等離子體物理及其應(yīng)用

1、等離子體物理與應(yīng)用,目錄,（一）引言：等離子體基本概念與狀態(tài) （二）單粒子運動 （三）等離子體中的反應(yīng) （四）低溫等離子體的發(fā)生 （五）等離子體診斷 （六）低溫等離子體與成膜 （七）等離子體CVD與等離子體聚合 （八）低溫等離子體表面改性,主要參考書籍： 等離子體物理導(dǎo)論，劉萬東，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 等離子體與成膜基礎(chǔ)，小沼光晴，德國馬普固體研究所,(一)等離子體簡介,一. 什么是等離子體 二. 等離子體學(xué)科 三. 實驗室等離子體 四. 高溫等離子體 五. 低溫等離子體,一. 什么是等離子體,物質(zhì)第四態(tài) 等離子體產(chǎn)生 帶電粒子在電磁場中的運動 等離子體的準中性和表征參數(shù) 平均自由程和碰撞頻率 等

2、離子體鞘層 等離子體的整體特性,1. 物質(zhì)第四態(tài),在自然界，物質(zhì)有四態(tài)： 固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)和等離子態(tài)。 人們熟知：物質(zhì)的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài) 對等離子態(tài)則鮮為人知。 人類對等離子體的認識開始于 19世紀30年代的氣體放電研究。 在20世紀初建立了等離子體概念： 即由大量具有相互作用的帶電粒子組成的宏觀時空尺度（大于德拜屏蔽半徑）的體系。,等離子體是由于載能電子碰撞中性原子變成離子的結(jié)果 沙哈方程: 實驗也證明,只有當(dāng)kT0.1eV時氣體才有明顯的電離 復(fù)合,0+,1+,等離子體產(chǎn)生的方法與電子的產(chǎn)生和加速密切聯(lián)系 在后面分別介紹,2. 等離子體產(chǎn)生,3.帶電粒子在電磁場中的運動,正離子和電子組成的

3、 電中性的流體 當(dāng)空間尺度德拜半徑 就不能稱為等離子體 例如:電子束/離子束 就不能稱為等離子體,粒子分布函數(shù): 密度 (ne 、ni 、nn );電離度： ne / nn 溫度 (Te 、Ti )電子/離子的平均動能 (1eV = 12000c) 等離子體能量:nkT,低密度/低溫等離子體能量很低; 等離子體電位: (Vp ),4. 等離子體的準中性和表征參數(shù),For 5 mtorr of argon (300K) with 5eV electrons,平均自由程是粒子在經(jīng)受一次碰撞之前所行走的平均距離,5. 平均自由程和碰撞頻率,6. 等離子體鞘層,等離子體鞘層一直是等離子體理論和實驗的研

4、究熱點,高壓鞘層,瞬態(tài)鞘層,7. 等離子體的整體特性,電阻和電導(dǎo) 利用電阻進行歐姆加熱,等離子體中的擴散輸運 單極擴散: DkT/m 電子比離子快得多 雙極擴散: 電子離子共同的擴散,二. 等離子體學(xué)科,到70年代末，等離子體已 發(fā)展成為一門獨立的分支學(xué)科， 其研究對象為： 天體等離子體 近地電離層空間等離子體 人工產(chǎn)生的實驗室等離子體。,三. 實驗室等離子體,按其中帶電粒子溫度的相對高低，以及應(yīng)用目標,可將實驗室等離子體分為: 高溫等離子體：溫度T在數(shù)十eV(幾十萬度)以上 幾乎完全電離,氫彈和可控核聚變； 低溫等離子體：溫度T在數(shù)十eV(幾十萬度)以下 部分電離50%,各種工業(yè)應(yīng)用.,四.

5、 高溫等離子體,能源分為三大類: 化石能源 自然能源 核能 木材 水力 核裂變 煤炭 風(fēng)力 核聚變 石油 太陽能 核能的現(xiàn)狀與發(fā)展: 重核裂變 輕核聚變 儲量有限 儲量充足 污染環(huán)境 污染小 不安全 安全,高溫等離子體研究的主要目標,氫彈-毀滅人類的最可怕的武器 和平利用:高溫等離子體條件下氘氚核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的巨大能量,可以解決人類未來的能源問題 D + T = He + n +14.5eV 在海水D有極大的儲量,1升海水300升汽油 聚變能是人類清潔而又無限的理想新能源,聚變電站示意圖,五. 低溫等離子體,低溫等離子體的研究和應(yīng)用目標極為廣泛： 利用低溫等離子體條件下所具有的特殊的物理和化學(xué)

6、性質(zhì)形成了一些新技術(shù)，在材料、信息、能源、化工、冶金、機械、環(huán)保、軍工、和航天等領(lǐng)域表現(xiàn)出了突出的優(yōu)勢。 人們通常又把低溫等離子體分成為： 熱等離子體（平衡態(tài)等離子體TiTe）； 冷等離子體（非平衡態(tài)等離子體TiTe ）。,1. 熱等離子體及其應(yīng)用,A. 等離子體焊接與切割 B. 噴涂和表面改性 C. 等離子體合成與分解 D. 等離子體冶金和中間包加熱 E. 等離子體炬燃燒廢物,開關(guān)電源焊接機； 漏抗式電源空氣等離子體切割機； 大功率可控硅電源空氣等離子體切割機； 開關(guān)電源空氣等離子體切割機； 還可開發(fā)切割非金屬材料的切割機。 開關(guān)電源有廣泛的推廣應(yīng)用前景。,A. 等離子體焊接與切割,B. 等

7、離子體噴涂和表面改性,電弧、等離子炬噴涂： 對金屬表面：可用直接電弧等離子體噴涂； 對金屬表面，特別是非金屬表面可用雙電 極電弧等離子體噴涂。 金屬材料表面沾火 非金屬材料表面加工,C. 等離子體合成與分解,合成粉、合成氣、分解、化合,D. 等離子體冶金和中間包加熱,電弧煉鋼、各種有色金屬冶煉； 保持連鑄中間包恒溫。,E. 等離子體炬燃燒廢物,工作溫度可達5000OC以上，幾乎所有的有毒氣體和粉體在如此高溫下都可以分解為無毒的物質(zhì)，并達到排放標準； 助燃燃煤鍋爐，降低硫排放兩倍以上； 還可以應(yīng)用來助燃煤火炬，提高焚燒城市垃圾的溫度，降低排氣污染。,大氣壓放電等離子體 低氣壓放電等離子體,2.

8、冷等離子體及其應(yīng)用,A. 大氣壓放電等離子體,大氣壓放電等離子體的應(yīng)用,電暈放電空氣凈化、印刷制板、脫硫、脫硝、尾氣處理、生物應(yīng)用； 介質(zhì)阻擋放電臭氧、消毒、種子處理; 輝光放電紡織、有機物表面處理； 多項介質(zhì)放電水處理、化工應(yīng)用 刻蝕和制備薄膜。 刻蝕-已經(jīng)應(yīng)用 鍍膜-正在開始,a. 等離子體光源和顯示 b. 等離子體表面處理 c. 等離子體刻蝕加工 d. 等離子體離子源 e. 等離子體制備薄膜材料,B. 低氣壓放電等離子體的應(yīng)用,a. 等離子體光源和顯示,有極燈：熒光燈、納燈、鹵數(shù)燈，已廣泛應(yīng)用。 無極燈：射頻燈、微波燈；發(fā)熱量小、電效率高、使用壽命長，可開發(fā)成系列產(chǎn)品。 紫外光源：消毒滅

9、菌；照射二氧化鈦，進行有機污水處理；光聚合反應(yīng)（印刷業(yè)）。 等離子體顯示電視機。,b. 等離子體表面處理,金屬表面氮化 有機材料表面侵水性處理 等離子體紡織印染整理設(shè)備,C. 等離子體刻蝕加工,微電子芯片的刻蝕加工 微米、亞微米、深亞微米、納米； 微機械加工； 光學(xué)鏡面的刻蝕加工。,D. 等離子體離子源,聚變研究中的中性束加熱技術(shù) 離子束技術(shù)在生物工程中的應(yīng)用 離子束輔助沉積薄膜技術(shù) 離子束技術(shù)簡介 其他應(yīng)用,E. 等離子體制備薄膜材料,等離子體制備薄膜材料是冷等離子體應(yīng)用最活躍的領(lǐng)域； 已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)或正在形成的產(chǎn)業(yè)項目包括兩方面： 等離子體制備薄膜方法和設(shè)備； 薄膜材料研究和產(chǎn)業(yè)。,研究等離子體的主要單