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1、等离子体物理与应用目录（一）一）引言：等离子体基本概念与状态引言：等离子体基本概念与状态（二）（二）单粒子运动单粒子运动（三）等离子体中的反应（三）等离子体中的反应（四）低温等离子体的发生（四）低温等离子体的发生（五）等离子体诊断（五）等离子体诊断（六）低温等离子体与成膜（六）低温等离子体与成膜（七）等离子体（七）等离子体CVDCVD与等离子体聚合与等离子体聚合（八）低温等离子体表面改性（八）低温等离子体表面改性主要参考书籍：主要参考书籍：等离子体物理导论，刘万东，中国科学技术等离子体物理导论，刘万东，中国科学技术大学大学等离子体与成膜基础，小沼光晴，德国马普等离子体与成膜基础，小沼光晴，德国
2、马普固体研究所固体研究所(一)等离子体简介一.什么是等离子体二.等离子体学科三.实验室等离子体四.高温等离子体五.低温等离子体一.什么是等离子体1.1.物质第四态2.2.等离子体产生3.3.带电粒子在电磁场中的运动带电粒子在电磁场中的运动4.等离子体的准中性和表征参数5.5.平均自由程和碰撞频率6.6.等离子体鞘层7.7.等离子体的整体特性1.物质第四态在自然界，物质有四态：固态、液态、气态和等离子态。人们熟知：物质的固态、液态和气态 对等离子态则鲜为人知。人类对等离子体的认识开始于 19世纪30年代的气体放电研究。在20世纪初建立了等离子体概念：即由大量具有相互作用的带电粒子组成的宏观时空尺
3、度（大于德拜屏蔽半径）的体系。等离子体是由于载能电子碰撞中性原子变成离子的结果沙哈方程:实验也证明,只有当kT0.1eV时气体才有明显的电离复合0+e-1+e-等离子体产生的方法与电子的产生和加速密切联系在后面分别介绍2.等离子体产生3.带电粒子在电磁场中的运动正离子和电子组成的电中性的流体当空间尺度德拜半径就不能称为等离子体例如:电子束/离子束就不能称为等离子体粒子分布函数:密度(ne、ni、nn);电离度：ne/nn温度(Te、Ti)电子/离子的平均动能(1eV=12000c)等离子体能量:nkT,低密度/低温等离子体能量很低;等离子体电位:(Vp)4.等离子体的准中性和表征参数Colli
4、sion type Mean Free Path电子电子-电子电子 40 m电子电子-氩氩 (动量损失动量损失)50 cm电子电子-氩氩(电离电离)5 m电子电子-氩氩(二次电离二次电离)100 m氩氩-氩氩 2 cmFor 5 mtorr of argon(300K)with 5eV electrons平均自由程是粒子在经受一次碰撞之前所行走的平均距离5.平均自由程和碰撞频率6.等离子体鞘层等离子体鞘层一直是等离子体理论和实验的研究热点等离子体鞘层一直是等离子体理论和实验的研究热点高压鞘层瞬态鞘层瞬态鞘层7.等离子体的整体特性电阻和电导利用电阻进行欧姆加热等离子体中的扩散输运单极扩散:DkT
5、/m 电子比离子快得多双极扩散:电子离子共同的扩散二.等离子体学科 到到7070年代末，等离子体已年代末，等离子体已发展成为一门独立的分支学科，发展成为一门独立的分支学科，其研究对象为：其研究对象为：天体等离子体天体等离子体 近地电离层空间等离子体近地电离层空间等离子体 人工产生的实验室等离子体。人工产生的实验室等离子体。三.实验室等离子体 按其中带电粒子温度的相对高低，以及应按其中带电粒子温度的相对高低，以及应用目标用目标,可将实验室等离子体分为可将实验室等离子体分为:高温等离子体高温等离子体：温度温度T T在数十在数十eVeV(几十万度几十万度)以上以上 几乎完全电离几乎完全电离,氢弹和可
6、控核聚变；氢弹和可控核聚变；低温等离子体低温等离子体：温度温度T T在数十在数十eVeV(几十万度几十万度)以下以下 部分电离部分电离50%,50%,各种工业应用各种工业应用.四.高温等离子体 n n能源分为三大类能源分为三大类:化石能源化石能源 自然能源自然能源 核能核能 木材木材 水力 核裂变 煤炭煤炭 风力 核聚变 石油石油 太阳能n n核能的现状与发展核能的现状与发展:重核裂变重核裂变 轻核聚变 储量有限储量有限 储量充足 污染环境污染环境 污染小 不安全不安全 安全高温等离子体研究的主要目标氢弹氢弹-毁灭人类的最可怕的武器毁灭人类的最可怕的武器和平利用和平利用:高温等离子体条件下氘氚
7、核聚变反应高温等离子体条件下氘氚核聚变反应产生的巨大能量产生的巨大能量,可以解决人类未来的能源问题可以解决人类未来的能源问题 D+T=He+n+14.5eVD+T=He+n+14.5eV在海水D有极大的储量,1升海水300升汽油聚变能是人类清洁而又无限的理想新能源聚变电站示意图五.低温等离子体 低温等离子体的研究和应用目标极为广泛：低温等离子体的研究和应用目标极为广泛：利用低温等离子体条件下所具有的特殊的物理利用低温等离子体条件下所具有的特殊的物理和化学性质形成了一些新技术，在和化学性质形成了一些新技术，在材料、信息、材料、信息、能源、化工、冶金、机械、环保、军工、和航能源、化工、冶金、机械、
8、环保、军工、和航天天等领域表现出了突出的优势。等领域表现出了突出的优势。人们通常又把人们通常又把低温等离子体低温等离子体分成为：分成为：热等离子体热等离子体（平衡态等离子体（平衡态等离子体T Ti iTTe e）；）；冷等离子体冷等离子体（非平衡态等离子体（非平衡态等离子体T Ti iTTe e ）。）。1.热等离子体及其应用A.等离子体焊接与切割B.喷涂和表面改性C.等离子体合成与分解D.等离子体冶金和中间包加热E.等离子体炬燃烧废物开关电源焊接机；漏抗式电源空气等离子体切割机；大功率可控硅电源空气等离子体切割机；开关电源空气等离子体切割机；还可开发切割非金属材料的切割机。开关电源有广泛的推
9、广应用前景。A.等离子体焊接与切割B.等离子体喷涂和表面改性电弧、等离子炬喷涂：对金属表面：可用直接电弧等离子体喷涂；对金属表面，特别是非金属表面可用双电 极电弧等离子体喷涂。金属材料表面沾火非金属材料表面加工C.等离子体合成与分解n n合成粉、合成气、分解、化合D.等离子体冶金和中间包加热n n电弧炼钢、各种有色金属冶炼；n n保持连铸中间包恒温。E.等离子体炬燃烧废物n n工作温度可达5000OC以上，几乎所有的有毒气体和粉体在如此高温下都可以分解为无毒的物质，并达到排放标准；n n助燃燃煤锅炉，降低硫排放两倍以上；n n还可以应用来助燃煤火炬，提高焚烧城市垃圾的温度，降低排气污染。大气压
10、放电等离子体低气压放电等离子体2.冷等离子体及其应用A.大气压放电等离子体大气压放电等离子体的应用a.a.电晕放电空气净化、印刷制板、电晕放电空气净化、印刷制板、脱硫、脱硝脱硫、脱硝、尾气、尾气处理、生物应用；处理、生物应用；b.b.介质阻挡放电臭氧、消毒、种子处理介质阻挡放电臭氧、消毒、种子处理;c.c.辉光放电纺织、有机物表面处理；辉光放电纺织、有机物表面处理；d.d.多项介质放电多项介质放电水处理、化工应用水处理、化工应用e.e.刻蚀和制备薄膜。刻蚀和制备薄膜。刻蚀刻蚀-已经应用已经应用 镀膜镀膜-正在开始正在开始a.等离子体光源和显示b.等离子体表面处理c.等离子体刻蚀加工d.等离子体
11、离子源e.等离子体制备薄膜材料B.低气压放电等离子体的应用a.等离子体光源和显示n n有极灯：荧光灯、纳灯、卤数灯，已广泛应用。有极灯：荧光灯、纳灯、卤数灯，已广泛应用。n n无极灯：射频灯、微波灯；发热量小、电效率无极灯：射频灯、微波灯；发热量小、电效率高、使用寿命长，可开发成系列产品。高、使用寿命长，可开发成系列产品。n n紫外光源：消毒灭菌；照射二氧化钛，进行有紫外光源：消毒灭菌；照射二氧化钛，进行有机污水处理；光聚合反应（印刷业）。机污水处理；光聚合反应（印刷业）。n n等离子体显示电视机。等离子体显示电视机。b.等离子体表面处理n n金属表面氮化金属表面氮化n n有机材料表面侵水性处
12、理有机材料表面侵水性处理n n等离子体纺织印染整理设备等离子体纺织印染整理设备C.等离子体刻蚀加工n n微电子芯片的刻蚀加工微电子芯片的刻蚀加工 微米、亚微米、深亚微米、纳米；微米、亚微米、深亚微米、纳米；n n微机械加工；微机械加工；n n光学镜面的刻蚀加工。光学镜面的刻蚀加工。D.等离子体离子源n n聚变研究中的中性束加热技术n n离子束技术在生物工程中的应用n n离子束辅助沉积薄膜技术n n离子束技术简介n n其他应用E.等离子体制备薄膜材料n n等离子体制备薄膜材料是冷等离子体应用最活跃的领域；n n已经形成产业或正在形成的产业项目包括两方面：uu等离子体制备薄膜方法和设备；uu薄膜材
13、料研究和产业。研究等离子体的主要单位n n高温等离子体所、西南物理研究院、高温等离子体所、西南物理研究院、清华工物系、物理所、科大清华工物系、物理所、科大n n低温等离子体所、西南物理研究院、力学所、低温等离子体所、西南物理研究院、力学所、物理所、科大、清华、大连理工、电子科技大物理所、科大、清华、大连理工、电子科技大学、东南大学、七学、东南大学、七0 0一一uu东华大学、北京印刷学院、苏大、复旦、华东华大学、北京印刷学院、苏大、复旦、华中科技大、武汉工程大学、华南师大、河北中科技大、武汉工程大学、华南师大、河北大学、西北师大、大学、西北师大、uu9 9院、院、2121所、国防科大所、国防科大