等離子體物理與應(yīng)用等離子體物理與應(yīng)用1目錄（一）引言：等離子體基本概念與狀態(tài)（二）單粒子運(yùn)動(dòng)（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目錄2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主要參考書籍：3(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(shí)驗(yàn)室等離子體四.高溫等離子體五.低溫等離子體(一)等離子體簡介一.什么是等離子體4一.什么是等離子體物質(zhì)第四態(tài)等離子體產(chǎn)生帶電粒子在電磁場中的運(yùn)動(dòng)等離子體的準(zhǔn)中性和表征參數(shù)平均自由程和碰撞頻率等離子體鞘層等離子體的整體特性一.什么是等離子體物質(zhì)第四態(tài)51.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(duì)等離子態(tài)則鮮為人知。人類對(duì)等離子體的認(rèn)識(shí)開始于19世紀(jì)30年代的氣體放電研究。在20世紀(jì)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(shí)空尺度（大于德拜屏蔽半徑）的體系。1.物質(zhì)第四態(tài)在自然界，物質(zhì)有四態(tài)：6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(shí)驗(yàn)也證明,只有當(dāng)kT>0.1eV時(shí)氣體才有明顯的電離復(fù)合0+e-1+e-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0+e-1+73.帶電粒子在電磁場中的運(yùn)動(dòng)3.帶電粒子在電磁場中的運(yùn)動(dòng)8等離子體物理及其應(yīng)用課件9正離子和電子組成的電中性的流體當(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(dòng)能

(1eV=12000°c)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(zhǔn)中性和表征參數(shù)正離子和電子組成的粒子分布函數(shù):4.等離子體的準(zhǔn)中性和表征10CollisiontypeMeanFreePath電子-電子40m電子-氬(動(dòng)量損失)50cm電子-氬(電離)5m電子-氬(二次電離)100m氬-氬2cmFor5mtorrofargon(~300K)with5eVelectrons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CollisiontypeMeanFre116.等離子體鞘層等離子體鞘層一直是等離子體理論和實(shí)驗(yàn)的研究熱點(diǎn)6.等離子體鞘層等離子體鞘層一直是等離子體理論和實(shí)驗(yàn)的研究12高壓鞘層瞬態(tài)鞘層高壓鞘層瞬態(tài)鞘層137.等離子體的整體特性電阻和電導(dǎo)利用電阻進(jìn)行歐姆加熱等離子體中的擴(kuò)散輸運(yùn)單極擴(kuò)散:D~kT/m電子比離子快得多雙極擴(kuò)散:電子離子共同的擴(kuò)散7.等離子體的整體特性電阻和電導(dǎo)等離子體中的擴(kuò)散輸運(yùn)14二.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(dú)立的分支學(xué)科，其研究對(duì)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(shí)驗(yàn)室等離子體。二.等離子體學(xué)科到70年代末，等離子體已15三.實(shí)驗(yàn)室等離子體

按其中帶電粒子溫度的相對(duì)高低，以及應(yīng)用目標(biāo),可將實(shí)驗(yàn)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.三.實(shí)驗(yàn)室等離子體按其中帶電粒子溫度的相對(duì)高低16四.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(chǔ)量有限儲(chǔ)量充足污染環(huán)境污染小不安全安全四.高溫等離子體能源分為三大類:17高溫等離子體研究的主要目標(biāo)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(chǔ)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高溫等離子體研究的主要目標(biāo)氫彈-毀滅人類的最可怕的武器18聚變電站示意圖聚變電站示意圖19五.低溫等離子體

低溫等離子體的研究和應(yīng)用目標(biāo)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)性質(zhì)形成了一些新技術(shù)，在材料、信息、能源、化工、冶金、機(jī)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Ti~Te）；冷等離子體（非平衡態(tài)等離子體Ti<<Te）。五.低溫等離子體低溫等離子體的研究和應(yīng)用目標(biāo)極為廣泛：201.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1.熱等離子體及其應(yīng)用A.等離子體焊接與切割21開關(guān)電源焊接機(jī)；漏抗式電源空氣等離子體切割機(jī)；大功率可控硅電源空氣等離子體切割機(jī)；開關(guān)電源空氣等離子體切割機(jī)；還可開發(fā)切割非金屬材料的切割機(jī)。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開關(guān)電源焊接機(jī)；A.等離子體焊接與切割22B.等離子體噴涂和表面改性電弧、等離子炬噴涂：對(duì)金屬表面：可用直接電弧等離子體噴涂；對(duì)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B.等離子體噴涂和表面改性電弧、等離子炬噴涂：23C.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。C.等離子體合成與分解合成粉、合成氣、分解、化合D.等離24E.等離子體炬燃燒廢物工作溫度可達(dá)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(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)；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。E.等離子體炬燃燒廢物工作溫度可達(dá)5000OC以上，幾乎所25大氣壓放電等離子體低氣壓放電等離子體2.冷等離子體及其應(yīng)用大氣壓放電等離子體2.冷等離子體及其應(yīng)用26A.大氣壓放電等離子體A.大氣壓放電等離子體27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(jī)物表面處理；多項(xiàng)介質(zhì)放電－水處理、化工應(yīng)用刻蝕和制備薄膜?？涛g-已經(jīng)應(yīng)用

鍍膜-正在開始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、28a.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B.低氣壓放電等離子體的應(yīng)用29a.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：消毒滅菌；照射二氧化鈦，進(jìn)行有機(jī)污水處理；光聚合反應(yīng)（印刷業(yè)）。等離子體顯示電視機(jī)。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30b.等離子體表面處理金屬表面氮化有機(jī)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(jī)械加工；光學(xué)鏡面的刻蝕加工。b.等離子體表面處理C.等離子體刻蝕加工31D.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D.等離子體離子源聚變研究中的中性束加熱技術(shù)32E.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(xiàng)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)。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)33研究等離子體的主要單位高溫－等離子體所、西南物理研究院、清華工物系、物理所、科大低溫－等離子體所、西南物理研究院、力學(xué)所、物理所、科大、清華、大連理工、電子科技大學(xué)、東南大學(xué)、七0一東華大學(xué)、北京印刷學(xué)院、蘇大、復(fù)旦、華中科技大、武漢工程大學(xué)、華南師大、河北大學(xué)、西北師大、9院、21所、國防科大研究等離子體的主要單位高溫－等離子體所、西南物理研究院、34等離子體物理與應(yīng)用等離子體物理與應(yīng)用35目錄（一）引言：等離子體基本概念與狀態(tài)（二）單粒子運(yùn)動(dòng)（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目錄36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主要參考書籍：37(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(shí)驗(yàn)室等離子體四.高溫等離子體五.低溫等離子體(一)等離子體簡介一.什么是等離子體38一.什么是等離子體物質(zhì)第四態(tài)等離子體產(chǎn)生帶電粒子在電磁場中的運(yùn)動(dòng)等離子體的準(zhǔn)中性和表征參數(shù)平均自由程和碰撞頻率等離子體鞘層等離子體的整體特性一.什么是等離子體物質(zhì)第四態(tài)391.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(duì)等離子態(tài)則鮮為人知。人類對(duì)等離子體的認(rèn)識(shí)開始于19世紀(jì)30年代的氣體放電研究。在20世紀(jì)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(shí)空尺度（大于德拜屏蔽半徑）的體系。1.物質(zhì)第四態(tài)在自然界，物質(zhì)有四態(tài)：40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(shí)驗(yàn)也證明,只有當(dāng)kT>0.1eV時(shí)氣體才有明顯的電離復(fù)合0+e-1+e-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0+e-1+413.帶電粒子在電磁場中的運(yùn)動(dòng)3.帶電粒子在電磁場中的運(yùn)動(dòng)42等離子體物理及其應(yīng)用課件43正離子和電子組成的電中性的流體當(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(dòng)能

(1eV=12000°c)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(zhǔn)中性和表征參數(shù)正離子和電子組成的粒子分布函數(shù):4.等離子體的準(zhǔn)中性和表征44CollisiontypeMeanFreePath電子-電子40m電子-氬(動(dòng)量損失)50cm電子-氬(電離)5m電子-氬(二次電離)100m氬-氬2cmFor5mtorrofargon(~300K)with5eVelectrons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CollisiontypeMeanFre456.等離子體鞘層等離子體鞘層一直是等離子體理論和實(shí)驗(yàn)的研究熱點(diǎn)6.等離子體鞘層等離子體鞘層一直是等離子體理論和實(shí)驗(yàn)的研究46高壓鞘層瞬態(tài)鞘層高壓鞘層瞬態(tài)鞘層477.等離子體的整體特性電阻和電導(dǎo)利用電阻進(jìn)行歐姆加熱等離子體中的擴(kuò)散輸運(yùn)單極擴(kuò)散:D~kT/m電子比離子快得多雙極擴(kuò)散:電子離子共同的擴(kuò)散7.等離子體的整體特性電阻和電導(dǎo)等離子體中的擴(kuò)散輸運(yùn)48二.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(dú)立的分支學(xué)科，其研究對(duì)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(shí)驗(yàn)室等離子體。二.等離子體學(xué)科到70年代末，等離子體已49三.實(shí)驗(yàn)室等離子體

按其中帶電粒子溫度的相對(duì)高低，以及應(yīng)用目標(biāo),可將實(shí)驗(yàn)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.三.實(shí)驗(yàn)室等離子體按其中帶電粒子溫度的相對(duì)高低50四.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(chǔ)量有限儲(chǔ)量充足污染環(huán)境污染小不安全安全四.高溫等離子體能源分為三大類:51高溫等離子體研究的主要目標(biāo)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(chǔ)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高溫等離子體研究的主要目標(biāo)氫彈-毀滅人類的最可怕的武器52聚變電站示意圖聚變電站示意圖53五.低溫等離子體

低溫等離子體的研究和應(yīng)用目標(biāo)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)性質(zhì)形成了一些新技術(shù)，在材料、信息、能源、化工、冶金、機(jī)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Ti~Te）；冷等離子體（非平衡態(tài)等離子體Ti<<Te）。五.低溫等離子體低溫等離子體的研究和應(yīng)用目標(biāo)極為廣泛：541.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1.熱等離子體及其應(yīng)用A.等離子體焊接與切割55開關(guān)電源焊接機(jī)；漏抗式電源空氣等離子體切割機(jī)；大功率可控硅電源空氣等離子體切割機(jī)；開關(guān)電源空氣等離子體切割機(jī)；還可開發(fā)切割非金屬材料的切割機(jī)。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開關(guān)電源焊接機(jī)；A.等離子體焊接與切割56B.等離子體噴涂和表面改性電弧、等離子炬噴涂：對(duì)金屬表面：可用直接電弧等離子體噴涂；對(duì)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B.等離子體噴涂和表面改性電弧、等離子炬噴涂：57C.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。C.等離子體合成與分解合成粉、合成氣、分解、化合D.等離58E.等離子體炬燃燒廢物工作溫度可達(dá)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(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)；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。E.等離子體炬燃燒廢物工作溫度可達(dá)5000OC以上，幾乎所59大氣壓放電等離子體低氣壓放電等離子體2.冷等離子體及其應(yīng)用大氣壓放電等離子體2.冷等離子體及其應(yīng)用60A.大氣壓放電等離子體A.大氣壓放電等離子體61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(jī)物表面處理；多項(xiàng)介質(zhì)放電－水處理、化工應(yīng)用刻蝕和制備薄膜。