等離子體化工導論講義第一部分

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)手段的的新興科學領域之一。要科學與工程。例如：先進的等離子體刻蝕設備已成為21世紀目標為0.1μm線等離子體實現(xiàn)煤的潔凈和生產(chǎn)多種化工原料的煤化工新技術(shù)正在發(fā)展。可以說，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。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：學習方法：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)。組成的體系，是物質(zhì)的第四態(tài)。能。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能。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。neniα=ne/(ng+ne)單位體積中的電子云密度與原來氣體密度的比gi……Tp述：熱等離子體：中性氣體溫度等于電子溫度；冷等離子體：Te≥Ti,Tg子體是熱等離子體還是冷等離子體。體近似特征。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)服式中m（kg）為被統(tǒng)計粒子的質(zhì)量，k=1.38X10-23J/K為玻爾茲曼常數(shù)，T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注：分布函數(shù)的意義：2、若在某一瞬間把整個系統(tǒng)的粒子速度固定，那么處于v~dv區(qū)間內(nèi)粒子的數(shù)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。注：xne-nf(n)nf(n)012λ2 4π-\λ3312λ2438π λ5π51λ3Nf(v)dv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。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x粒子在任意兩次連續(xù)碰撞之間通過的路程稱為粒子的自由程，用λ表示。由粒子的平均自由程，用λA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λ--λ+dλ的粒子數(shù)有多少、自由程大于某一給定長度λ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。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。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)：b.用速率分布函數(shù)計算粒子的平均速率.新的規(guī)律。準電中性。3.1.2德拜屏蔽若由于某種擾動在等離子體內(nèi)某處出現(xiàn)了電勢。于屏蔽作用的存在，p(r)應由r處的正負電荷密度之差決定ii式中，Ve(r)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＞＞eφ,故可把eφkT當成小量而有效作用力程大致上可以用德拜半徑λD來表示。假定以λD為半徑，圍繞電荷中心作一球，一般稱為德拜球，那么在λ<λD的德拜球內(nèi)，庫侖作用雖被電子云削弱了，但仍然存在。在λ>λD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，λD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λ<λD的范圍內(nèi)，存在著該電荷產(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λ>λD的空間尺度來看，等離子體才是電中許尺寸限度。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：2此式中，Tev的量綱為電子伏特,n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，運動漲落，某一區(qū)域內(nèi)的電子忽然間都以相同的動之前，此區(qū)域內(nèi)的正負電荷正好完全抵消，則樣一來，由引起了反方向的電荷分離，產(chǎn)生反向E本底。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。由此形成的面電荷電場為：εIεI2此方程為一振動方程，若用ωpe表示電子振蕩頻率，用ωpi表示離子振蕩頻率，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：p3（s-1）等離子體振蕩周期τp（即p-1）的物理意義為：間。2.振蕩周期τp可作為等離子體電中性條件成立間間隔τ<τp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。除由偶然發(fā)生的漲落所造成的影響。換句話說，只有當其存在的持于τp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，如果一個帶和運動規(guī)律。特征。來。這一薄層稱為等離子體鞘層。鞘界面等離子體界面鞘界面等離子體界面電/極//電/極//準中性Ne≈Ni電電位離子體區(qū)，準中性等離子體區(qū)和離子鞘區(qū)。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，分稱為準中性等離子體區(qū)。準中性區(qū)一直延伸到過B點的界面處。在由B點開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，其后鞘層隨即穩(wěn)定離子鞘是在電位相當于電子溫度一半的界面處開始形子鞘的厚度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。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)等離子體界面這里的熱擴散電流Ii(0)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。可以忽略，則流入鞘界面滲透點處加速電流I0（離子流）可如下求出：因此，流入鞘界面的離子電流I0應為I0iiee得I子數(shù)目相等，由I0＝Ie，對確定的等離子態(tài)物質(zhì)來說，浮置電位Vf的大小只取決于電子的溫度Te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BVv□Vαv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(dv□/dt)=0(1)m(dv□/dt)=q(v□×B)(2)那么，由（1）式可知，v□=0，即粒子沿磁場方向的速度分量是一個常數(shù)。同運動方向，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。旋運動或拉摩運動，而把粒子回旋中心的軌跡叫做引導中心。速度為：dv□/dt=v□2／rc得rc=mv□/qBωC=v□/rc子的回旋半徑