等離子體化工培訓講義(共20頁)

1、等離子體化工導論講義印永祥四川大學化工學院前言等離子體化工是利用氣體放電的方式產(chǎn)生等離子體作為化學性生產(chǎn)手段的一門科學。因其在原理與應用方面都與傳統(tǒng)的化學方法有著完全不同的規(guī)律而引起廣泛的興趣，自20世紀70年代以來該學科迅速發(fā)展，已經(jīng)成為人們十分關(guān)注的新興科學領域之一。m線寬的集成電路芯片唯一的選擇，利用等離子體增強化學氣相沉積方法制備無缺陷、附著力大的高品位薄膜將會使微電子學系統(tǒng)設計發(fā)生一場技術(shù)革命，低溫等離子體對廢水和廢氣的處理正在向?qū)嶋H應用階段過渡，農(nóng)作物、微生物利用等離子體正在不斷培育出新的品種，利用等離子體技術(shù)對大分子鏈實現(xiàn)嫁接和裁剪、利用等離子體實現(xiàn)煤的潔凈和生產(chǎn)多種化工原料的煤

2、化工新技術(shù)正在發(fā)展?？梢哉f，在不久的將來，低溫等離子體技術(shù)將在國民經(jīng)濟各個領域產(chǎn)生不可估量的作用。但是，與應用研究的發(fā)展相比，被稱為年輕科學的等離子體化學的基礎理論研究緩慢而且較薄弱，其理論和方法都未達到成熟的地步。例如，其中的化學反應是經(jīng)過何種歷程進行，活性基團如何產(chǎn)生等等。因此，本課程力求介紹這些方面的一些基礎理論、研究方法、最新研究成果以及應用工藝。課程內(nèi)容安排：1、 等離子體的基本概念2、 統(tǒng)計物理初步3、 等離子體中的能量傳遞和等離子體的性質(zhì)4、 氣體放電原理及其產(chǎn)生方法5、 冷等離子體中的化學過程及研究方法6、 熱等離子體中的化學過程及研究方法7、 當前等離子體的研究熱點8、 等離

3、子體的幾種工業(yè)應用學習方法：1、 加強大學物理和物理化學的知識2、 仔細作好課堂筆記，完成規(guī)定作業(yè)3、 大量閱讀參考書和科技文獻第一章 等離子體的概念1等離子體的定義a通過氣體放電的形式，將電場的能量傳遞給氣體體系，使之發(fā)生電離過程，當電離程度達到一定的時候，這種物質(zhì)的狀態(tài)就是等離子體狀態(tài)。b簡單說來，等離子體是由氣體分子、原子、原子團、電子、離子和光子組成的體系，是物質(zhì)的第四態(tài)。2等離子體的一些基本性質(zhì)a高焓、高內(nèi)能狀態(tài)的物質(zhì)，可以非常容易地為化學反應的體系提供活化能。b等離子體是一種導電流體，因此這種流體容易與電場和磁場發(fā)生相互作用，從而將電場能量轉(zhuǎn)化為自己的內(nèi)能，為化學反應的體系提供活化

4、能。3等離子體的用途a能源領域：受控核聚變b空間物理及天體物理c材料領域：材料的改性：例如增加四氟乙烯表面的浸潤性。 材料的合成：高分子材料：通過等離子體增強它的接枝與聚合。 合成超細粉末：例如合成納米粉體：SiC,AlN,TiO2d在天然氣化工方面：天然氣制乙炔、合成氣4、等離子體的描述1）等離子體的密度：ne ni ng單位m-3 cm-32) 電離度的概念 =ne/(ng+ne) 01單位體積中的電子云密度與原來氣體密度的比值。無量綱3) 等離子體的溫度 Te，Tg，TiTp一般情況下，溫度由K,來描述，但在等離子體物理中，用eV（電子伏特）描述：1eV=1.602*10-19焦耳=11

5、600K體系溫度Tp=(Tene+Tgng+Tini)/(ne+ng+ni)4） 等離子體的分類a高溫等離子體 T106 Kb低溫等離子體：Tp104K熱等離子體：中性氣體溫度等于電子溫度； 冷等離子體：TeTi,Tg4等離子體的壓強：P=nKT, Pe,Pg,PiPp= Pe+ Pg+ Pi作業(yè) 1、在輝光放電等離子體中，氣體的壓強為20 Pa，電離度104，電子溫度Te1eV，重粒子溫度350K。試確定放電管中的等離子體宏觀溫度，這種等離子體是熱等離子體還是冷等離子體。2、在弧光放電等離子體中，電子密度為1014cm3，中性氣體密度為1017cm3，電子溫度與重粒子溫度同為0.5eV，試計

6、算這種等離子體的壓強。（作理想氣體近似3、一般情況下，等離子體中存在幾種基本粒子？試簡述這些基本粒子的主要特征。第二章 微觀粒子熱運動速率和能量統(tǒng)計分布律一 麥克斯韋速率分布（見圖 2）只要粒子通過充分的碰撞，發(fā)展形成平衡態(tài)，該體系粒子性質(zhì)服從麥氏分布f(v)X10-23J/K為玻爾茲曼常數(shù)，T（K）為粒子的溫度。分布函數(shù)的意義：分布在單位速率區(qū)間內(nèi)粒子的數(shù)目與總數(shù)目之比。設系統(tǒng)的粒子總數(shù)為N0，利用分布函數(shù)可以非常方便地得到速率在內(nèi)的粒子數(shù)目， 注：=1歸一化條件分布函數(shù)的歸一化： =1分布函數(shù)的意義：1、若長時間地跟蹤某一粒子，其處于區(qū)間內(nèi)的幾率由分布函數(shù)表示。2、若在某一瞬間把整個系統(tǒng)的

7、粒子速度固定，那么處于區(qū)間內(nèi)粒子的數(shù)目占整個系統(tǒng)粒子數(shù)目的比值即它所占的分率。利用分布函數(shù)，也可以對微觀粒子所體現(xiàn)的宏觀量進行統(tǒng)計計算。單個微粒的內(nèi)能： 理想氣體單位體積的內(nèi)能：f(v) = =:波爾茲曼常數(shù)； T：被統(tǒng)計粒子的溫度 (v) 圖2 分布函數(shù)的圖象注： n f (n) n f (n) 0 1 2 3 4 5二、麥氏能量分布函數(shù)如果將統(tǒng)計參量設定為粒子的動能，則分布函數(shù)的形式為式中表示粒子的動能，K 、T意義同前。如果被統(tǒng)計的粒子處在保守力場中，上式中粒子的能量應用動能和勢能來代替，即= k +p .作業(yè)：1、利用能量分布函數(shù)計算一摩爾單原子理想氣體分子的內(nèi)能。2、速率分布函數(shù)的意

8、義是什么？試說明下列各量的意義： 三、麥氏速度分布函數(shù) 以上討論的是粒子按速率分布的規(guī)律，對粒子的速度的方向未作任何確定。下面進一步介紹粒子按速度分布的規(guī)律。= f(vx) f(vy) f(vz)利用速度分布函數(shù)，可以對與粒子速度關(guān)聯(lián)的物理量進行統(tǒng)計求得其宏觀量。例： 計算粒子對容器壁的壓強。分析：離子對容器的壓強，實質(zhì)上是微觀粒子在單位時間內(nèi)傳遞給容器壁單位面積的動量。設容器內(nèi)粒子密度為n，在器壁上取一面元dA為底面積，以vxdt為高作一柱體垂直于dA, 在柱形體積中，在dt 內(nèi)速度在vx-vx+dvx 的粒子傳遞給器壁的動量為 四、微觀粒子按自由程分布規(guī)律 粒子在任意兩次連續(xù)碰撞之間通過的

9、路程稱為粒子的自由程，用表示。由于粒子隨機運動，這些自由程有長有短，具有偶然性。這些自由程的平均值稱為粒子的平均自由程，用表示。在研究體系的全部粒子中，人們往往需要知道自由程介于任一給定長度區(qū)間-+d的粒子數(shù)有多少、自由程大于某一給定長度的粒子數(shù)有多少等問題。即研究粒子按自由程的分布情況。自由程分布函數(shù)的物理意義：1、 當長時間跟蹤一個粒子時，發(fā)現(xiàn)該粒子自由程有長有短，具有偶然性。該函數(shù)表示粒子在多次碰撞中自由程大于或小于某一數(shù)值的幾率。2、 在一個大數(shù)量粒子組成的系統(tǒng)中，發(fā)現(xiàn)各粒子自由程有長有短，具有偶然性。該函數(shù)表示在任一時刻自由程大于或小于某一數(shù)值的粒子數(shù)與總數(shù)目之比。作業(yè)：a.利用速度

10、分布函數(shù)計算打到器壁單位面積上的粒子數(shù). b.用速率分布函數(shù)計算粒子的平均速率. （由積分公式） 第三章 等離子體的性質(zhì)等離子體的性質(zhì)包括等離子體的準中性條件、等離子體振蕩、等離子體鞘層、等離子體在電磁場中的運動、等離子體輻射等。這些性質(zhì)非常重要，并構(gòu)成等離子體區(qū)別于其他物質(zhì)形態(tài)的特殊性。同時也使等離子體本生極其應用形成一系列新的規(guī)律。3.1 等離子體準中性條件 概述由于正離子和電子的空間電荷相互抵消，使等離子體在宏觀上呈電中性。但是這種電中性只有在特定的空間尺度和時間尺度上才成立。事實上，由于受內(nèi)部粒子熱運動的擾動或外界干擾等作用，等離子體內(nèi)處處時時都有可能出現(xiàn)電荷分離，即偏離電中性的現(xiàn)象。

11、等離子體對電中性的破壞是非常敏感的，它具有強烈維持電中性的特征?？梢哉f，偏離和恢復電中性總是存在于等離子體中，故稱為準電中性。 德拜屏蔽 若由于某種擾動在等離子體內(nèi)某處出現(xiàn)了電量為q的正電荷積累，則由于該電荷的靜電勢場作用，其周圍一定會吸引電子而排斥正離子，結(jié)果出現(xiàn)一個帶凈負電荷的球狀“電子云”。從遠離該正電子的“云外”來看，電子云的包圍削弱了積累起來的有效電荷，也削弱了它對遠處帶電粒子的庫侖力。這種現(xiàn)象在物理學中稱為靜電屏蔽，也叫做德拜屏蔽。經(jīng)過屏蔽后該正電荷德靜電勢場叫做屏蔽庫侖勢。 設待求的電勢分布為，則對空間任意一點的滿足泊松方程 式中，為正電荷中心周圍r處的空間電荷密度分布。是真空介

12、電常數(shù)。由于屏蔽作用的存在，應由r處的正負電荷密度之差決定 式中， ，分別為r處正負帶電粒子的數(shù)密度。本來，當?shù)入x子體中沒有空間電荷積累時，電子和離子時均勻分布的，并且。積累空間電荷后，就不在均勻分布了。假定質(zhì)量小的電子先達到熱平衡，且服從麥克斯韋分布，而質(zhì)量大的正離子則由于其慣性，在遠離正電荷中心處仍呈原來的致中性正電荷背景。即 式中，為電子在勢場中的勢能?？紤]到對等離子體來說，平均熱運動動能遠大于平均位能，即kT，故可把 當成小量而對玻爾茲曼因子作泰勒展開，并只取前兩項作二級近似。注意到q =-e, 得 則 代入泊松方程，得 （其中 ）將邊界條件：， ；， 代入 解得： 這就是所求的屏蔽庫

13、侖勢，由此可見，屏蔽庫侖勢等于真空庫侖勢乘上一個衰減因子，這表明等離子體中積累電荷q的電位分布將隨距該電荷距離r的增加而迅速下降，下降趨勢要比在真空中快的多。屏蔽庫侖勢的有效作用力程大致上可以用德拜半徑來表示。假定以為半徑，圍繞電荷中心作一球，一般稱為德拜球，那么在的德拜球內(nèi)，庫侖作用雖被電子云削弱了，但仍然存在。在的德拜球外，靜電勢場便減弱得可以忽略了。 德拜長度是描述等離子體空間特性的一個重要參量，它的物理意義如下：1.等離子體對作用于它的電勢具有屏蔽能力，即為靜電相互作用的屏蔽距離或曰屏蔽半徑。2. 德拜長度是等離子體中電中性條件成立的最小空間尺度。在距某個電荷中心的距離的范圍內(nèi)，存在著

14、該電荷產(chǎn)生的靜電勢場，因此就這個范圍來看，等離子體并不是電中性的，只是從的空間尺度來看，等離子體才是電中性的。也就是說，德拜長度是等離子體中因熱運動或其它擾動電荷分離的最大允許尺寸限度。3. 德拜長度還可以作為等離子體宏觀空間尺度的下限。德拜屏蔽要想得以實現(xiàn)，等離子體的空間尺度L就必須遠大于德拜半徑。這就是說，一個電離氣體若稱得上物質(zhì)第四態(tài)的等離子體，其存在的空間條件應為：L 。否則，它就不成其為等離子體，而仍屬于氣體。若將各常數(shù)值代入，可得下列兩種常用公式： (cm) (式中，的量綱為絕對溫度K，n cm-3) 或 （cm） （此式中，的量綱為電子伏特, n cm-3 ）3.1.2 等離子體

15、頻率（朗謬爾振蕩） 當?shù)入x子體由于熱運動漲落等原因出現(xiàn)電荷分離時，將產(chǎn)生強大的電場，因而使其具有恢復宏觀電中性的強烈趨勢。等離子體中最普遍，最快的集體運動是由電子運動引起的。假設只考慮一維方向運動。如右圖所示，設由于偶然的熱運動漲落，某一區(qū)域內(nèi)的電子忽然間都以相同的速度沿x方向移動，產(chǎn)生位移。假定在電子群移動之前，此區(qū)域內(nèi)的正負電荷正好完全抵消，則電子集體定向移動必然引起空間電荷分離。一方負電荷過剩，另一方便正電荷過剩。這將導致產(chǎn)生一個空間電場E。該電場的方向是要把電子拉回平衡位置，以恢復電中性。然而，由于運動的慣性，電子不可能停留在平衡位置，而是會沖過平衡位置。這樣一來，由引起了反方向的電荷

16、分離，產(chǎn)生反向電場E。當電子達到另一邊最大位移后，會再次被拉回，并由因慣性而沖過平衡位置。如此往復，電子于是再平衡位置附近來回作集體振蕩。就如同彈簧振子的簡諧振蕩似的。而離子則由于質(zhì)量遠大于電子，對于電場的交替變化來不及響應，以致可以認為是近似不動的，仍作為均勻的正電子本底。 電中性區(qū)E 這種電中性被破壞時產(chǎn)生的空間電荷振蕩現(xiàn)象首先被朗謬爾所發(fā)現(xiàn)，故叫做朗謬爾振蕩。即等離子體振蕩，它是等離子體的固有特征之一，總是要在等離子體各處互不相關(guān)地發(fā)生的。其振蕩頻率叫做等離子體振蕩頻率或朗謬爾頻率。 設等離子體的電子密度為ne，當偏離位移時，則面電荷密度為 nee 由此形成的面電荷電場為： 則電子在該電

17、場中所受的電場力為： 其運動方程為： （ 其中. ）此方程為一振動方程，若用pe表示電子振蕩頻率，用pi表示離子振蕩頻率，則有: , 由于mi 遠大于me ，所以pe遠大于pi，故一般即把等離子體中的電子振蕩頻率當作等離子體振蕩頻率。若將各常數(shù)值代入，即可得到兩種簡化的頻率公式： (弧度/秒) 或 （） 等離子體振蕩周期（即）的物理意義為：1.等離子體對于因熱運動等引起的漲落有阻止能力，即可看作是漲落引起的電子定向運動被阻止，并轉(zhuǎn)入等離子體振蕩這種固有運動模式所需的最短時 間?？勺鳛榈入x子體電中性條件成立的最小時間尺度。當任一個時間間隔時，由于等離子體振蕩總是存在著的，因而體系中任一處的正負電

18、荷總是分離的。同時建立起使帶電粒子作周期性振蕩的空間電場。只有時，可能產(chǎn)生的空間電荷和空間電場在這段大于振蕩周期的時間間隔內(nèi)，平均效應才都會歸于零。這時方可從時間尺度上把等離子體看成是宏觀電中性的。3.振蕩周期可看作是等離子體存在的時間尺寸下限。這就是說，作為等離子體，其存在時間必須足夠長，以便使大量帶電粒子有充分的相互作用時間，來消除由偶然發(fā)生的漲落所造成的影響。換句話說，只有當其存在的持續(xù)時間遠大于時，它才能成為具備自己特有性質(zhì)和行為的等離子體。反之，如果一個帶電粒子系的存在時間，則該體系的性質(zhì)將會依賴于所含粒子漲落造成的偶然狀態(tài)。那么便會是變化多端的，當然也就不可能具有等離子體應有的典型

19、性質(zhì)和運動規(guī)律。作業(yè)：一般情況下，等離子體中存在幾種基本粒子？試簡述這些基本粒子的主要特征。3.1.3 等離子體鞘層.1.概念. CBA熱擴散電流Ii (0)浸透電場加速電流I0空間電荷限制電流Ii (V)電極VBVp = 0NeNiNeNiNe = Ni離子鞘準中性等離子體負電位鞘界面等離子體界面等離子體Vf鞘厚d在放電的器壁、電極或探針附近，由于電子運動速度較大，它將先于離子到達器壁，因此器壁會帶負電。負電荷積累所產(chǎn)生的電場，將拒斥電子而吸引正離子，最后，電子和離子以相等的流密度沿同一方向擴散，使固體壁的電位數(shù)值不再改變。這樣就在緊靠器壁處形成一負電位的非中性薄層，把等離子體包圍了起來。這

20、一薄層稱為等離子體鞘層。 離子鞘模型及其電位分布低氣壓下離子鞘的簡單模型如上圖所示。設等離子體電位位VP，若把平板導體電極插入等離子體，并使其相對于等離子體具有負電位V，則只有離子電流流過電極。在這種情況下，導體電極旁將形成三個不同的區(qū)域。即圖中所示的等離子體區(qū)，準中性等離子體區(qū)和離子鞘區(qū)。在距電極較遠的地方，由于未受外電勢擾動，仍然保持等離子體。但從過C點的界面開始，導體電極電位Vf的影響顯露出來并越來越顯著，形成負電場。不過在這個區(qū)域里負電場還并不太強，故電子密度只減少很小一點。另一方面，離子也因被加速而有某種程度減少，因此仍然保持的狀態(tài)。通常把這一部分稱為準中性等離子體區(qū)。準中性區(qū)一直延

21、伸到過B點的界面處。在由B點開始靠近導體電極的區(qū)域中，電位梯度急劇增大，形成很強的負電場。受此強電場作用，大部分電子被排斥，變成遠小于，因而形成離子鞘。就電位而言，穩(wěn)定的離子鞘是在比等離子體電位VP稍稍負一點的地方來使產(chǎn)生的，其后鞘層隨負電位的增大而展寬。處于鞘界面上的B點電位由電子溫度決定，其值為 B的取值稱為離子鞘的生成條件，或曰離子鞘形成的Bohm判據(jù)。若導體電極的負電壓增加，離子鞘的厚度d也隨之逐漸增大，但相當于VB值的一部分往往“泄漏”到鞘外，由此產(chǎn)生的電場叫做滲透電場。2.浮置電位.在C點右方的等離子體區(qū)內(nèi)，離子是作隨機熱運動的，流經(jīng)等離子體界面的是熱擴散電流，但從過C點的界面開始

22、，將產(chǎn)生離子密度梯度。因此，這里的熱擴散電流比通常的平均熱運動電流要大一些。但因其數(shù)值與離子溫度，流入處的密度梯度以及擴散系數(shù)等多種因素有關(guān)，因而無法簡單計算。當進入準中性區(qū)后，由于受BC間滲透電場加速，離子電流急劇增大并通過B點處的鞘層界面進入鞘內(nèi)。假設在低氣壓下，離子與中性粒子在BC間的碰撞可以忽略，則流入鞘界面滲透點處加速電流（離子流）可如下求出：設鞘界面處的離子速度為，假如離子溫度比eVB值小因而可以不考慮，那么鞘層界面處的離子能量只取決于VB，則由 且 得 因此，流入鞘界面的離子電流應為 式中，表示過B點鞘界面處的離子密度，B-C間仍然保持準中性狀態(tài)，即。而可由電子遵從的麥克斯韋分布

23、求出： 得 電子電流同樣也可以求出，由單位時間、面積內(nèi)電子對器壁的碰撞次數(shù)N可得 S為鞘層界面的面積。當鞘層達到穩(wěn)態(tài)時，單位時間內(nèi)到達器壁的電子數(shù)目和離子數(shù)目相等，由， 得： （）對確定的等離子態(tài)物質(zhì)來說，浮置電位的大小只取決于電子的溫度而與其它參數(shù)無關(guān)，當電子溫度以電子伏特為單位時，浮置電位便可直接取電子溫度的lnK倍. 帶電粒子在電磁場中的運動1.只有磁場的情況（穩(wěn)定磁場） vvVBYX如圖所示，在t = 0 時，在x = 0, y = 0, z = 0處有一帶電粒子以初速度V進入穩(wěn)定磁場B中運動時，將受到洛侖茲力的作用: f = q (VB) 式中q為粒子所帶電量，V為粒子運動速度，則粒

24、子的運動方程為m (dVdt) q (VB) 式中m為電子質(zhì)量。若將粒子速度分解為平行分量v和垂直分量 v，則運動方程可改寫為： m (dvdt) = 0 (1) m (dvdt) = q (vB) (2)那么，由（1）式可知，v0，即粒子沿磁場方向的速度分量是一個常數(shù)。同時由（2）式可知，帶電粒子在平面內(nèi)受到洛侖茲力作用，且該力垂直于磁場B和垂直速度分量 v 。洛侖茲力只能在垂直于磁場B的平面內(nèi)改變帶電粒子的運動方向，而不能改變其速度的大小，即提供了帶電粒子作圓周運動的向心力。 由此可知，帶電粒子在穩(wěn)定磁場中的運動是由兩部分運動合成的，即在沿磁場方向作勻速運動的同時又環(huán)繞磁力線作勻速圓周運動，通常把這種運動稱為回旋運動或拉摩