社,目錄,等離子體基本原理 等離子體的化學(xué)行為 等離子體發(fā)生技術(shù) 介質(zhì)阻擋放電等離子體技術(shù)與應(yīng)用 電暈和輝光放電等離子體技術(shù)與應(yīng)用 微波放電等離子體技術(shù)與應(yīng)用 等離子體在薄膜制備中的應(yīng)用 等離子體在高分子化學(xué)中的應(yīng)用 等離子體顯示技術(shù) 等離子體在隱身技術(shù)中的應(yīng)用 等離子體應(yīng)用技術(shù)進(jìn)展,霓虹燈,太陽等離子體噴流,電暈放電實(shí)例,部分氣體輝光放電的顏色,介質(zhì)阻擋放電（DBD,滑動電弧放電等離子體,激光,第一章 等離子體基本原理,1.1 等離子體概念：由大量的帶電

2、的正粒子、負(fù)粒子（其中包括正離子、負(fù)離子、電子、自由基和各種活性基團(tuán)等）組成的集合體，其中正電荷和負(fù)電荷電量相等，故稱等離子體。 注意： 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(yùn)動與電磁場（外場及粒子產(chǎn)生的自洽場）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,1.1.1 等離子體存在處： 宇宙中90物質(zhì)處于等離子體態(tài)。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，它與眾所周知的物質(zhì)三態(tài)也就是氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)并列稱為物質(zhì)的第四態(tài),即等離子體態(tài)。

3、如大氣外側(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、閃電、極光、星云及星團(tuán)，毫無例外的都是等離子體,什么保護(hù)了地球：等離子體,空間天體等離子體,北極光,空間天體等離子體,逃離太陽的等離子體,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,等離子體參數(shù)空間,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(qiáng)流束、飛行器鞘套與尾跡,核聚變反應(yīng),聚變等離子體,D +

4、T = n + 4He D + T = p + 3He,實(shí)現(xiàn)聚變的三種途徑,聚變等離子體,托卡馬克裝置( JET,聚變等離子體,美國激光聚變裝置,美國國家點(diǎn)火（NIF）激光聚變裝置,激光聚變電站,神光II、星光II激光聚變裝置,1.1.2 等離子體是物質(zhì)第四態(tài),00C,1000C,100000C,放電是使氣體轉(zhuǎn)變成等離子體的一種常見形式,普通氣體,等離子體,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 10-4,1.2 等離子體特征 1.2.1 等離子體的整體特征 等離子體是一種導(dǎo)電流體。 對于洛侖茲等離子體，把等離子體看作微觀粒子的集合，可以把等離子

5、體的整體導(dǎo)電率寫為,對于電子只與每個電荷數(shù)均為z的帶電粒子碰撞的情況，等離子體整體電導(dǎo)率s為 為庫侖對數(shù),在等離子體內(nèi)部，正、負(fù)電荷數(shù)幾乎相等準(zhǔn)中性 ne ni,1.2.2 等離子體的準(zhǔn)電中性,就等離子體本身而言，它具有變成為電中性的強(qiáng)烈傾向，故離子和電子的電荷密度幾乎相等，此種情況稱為準(zhǔn)中性，是帶相反電荷粒子間的強(qiáng)電作用的結(jié)果。 等離子體中電荷分離僅可能由外加電場或等離子體本身的內(nèi)能（熱能）來維持，可由等離子體動力學(xué)溫度維持的對電中性的最大偏離估算出來。 一個密度幾乎相等，每立方米n0個粒子的電子和單電荷正離子構(gòu)成的含能等離子體，在半徑為r的球形區(qū)域內(nèi)，此體積內(nèi)的靜電能由其所包圍的剩余電荷量

6、決定，此球表面的靜電位為,Q=en，為球內(nèi)靜電荷，其中e為電子電荷，此時球表面的靜電位為 被推進(jìn)凈負(fù)電荷小球區(qū)域的一個電子所得到的能量可由上式的靜電位乘以電荷得到： 此能量僅來自與有限的動力學(xué)溫度T有關(guān)的動能 可得到與電中性的相對偏離,在等離子體中引入電場，經(jīng)過一定的時間，等離子體中的電子、離子將移動，屏蔽電場德拜屏蔽,屏蔽層厚度：德拜長度 D,特征響應(yīng)時間：p D/vT,1.2.3 等離子體鞘層,德拜屏蔽鞘層,靜電勢滿足 Poisson 方程,設(shè)想在等離子體中插入一電極，試圖在等離子體中建立電場 電子將向電極處移動，離子則被排斥，電極所引入的電場僅局限在較小尺度的 “鞘層” 中,熱平衡時電子

7、、離子密度滿足 Boltzmann 分布,當(dāng) ，有,等離子體的特征長度：德拜長度,一維模型（電極為無限大平板），解為,德拜長度,通常由于離子響應(yīng)慢，離子的動態(tài)屏蔽作用可略， 德拜長度是等離子體保持準(zhǔn)電中性的最小尺度 德拜長度也是集體效應(yīng)起主要作用的最小尺度,庫侖屏蔽勢，點(diǎn)電荷在等離子體中產(chǎn)生的電勢分布為,1.2.4 等離子體擴(kuò)散過程,對于麥克斯韋氣體和非磁化等離子體，Einstein給出了此類 等離子體的擴(kuò)散系數(shù),另外，David Bohm 提出了一個從經(jīng)驗(yàn)推論的擴(kuò)散系數(shù)， 用于描述某些電弧中等離子體的徑向擴(kuò)散，表示為,1.2.5 等離子體輻射,激發(fā)輻射 hv =En-Em=E 復(fù)合輻射 hv

8、 =e+(Ei-Em) e復(fù)合前自由電子的動能 Ei電離能 Em復(fù)合后該電子所處的能級,軔致輻射 回旋輻射,1.3 等離子體特征量及等離子體判據(jù) 1.3.1 粒子密度和電離度,ne表示電子密度 ni表示離子密度 ng表示中性粒子密度 當(dāng)ne= ni時，用n表示二者中任意一個帶電粒子的密度， 簡稱為等離子體密度。 電離度定義為,1.3.2 電子溫度和離子溫度,在熱力學(xué)平衡狀態(tài)下，粒子能量服從麥克斯韋分布，單個 粒子平均平動能KE與熱平衡溫度的關(guān)系為： KE=mv2/2=3KT/2 式中：k為玻爾茲曼常數(shù)， T為溫度 在討論等離子體時，往往直接以“電子伏特”作為溫度單位，以下 記為Tev， Tev

9、=kT=1ev=1.610-12爾格 根據(jù)等離子體的粒子溫度，可以把等離子體分為兩大類，即 熱平衡等離子體和非平衡等離子體,1.3.3 沙哈方程,中性氣體到完全電離等離子體狀態(tài)的轉(zhuǎn)變可由沙哈方程來 描述： 式中：h-普朗克常量； T-三種粒子的共同熱動力學(xué)溫度； gi-原子的電離電位； g0-離子基態(tài)的統(tǒng)計權(quán)重； gi/g0-中性原子基態(tài)的統(tǒng)計權(quán)重，堿性金屬等離子體的比值 約為0.5，其他氣體約為1的量級,1.3.4 等離子體的時空特征限量,等離子體的電中性有其特定的空間和時間尺度。 空間尺度下限德拜長度 時間尺度下限 電子走完一個振幅（等于德拜長度）所需的時間p,1.3.5 等離子體判據(jù),空

10、間尺度要求 ：等離子體線度遠(yuǎn)大于德拜長度 時間尺度要求：等離子體碰撞時間、存在時間遠(yuǎn)大于特征響應(yīng)時間 等離子體參數(shù)：在德拜球中粒子數(shù)足夠多，具有統(tǒng)計意義,1.4 等離子體分類,電子溫度,冷等離子體 TeTi，Tg,熱等離子體 Te=Ti，Tg,10000oC,1eV,聚變、太陽核心,電弧、碘鎢燈,極光、日光燈 電暈放電等離子體 DBD等離子體,1.5 等離子體的應(yīng)用,等離子體的應(yīng)用,等離子體化學(xué),等離子體工程：研究等離子體的發(fā)生以及等 離子體發(fā)生裝置的學(xué)科,等離子體物理,等離子體環(huán)境方面的應(yīng)用,等離子體生物方面的應(yīng)用,磁流體動力學(xué),電流體動力學(xué),微電子中的等離子體過程,等離子體強(qiáng)化化學(xué)氣相沉積

11、,無機(jī)物等離子體沉積及硬覆蓋,等離子體化學(xué)合成,等離子體濺射及材料加工,等離子體源,等離子體輔助燃燒,等離子體物理發(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?空間技術(shù) 等離子體物理成為獨(dú)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,等離子體化學(xué)發(fā)展簡史,等離子體化學(xué)源自18世紀(jì) 1758年火花放電產(chǎn)生臭氧 1785年利用氣體放電制備了氧化氮 20世紀(jì)60年代，利用等離子體技術(shù)實(shí)現(xiàn)了許多前所未有的化學(xué)反應(yīng)，形成了低溫等離子體化學(xué)，在半導(dǎo)體材料、表面刻蝕、薄膜制備方面取得矚目的成績,

12、如何獲得擁有不同電子密度及電子溫度的、大范 圍均一的等離子體區(qū)域，是目前等離子體工程所面臨 的主要問題,1.5.1 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,冷等離子體應(yīng)用,等離子體的化學(xué)過程 刻蝕 化學(xué)氣相沉積（成膜） 等離子體材料處理 表面改性 表面冶金 光源 冷光源（節(jié)能,毫米級厚金剛石片制備研究,純金剛石片 （直徑30mm,半透純金剛石熱沉片10 x10 mm2,帶Si襯底的金剛石厚膜,納米尺度上針尖狀表面,特征類金剛石表面制造,納米尺度上波紋狀表面,樹枝狀表面,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

13、套、等離子體誘餌 高技術(shù) 大功率微波器件、X射線激光、強(qiáng)流束技術(shù)、等離子體推進(jìn),返回,熱等離子體應(yīng)用,高溫加熱 冶金、焊接、切割 材料合成、加工 陶瓷燒結(jié)、噴涂、三廢處理 光源 強(qiáng)光源,返回,無線電波在電離層的反射,截止層： f = fc = 9 ne1/2,返回,總 結(jié),等離子體科學(xué)涵蓋了受控?zé)岷司圩?、低溫等離子體物理及應(yīng)用、國防和高技術(shù)應(yīng)用、天體和空間等離子體物理等分支領(lǐng)域。 等離子體科學(xué)在能源、材料、信息、環(huán)保、國防、微電子、半導(dǎo)體、航空、航天、冶金、生物醫(yī)學(xué)、造紙、化工、紡織、通訊等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。 等離子體研究領(lǐng)域?qū)θ祟惷媾R的能源、材料、信息、環(huán)保等許多全局性問題的解決具有重大意義,等離子體輔助加工被用來制造特種優(yōu)良性能的新材料、研制新的化學(xué)物質(zhì)和化學(xué)過程，加工、改造和精制材料及其表面，具有極其廣泛的工業(yè)應(yīng)用-從薄膜沉積、等離子體聚合、微電路制造到焊接、工具硬化、超微粉的合成、等離子體噴涂、等離子體冶金、等離子體化工、微波源。等離子體輔助加工已開辟的和潛在的應(yīng)用領(lǐng)域包括：半導(dǎo)體集成電路及其它微電子設(shè)備的制造工具、模具及工程金屬的硬化 藥品的生物相溶性包裝材料的制備表面防蝕及其它薄層的沉積特殊陶瓷（包括超導(dǎo)材料）新的化學(xué)物質(zhì)及材料的制造金屬的提煉聚合物薄膜的印刷和制備有害廢物的處理焊接磁記錄材料和光學(xué)波導(dǎo)材料精細(xì)加工照明及顯示電子電