等离子体实验

一、等离子体-物质第四态

如果给物质施加显著的高温或通过加速电子、加速离子等给物质加上能量，中性的物质就会被离解成电子、离子和自由基。不断地从外部施加能量，物质被离解成阴、阳荷电粒子的状态称为等离子体。将物质的状态按从低能到高能的顺序排列依次为固体、液体、气体,等离子体。

等离子体是宇宙中物质存在的一种状态,称为物质第四态.其中含有电子、离子、激发态粒子、亚稳态粒子、光子等,既有导电性又可用磁场控制,而且能为化学反应提供丰富的活性粒子,总体上是电中性的导电气体。自然界中，等离子体普遍存在，地球大气外层的电离层、太阳日冕、恒星内部、稀薄的星云和星际气体都存在等离子体，地球上自然存在的等离子体虽不多见，但在宇宙中却是物质存在的主要形式，估计宇宙中有99%以上的物质以等离子体的形式存在。

二、等离子体的产生

获得等离子体的方法和途径是多种多样的。通常把在电场作用下气体被击穿而导电的物理现象称之为气体放电，如此产生的电离气体叫做气体放电等离子体。人们对气体放电的研究己有相当长的一段历史，目前世界各国有很多研究者正从各个方面研究和发展气体放电。现代气体放电的研究大致可分为两个发展时期:第一个时期是1930年左右，人们从理论上集中对各种气体放电的性质进行了分析和研究，Langmuir首次提出等离子体(plasma)的概念[1] Tonks L, Langmuir I. Oscillations in ionized gases. Phys.Rev., 1929, 33

(2):195-210，即由电子、离子和中性原子组成的宏观上保持电中性的电离物质;第二个时期是1950年左右，人们对受控热核反应的研究。近年来，随着微电子、激光、材料的合成与改性等高新技术的发展，气体放电得到了越来越广泛的研究与应用。运用气体放电获得等离子体是一种直接、有效的方法。迄今为止，人们在实验室和生产实践中产生了各式各样的气体放电形式。按工作气压的不同，气体放电可分为低气压放电和高气压放电;按激励电场频率的不同，可分为直流放电、低频放电、高频放电和微波放电;按放电形式及形成机制可分为汤森放电、辉光放电、弧光放电、电晕放电和介质阻挡放电等。

在等离子体发展的不同阶段和从不同的研究角度，它的分类方法也不同，下面介绍按温度分类的等离子体[２]（见下表）

雷电、极光都可以产生等离子体.等离子体也可以由放电、燃烧、火焰、爆炸、激波等人工方法产生。除电离气体外，电解质溶液中自由运动的正、负离子也可称为液态等离子体；金属中固定在晶格中的正离子和自由运动的电子可称为固态等离子体。电离后的气体具有一系列不同于普通气体的特性。特别是在下列几方面：

（1）除了单个分子间的弹性碰撞之外，还发生大量的非弹性碰撞，它们使分子处于激发量子态，有时则引起分子的解离和电离。

（2）这些过程使得化学均匀的气体转变为分子、原子、正离子、负离子、电子、光子等不同粒子的气态混合物。

（3）等离子体包含有荷电粒子——电子和离子。正是通过这些粒子，电场和磁场能够作用与电离的气体：由于气体混合物是导电的，所以它能从电场或磁场接受能量或者把能量传给电磁场。因为在每一点处，正粒子和负粒子的浓度大体上是相等的，所以混合物作为整体来说是准中性的。

（4）如果荷电粒子的密度不是太小，那么气体的性质在很大程度上受它们的库仑相互作用的影响。库仑作用的特点是随着粒子间距离的增加，力的减少是比较慢的。因此，每个粒子同时作用于大量的其他粒子——理论上来说，作用于所有的粒子（“集体相互作用”）。离子的轨道不再像在理想气体中那样是直线了。

（5）虽然等离子体宏观上是电中性的，但是由于电子的热运动，等离子体局部会偏离电中性，电荷之间的库仑相互作用，使这种偏离电中性的范围不会无限扩大，最终使电中性得以恢复,偏离电中性的

区域最大尺度称为德拜长度。当系统尺度小于德拜长度时，系统呈电中性，当大于德拜长度时，系统可能出现非电中性。

低温等离子体是一种部分局部热力学平衡（P-LTE)等离子体，它的突出特点是电子温度高达数万度以上，而其中的中性粒子、离子的平动、转动温度一般却接近室温，这也是低温等离子体名称的由来。一方面其中的电子具有足够高的能量使反应物分子激发、离解和电离，产生电子、离子、激发态的原子和分子、自由基等，为反应提供大量活性成份；另一方面，整个反应体系又得以保持低温，这样降低了对设备的要求，节约了能源且实验条件也容易实现，应用范围更广，具有其它方法无一比拟的优越性，从而在微电子科学、环境科学、材料科、化学合成等领域具有越来越广泛的应用。

三、等离子体的应用

近年耒，随着科学技术的发展，等离子体的研究日益受到重视，等离子体物理己发展成为物理学的一个重要分支;作为高科技的各种等离子体技术，例如: 受控热核反应、空间技术、离子体物理（化学）气相沉积、等离子体表而改性、等离子体刻蚀、等离子体喷涂、等离子体电光源、等离子体隐身等等，己广泛应用于化学工业、材料工业、电子工业、能源、机械工业、国防工业、生物医学和环境保护等工业的各个领域，除了在传统的切割、焊接、照明、冶金、化工、磁流体发电、材料表面改性、镀膜、高功率CO2激光器等方面继续扩展其应用外，在计算机芯片制造、等离子体电视、聚合物膜材料、人工关节和动脉支架、高效节能灯具、净化饮用水、飞向行星、喷气发动机、

实现环境改善、纳米材料生产、特种材料和涂料等方面已经产生了极大的社会效益。由于应用广泛，等离子体科学与工程已成为一个高度跨学科的领域。

等离子体的另一重要应用是它为表面材料、半导体材料的生成和制备提供了良好的环境。等离子体表面处理是利用等离子体中产生的活性粒子（诸如带电粒子、紫外光子、单原子氧、臭气、氧化氮、中性亚稳态分子、氢氧基等原子基团）对表面材料进行改性。低温等离子体中存在着大量的、种类繁多的活性粒子，它们比通常的化学反应器所产生的活性粒子种类更多、活性更强、更易于和所接触的材料表面发生反应，因此被用来对材料表面进行处理。和传统的方法相比，等离子体表面处理具有显著的优点：更有效、成本低、无废弃物、无污染，有时可以得到传统的化学方法无法得到的处理效果。

金属表面氮化可大大提高金属材料表面的硬度和抗磨性，延长使用寿命。等离子体源离子注入技术是一种具有很好应用前景的新兴的材料处理手段，它以能非线性注入复杂表面材料且操作简单经济实惠而得到广泛认可，但对于复杂表面凹处的阴影问题，特别为长管例如枪炮管子、气缸、传输管道等内部等离子体不易扩散进入的工件内表面处理仍有许多问题不能解决。

栅极增强等离子体源离子注入技术，这种方法直接在管子内部产生等离子体，不仅成功地解决了长管内部等离子体分布不均问题，而且引入金属电极产生金属等离子体，实现内表面金属离子注入和沉积。脉冲高能量密度等离子体薄膜沉积技术是近年发展起来的较新的