4等离子体基础
等离子体物理：等离子体产生与性质
电离的粒子质量计算成分
点是受仪器性能和测量条件限制
• 探针诊断法：通过测量等离子体中探
• 探针诊断法：优点是测量精度高，缺
针的电压信号计算成分
点是受探针位置和形状影响
04
等离子体的稳定性与输运
性质
等离子体的稳定性及其影响因素
影响因素
• 电离程度：电离程度越高，等离子体越稳定
• 温度：温度越高，等离子体越稳定
激光诱导击穿法产生等离子体
01
02
激光诱导击穿法
应用
• 通过激光束聚焦在材料表面，产
• 等离子体加工：利用激光诱导击
生高温高压区，使材料电离
穿法产生等离子体
• 等离子体光谱分析：利用激光诱
温度高，能量密度大，可控性好
导击穿法产生的等离子体进行光谱分
析
化学放电法产生等离子体
影响因素
• 电离程度：电离程度越高，等离子体的电导率越高
• 温度：温度越高，等离子体的热导率越高
• 压力：压力越高，等离子体的扩散系数越低
等离子体与壁面的相互作用
01
相互作用
• 指等离子体与容器壁、电极等固体物表
面的相互作用
• 相互作用包括吸附、溅射和气体分子的
再结合等过程
02
影响
• 等离子体的能量损失：与壁面相互作用
等离子体密度的测量方法
测量方法
优缺点
• 吸收光谱法：通过测量等离子体对光
• 吸收光谱法：优点是测量精度高，缺
的吸收程度计算密度
点是受光谱仪分辨率限制
• 激光干涉法：通过测量等离子体的折
• 激光干涉法：优点是测量速度快，缺
射率变化计算密度
点是受激光源和探测器性能限制
等离子体物理基础
等离子体物理基础引言等离子体是一种由电子和离子组成的高度电离的气体态物质。
它在自然界中广泛存在，如太阳、闪电等，也可人工产生，如等离子体显示器、核聚变等。
本文将介绍等离子体的基本概念、性质和应用。
一、等离子体的基本概念等离子体是由气体在高温或高能量激发下电离而形成的。
在等离子体中，气体原子或分子中的电子被剥离，形成自由电子和正离子，从而使等离子体具有整体的电中性。
等离子体的电磁性质和输运性质与普通气体有很大的差异，因为等离子体中电子和离子的行为受到电磁场的影响。
二、等离子体的性质1. 电导性：等离子体具有良好的电导性，因为自由电子和正离子的存在使得电荷能够在等离子体中自由传导。
这也是等离子体广泛应用于电子器件和电磁场控制的原因之一。
2. 等离子体的辐射：等离子体在高能量激发下会释放能量并辐射出光线。
这种辐射现象被广泛应用于等离子体显示器、激光器等领域。
3. 等离子体的热力学性质：由于等离子体的高度电离特性，其热力学性质与普通气体有所不同。
等离子体的温度定义也与普通气体不同，常用电子温度和离子温度来描述等离子体的热力学状态。
三、等离子体的应用1. 等离子体显示器：等离子体显示器利用等离子体在电场作用下发射出的光来显示图像。
由于等离子体显示器具有高亮度和快速响应的特点，被广泛应用于电视、电子游戏等领域。
2. 核聚变：等离子体在高温和高压条件下能够实现核聚变反应，这是太阳和恒星等天体能源的来源。
人们通过研究等离子体物理，试图在地球上实现核聚变技术，以解决能源危机问题。
3. 等离子体医学应用：等离子体在医学领域也有广泛应用，如等离子体刀用于手术切割和止血，等离子体杀菌用于消毒和灭菌等。
结论等离子体物理是一个复杂而有趣的研究领域，涉及到物质的高度电离状态和与电磁场的相互作用。
等离子体在许多领域都有重要的应用，包括电子器件、能源研究和医学领域。
深入研究等离子体物理，对于推动科学技术的发展和解决实际问题具有重要意义。
等离子发光球原理
等离子发光球原理《等离子发光球原理》1. 引言嘿，你有没有见过那种超级酷炫的等离子发光球呢？就是一摸它，里面的光线就会跟着你的手跑的那种神奇玩意儿。
今天呀，咱们就来一起探索等离子发光球背后的原理，让你把这个看似神秘的东西搞得明明白白的。
在这篇文章里呢，我们会先讲讲它的基本概念和理论背景，再深入分析它的运行机制，然后看看它在生活和高级领域的应用，还会聊聊大家对它的常见误解，以及一些相关的趣味知识，最后再做个总结和对未来的展望。
2. 核心原理2.1基本概念与理论背景等离子体呢，说白了就是物质的第四种状态。
咱们都知道物质有固态、液态和气态这三种常见状态吧。
当物质被加热到很高的温度或者受到很强的电场作用的时候，原子就会被电离，也就是电子会从原子中跑出来，这样就形成了等离子体。
等离子体这个概念最早可以追溯到19世纪，科学家们在研究气体放电现象的时候发现了这种特殊的物质状态。
随着科学技术的不断发展，人们对等离子体的认识也越来越深入。
等离子发光球里的等离子体就是利用了气体放电的原理来产生的。
这里面的气体一般是像氖气、氩气之类的惰性气体，这些气体比较稳定，但是在一定的条件下也能被电离。
2.2运行机制与过程分析想象一下，等离子发光球就像一个小小的舞台。
首先呢，在这个发光球里面有一个中心电极，周围充满了刚才说的那些惰性气体。
当我们给这个电极加上高电压的时候，就像是在舞台上打开了一盏超级亮的聚光灯。
这个高电压会让气体分子里的电子获得足够的能量，就好像是给这些电子打了一针“强心剂”。
这些被激发的电子就会从原子中跑出来，这个时候原子就被电离了，形成了等离子体。
这就好比一群原本排着整齐队伍的士兵（原子），突然有一些士兵（电子）脱离了队伍，开始自由活动了。
这些自由的电子在电场的作用下会加速运动，当它们和其他原子或者离子碰撞的时候呢，就会把自己的能量传递出去。
其中一部分能量就会以光的形式释放出来，就像舞台上的演员开始表演，发出耀眼的光芒。
3-chap-2等离子体导论之四
Max( ee , p en
则中性粒子的作用可以忽略，体系处于等离子 体状态。 有大量中性粒子存在的情况往往是低温等离子 体，通常我们可以用库仑碰撞频率来估计。带 电粒子之间的库仑碰撞截面很大，在常规情况 下，当电离度为0.1％时，实际上就可以忽略中 性粒子的作用。 当电离度更小时，电离气体仍然具备一些等离 子体的性质，但需要考虑中性粒子的影响。直 到中性粒子的碰撞频率大大超越库仑碰撞频率 和等离子体频率时，体系的等离子体特征消失， 这种微弱电离的气体不再是等离子体。
补充2:
等离子体研究过程中常常会使用一些条 件对等离子体进行简化.
1、经典条件 2、稀薄条件
1、经典条件 一般等离子体可以用经典理论(非量子理论)
来处理,但是必须满足一定的条件:粒子的德 布罗意波长远小于粒子之间的平均间距! 粒子德布罗意波长
h h p m
d n 1/ 3
kT 1/ 2 ( ) m
等离子体概述
等离子体概述
① 等离子体的形成及碰撞 ② 等离子体的准电中性 ③ 徳拜屏蔽及等离子体屏蔽 ④ 等离子体鞘层及电位
⑤ 等离子作振荡
⑥ 等离子体中的基本参数
⑦ 等离子体判据
2
徳拜屏蔽
电子的德拜长度： 离子的德拜长度：
D (
0 KTi
ni e 2
)1/ 2
德拜势 徳拜屏蔽λD的物理意义：
补充1:关于部分电离等离子体
对于部分电离气体，体系中除带电粒子外，还存在着中性粒 子。当带电粒子与中性粒子之间的相互作用强度同带电粒 子之间的相互作用相比可以忽略时，带电粒子的运动行为就 与中性粒子的存在基本无关，同完全电离气体构成的等离子 体相近，这种情况下的部分电离气体仍然是等离子体。 带电粒子与中性粒子之间的相互作用形式只有近距离碰撞这 一种形式，可以用碰撞频率ν en表示其相互作用的强弱程度。 带电粒子之间的相互作用则可以分成两体的库仑碰撞和集体 相互作用两部分，我们可以用库仑碰撞频率ν ee和等离子体 频率ω p来表征这两种作用的大小。因此，如果有，
等离子体物理学的基础理论
等离子体物理学的基础理论等离子体物理学是研究等离子体（plasma）的性质和行为的学科，它是物质的第四态，与固体、液体和气体不同。
等离子体是由带正电的离子和带负电的电子组成的，处于电磁场中被激发并具有自由电荷和磁场行为。
等离子体物理学的研究既有基础理论，也涉及实验和应用。
本文将重点探讨等离子体物理学的基础理论。
在等离子体物理学中，基础理论主要包括冷等离子体（cold plasma）理论和热等离子体（hot plasma）理论。
冷等离子体理论适用于低温和低密度的等离子体，而热等离子体理论适用于高温和高密度的等离子体。
在冷等离子体理论中，最基本的概念是等离子体的Debye长度和Debye屏蔽。
Debye长度是描述等离子体中电子和离子相互作用范围的物理量，而Debye屏蔽是指等离子体中电荷之间的相互作用被周围的电子和离子屏蔽的现象。
热等离子体理论中，最基本的概念是等离子体的等离子体频率和等离子体束缚频率。
等离子体频率是指等离子体中的电子在电磁场中振荡的频率，而束缚频率是指等离子体中的离子在电磁场中束缚和振荡的频率。
等离子体物理学的基础理论还包括等离子体的平衡状态和非平衡态的描述。
平衡态下，等离子体的性质可以由麦克斯韦方程组和波动方程来描述。
非平衡态下，等离子体存在非热粒子尾部，需要引入玻尔兹曼方程和输运方程来描述。
等离子体物理学的基础理论还涉及电磁波在等离子体中的传播和耗散。
等离子体中存在很多种类的电磁波，如电磁波、等离子体波和浸泡波等。
这些波的传播和耗散特性对等离子体的性质和行为有着重要影响。
除了上述基础理论外，等离子体物理学还涉及等离子体的稳定性和不稳定性的研究。
等离子体在不同条件下会出现各种各样的不稳定现象，如Rayleigh-Taylor不稳定、Kelvin-Helmholtz不稳定和本德不稳定等。
这些不稳定性的研究对于等离子体物理学及其应用具有重要意义。
综上所述，等离子体物理学的基础理论涵盖了冷等离子体和热等离子体的理论、等离子体的Debye长度和Debye屏蔽、等离子体的等离子体频率和束缚频率、等离子体的平衡态和非平衡态的描述、电磁波在等离子体中的传播和耗散、以及等离子体的稳定性和不稳定性。
04 等离子体原子发射光谱
ICP光谱仪的发展
后全谱直读时代 全谱直读 单道+多通道 多通道 单道扫描 摄谱仪
全谱直读 开机即用
中阶梯光栅+固体检测器
凹面光栅+光电倍增管 直读，但不能同时测量背景，不是全谱 平面光栅+光电倍增管 直读，但不能同时测量背景，不是全谱
平面光栅+相板 （1970）
全谱，但不能直读
19
3. AES特点 1）多元素检测(multi-element); 2）分析速度快: 多元素检测; 可直接进样; 固、液样品均可 3）选择性好：Nb与Ta；Zr与Ha，Rare-elements; 4）检出限低：10-0.1µg/g(µg/mL); ICP-AES可达ng/mL级; 5）准确度高：一般5-10%，ICP可达1%以下; 6） 所需试样量少； 7） ICP-AES性能优越：线性范围宽(linear range) 4～6数量 级，可测高、中、低不同含量试样；
研究范围
稀薄气体状态的 原子
14
2.原子光谱的发展历史
物质燃烧会发光，火药是我国四大发明之一 焰火—— 物质原子的发年代
Kirchhoff G.R. Bunsen R.W. 《利用光谱观察的化学分析》 奠定原子发射光谱定性分析基础
利用分光镜研究盐和盐溶液在火焰中加热时所产生的特征光辐射，从而发现了Rb （铷）和Cs（铯）两元素
美国瓦里安技术中国有限公司(VARIAN)
技术参数 1.波长范围：175785nm波长连续覆 盖，完全无断点 2.RF发生器频率： 40.68MHz 3.信号稳定性： ≤1%RSD 4.杂散光： 〈2.0ppm As 5.完成EPA 22个元 素系列测定时间小于 5分钟
6
7
等离子体技术
360等离子体技术一、等离子体含有足够数量的自由带电粒子,有较大的电导率,其运动主要受电磁力支配的物质状态。
等离子体由带正电的离子和带负电的电子，也可能还有一些中性的原子和分子所组成。
等离子体在宏观上一般是电中性的，即它所含有的正电荷和负电荷几乎处处相等。
由于带电粒子之间的作用主要是长程的库仑力，每个粒子都同时和周围很多粒子发生作用，因此等离子体在运动过程中一般表现出明显的集体行为。
等离子体的性质不同于固体、液体和气体，常称为物质的第四态。
闪电、极光等是地球上的天然等离子体的辐射现象。
电弧、日光灯中发光的电离气体，以及实验室中的高温电离气体等是人造的等离子体。
在地球以外，如围绕地球的电离层、太阳及其他恒星、太阳风、很多种星际物质，都是等离子体。
天然的等离子体在地球上虽不多见，但在宇宙间却是物质存在的主要形式，它占宇宙间物质总量的绝大部分。
几种典型的等离子体的电子数密度和温度的范围可见图1各种等离子体的参量范围。
二、等离子体物理学研究等离子体的形成、性质和运动规律的一门学科。
宇宙间的物质绝大部分处于等离子体状态。
天体物理学和空间物理学所研究的对象中，如太阳耀斑、日冕、日珥、太阳黑子、太阳风、地球电离层、极光以及一般恒星、星云、脉冲星等等，都涉及等离子体。
处于等离子状态的轻核，在聚变过程中释放了大量的能量,因此,这个过程的实现，将为人类开发取之不尽的能源。
要利用这种能量，必须解决等离子体的约束、加热等物理问题。
所以，等离子体物理学是天体物理学、空间物理学和受控热核聚变研究的实验与理论基础。
此外，低温等离子体的多项技术应用，如磁流体发电、等离子体冶炼、等离子体化工、气体放电型的电子器件，以及火箭推进剂等研究，也都离不开等离子体物理学。
金属及半导体中电子气的运动规律，也与等离子体物理有联系。
1、发展简史19世纪以来对气体放电的研究;19世纪中叶开始天体物理学及20世纪对空间物理学的研究；1950年前后开始对受控热核聚变的研究；以及低温等离子体技术应用的研究，从四个方面推动了这门学科的发展。
等离子体基本概念PPT课件
等离子体物理学科方向 主要研究内容
等离子体物理主要研究等离子体的整体形态和集体 运动规律、等离子体与电磁场及其它形态物质的相 互作用。
等离子体物理研究范围非常广泛：磁约束聚变等离 子体、惯性约束聚变等离子体、空间等离子体、天 体等离子体、低温等离子体、非中性等离子体、尘 埃等离子体、基础等离子体等
D 0Te / ne0e2
方程为 2(r) (r) / 0 / D2 q (r) / 0
方程的解 (r) q er /D 4 0 r
电荷屏蔽效应后中心电荷q的作用势，称
为屏蔽库仑势 参量 具D 有长度的量纲，称为德拜屏蔽长
度，它是反映电荷屏蔽效应的特征长度。
电荷屏蔽效应的特征长度意义
电子密度平衡分布可取势场为φ时的玻尔兹
曼分布
ne
n ee /Te e0
ne0为不受中心电荷影响时的电子密度, Te为电 子温度
电中性（初始）： Zni0 ne0
空间电荷分布
(r) ne0e(1 ee /Te ) q (r)
高温条件： e Te ee /Te 1 e / Te
(r) ne0e2 / Te q (r) 0 / D2 q (r)
等离子体物理学研究可促进低温等离子体技术在国 民经济各领域中广泛应用。等离子体处理加工技术 已成为一些重要产业（如微电子、半导体、材料、 航天、冶金等）的关键技术，而在灭菌、消毒、环 境污染处理、发光和激光的气体放电、等离子体显 示、表面改性、同位素分离、开关和焊接技术等方 面的应用已创造了极大的经济效益。
等离子体物理学研究开辟了由高技术开发的新领域。 非中性等离子体的研究产生了一批崭新的具有革命 性意义的高技术项目，如相干辐射源的研制和粒子 加速器新概念的提出。将在能源、国防、通讯、材 料科学和生物医学中发挥重要作用。对基本物理过 程的深入研究已成为推动这些技术取得突破性进展 的关键。
托卡马克物理基础-4
IV 托卡马克等离子体的约束模式从上世纪六十年代以来，全世界已建造了大量的托卡马克实验装置，其中特别重要的如JET(欧洲联合环)，JT-60（日本），TFTR (PPPL ，US), DIII-D(GA,US ) 等四个超大装置， 以及以ASDEX, ADDEX-U(德)，TORE-S (超导，法)， ALCATOR-CMOD (强磁场，US), FT (强磁场，意大利)， TEXTOR(德)，TCV (瑞士)，T-10 (俄)，TEXT( US), HL-1（中国乐山），HT-7（超导，中国合肥）等大装置，以及近期投入运行的HL-2A （中国成都），EAST(超导，中国合肥)等新装置，都对托卡马克的等离子体的约束特性做了大量的研究。
其中四个特大装置的等离子体参数都达到聚变堆所要求的水准，即形成了堆芯等离子体（等离子体温度10keV 量级）。
所有的装置都以欧姆加热所形成的初始等离子体为基准，进行了不同程度的高功率加热，包括中性束注入（Neutral Beam Injection, NBI ），离子回旋频段波加热 ( Ion Cyclotron Frequency Range Heating, ICFRH)，低混杂波电流驱动和加热 ( Lower Hybrid Wave Current Drive & Heating ，LHCD&LHH) 电子回旋共振加热 ( Electron Cyclotron Resonance Heating, ECRH) 等。
所积累的数据库包含极其丰富的各类信息。
对托卡马克等离子体约束规律的研究的最有效的推动是ITER 设计。
历时两年多（1988-1990）的ITER 的物理设计及跟着进行的近十年（1991-1999）的工程设计，以及几乎又是快十年的后续更新设计（2000-2007），使得对这些规律的认识极大地得到深化。
形成了托卡马克型反应堆物理和工程设计的基础。
物质的第四种形态——等离子体-到底有多神奇？
物质的第四种形态——等离子体，到底有多神奇？在我们的固有认知里，物质只有三种形态，分别是固态、液态、气态。
但实际上在这三种形态之外，还有第四种物质，那就是等离子体。
那么等离子体具体是什么？到底有多神奇呢？等离子体，又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质，尺度大于德拜长度的宏观电中性电离气体，其运动主要受电磁力支配，并表现出显著的集体行为。
它广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。
它不同于固体、液体和气体的物质形态。
我们都知道，物质由分子构成，分子由原子构成，原子是由原子核和电子组成的，通常情况下电子都围绕着原子核旋转。
但是在高温下，气体的原子开始发生电离：原子核周围的电子脱附，变成游离态的电子；原子也成为带正电的离子，就像下课后的学生跑到操场上随意玩耍一样。
电子离开原子核，这个过程就叫做“电离”。
这时，物质就变成了由带正电的原子核和带负电的电子组成的、一团均匀的“浆糊”，因此人们戏称它为离子浆，这些离子浆中正负电荷总量相等，因此它是近似电中性的，所以就叫等离子体。
所以只要让气体发生电离，就能获得等离子体常用的人工制造。
那么，等离子体在现实生活中都有哪些作用呢？研究它的意义在哪里？由于等离子体是一种很好的导电体，其运动主要受电磁力支配。
所以它在工业、农业和军事上都有广泛的用途，如利用等离子弧进行切割、焊接、喷涂、利用等离子体制造各种新颖的光源和显示器等。
如果利用等离子体技术处理高分子材料，包括塑料和纺织物，既能改变材料的表面性质，又能保留原材料的优异性能，而且无污染。
在军事上可以利用等离子体来规避探测系统，用于飞机等武器装备的隐形。
而在航天领域上，等离子体火箭可以说是人类对未来宇宙火箭的新展望。
这种火箭不同于以往的化学火箭，它靠电能推动以气态的等离子体为燃料，通过电离氩气将其转化为低温等离子体，然后利用磁铁使电离气体加热，加速，温度达到上百万摄氏度。
第四章 表面等离子体共振技术总结
第四章表面等离子体共振技术--学习总结通过表面等离子体共振技术的学习，我主要掌握了以下的一些基本知识：一、金属表面的等离子体振动表面等离子体振动，其角频率ωs与体积等离子体的不同，它们之间存在以下关系：则这种特殊表面的等离子体振动的角频率ωms为：Array二、产生表面等离子体共振的方法面等离子体波（Surface plasma wave，SPW）质中逐渐衰减。
表面等离子体波是TM极化波，即横波，其磁场矢量与传播方向垂直，与界面平行，而电场矢量则垂直于界面。
在半无穷电介质和金属界面处，角频率为式中c是真空中的光速，εm和εa分别是金属和电介质的介电常数。
表面等离εm=εmr+iεmi）。
金属的εmr/εmi电磁波在真空中的速度c与在不导电的均匀介质中的速度v之比称为电介质的折射率n：则：Array频率为ω要使光波和（ka）总是在ω（从不交叉，即ω（因此，要设法移动ω（的。
场在金属与棱镜的界面处并不立即消失，而是向金属介质中传输振幅呈指数衰减的消失kev为：通过调节θ共振，有：由上式可见，若入射光的波长一定，即ωa一定时，ns条件；若θ0一定时，ns改变，则必须改变ωa波长λ来实现。
此时θ0和λ分别称为共振角和共振波长。
右图为典型的SPR光谱三、SPR传感器1、基本原理表面等离子体子共振的产生与入射光的角度θ、波长λ、金属薄膜的介电常数εs及电介质的折射率ns有关，发生共振时θ和λ分别称为共振角度和共振波长。
对于同一种金属薄膜，如果固定θ，则λ与ns有关；固定λ，则θ与ns有关。
如果将电介质换成待测样品，测出共振时的θ或λ，就可以得到样品的介电常数εs或折射率ns；如果样品的化学或生物性质发生变化，引起ns的改变，则θ或λ也会发生变化，这样，检测这一变化就可获得样品性质的变化。
固定入射光的波长，改变入射角，可得到角度随反射率变化的SPR光谱；同样地，固定入射光的角度，改变波长，可得到波长随反射率变化的SPR光谱。
等离子体刻蚀工艺的物理基础
等离子体刻蚀工艺的物理基础随着科技的不断发展，等离子体刻蚀工艺已经成为微电子、纳米科技、光电子等领域中不可或缺的关键技术。
本文将深入探讨等离子体刻蚀工艺的物理基础，包括基本概念、应用领域、技术细节以及未来发展趋势等方面。
等离子体刻蚀工艺是一种利用等离子体中的高速粒子对材料进行物理轰击，从而去除表面污染或刻蚀特定图形的工艺方法。
刻蚀过程中，目标材料表面的原子在等离子体粒子的撞击下获得足够的能量，从表面脱离或被溅射，最终形成刻蚀图案或去除污染物。
等离子体刻蚀工艺的基本原理是能量传递。
当高速的等离子体粒子撞击目标材料表面时，会将其能量传递给表面原子。
当这些原子的能量超过其结合能时，便会从表面脱附或被溅射。
这一过程可在气体辉光放电或电感耦合等条件下进行。
在等离子体刻蚀工艺中，有几个基本概念需要理解。
首先是刻蚀速率，它表示单位时间内材料表面的去除速率；其次是选择比，指不同材料在同样的刻蚀条件下，刻蚀速率的比值；还有刻蚀均匀性和刻蚀终止层厚度，它们分别表示刻蚀过程中材料表面受影响的均匀程度和刻蚀深度。
等离子体刻蚀工艺广泛应用于微电子、纳米科技、光电子等领域。
在微电子领域，等离子体刻蚀工艺被用于制造集成电路和半导体器件，如动态随机存储器（DRAM）和互补金属氧化物半导体（CMOS）等。
在纳米科技领域，等离子体刻蚀工艺被用于制造纳米材料、纳米器件以及纳米结构的加工。
在光电子领域，等离子体刻蚀工艺被用于制造光电子器件，如激光器、光电检测器等。
随着科技的发展，市场对等离子体刻蚀工艺的需求也在不断增加。
为了满足市场需求，业界不断研发新的等离子体刻蚀技术，以提高刻蚀速率、选择比、刻蚀均匀性和终止层厚度等指标。
在等离子体刻蚀工艺的发展历程中，出现了多种技术，如反应离子束刻蚀（RIBE）、磁控溅射刻蚀（MSPE）、电子回旋共振刻蚀（ECR）等。
这些技术在不同的应用领域有着各自的优势和局限。
高质量的等离子体刻蚀工艺需要精确控制技术参数，如等离子体的密度、温度、电场强度等。
第四章等离子体技术基础()
电感耦合等离子体 (ICP)
RF 线圈
RF 电源
Plasma
z
IP
Plasma
RF 线圈
IRF
如上图所示，当沿z轴的螺线管线圈中通有直流电流I时，在线圈 内就会产生z轴方向的匀强磁场H和磁通Φ。而当电流以角频率ω振荡 时，由法拉第电磁感应定律可知Φ随时间变化会产生电动势V，也就 是产生感应电场Eθ(r, t)。等离子体中的电子在这个电场的作用下被加 速，于是在抵消RF电流磁场方向上会形成等离子体内的涡电流。
Inductively Coupled Plasma System
RF 频率: 13.56MHz 等离子体密度: 1017 ~ 1018 m-3
电子回旋共振等离子体 (ECR)
ECR系统是利用垂直磁场 及交变电场，增加气体电离几 率，电场增加电子的速度，磁 场改变电子速度矢量方向。
电子回旋共振：当有磁场 存在时，电子作环绕磁力线的 回旋运动。如果从外部施加一 个同一频率的振荡电场，电子 会受到同相位电场的加速(随交 变电场来回振荡)。当电场角频 率和电子回旋运动的角频率相 等时(高耦合效率)，电子发生 共振加速，获得高能量。
气体压强为1 torr时，对于间距为10cm的电极电压需达到800V才能产生辉 光放电，而对于间距为5cm的电极电压则只需达到500V就能产生辉光放电。
等离子体的形成过程
产生电弧
形成离子和 自由电子
电子加速 打向阴极
在阴极上形成 大量二次电子
二次电子与中性 原子非弹性碰撞
等离子体中，电荷密度和电场 与电极间位置的关系
在微纳加工中常用的等离子体设备中，主要利用的是 Crooke暗区的大电场。漂移和扩散到这个区域边缘的离子被 加速而快速移向阴极，这样可以利用离子轰击放置在阴极上 的硅片或其它样品，实现不同的处理工艺。
等离子知识点总结
等离子知识点总结【等离子体的基本性质】等离子体的基本性质是其电离气体状态。
在这种状态下，气体分子中的一个或多个电子被剥离而形成自由电子和正离子。
这些自由的带电粒子在外加电场的作用下可以运动，并且由于它们的电荷性质，它们之间也存在着相互作用。
由于这些特性，等离子体具有一些独特的性质，例如对电磁场的响应、较高的热导率和电导率、等离子体波动等。
另外，由于等离子体中存在着大量的自由电子，它还表现出了很强的反射和吸收电磁辐射的能力。
这一性质被广泛应用在等离子屏幕、等离子反应器和激光的设计中。
【等离子体的形成机制】等离子体的形成机制可以分为自然形成和人工形成两种方式。
自然形成的等离子体主要存在于太阳、恒星、行星大气层中。
在太阳内部，由于高温和高压条件下，氢原子的核融合反应不断进行，产生大量的高能粒子。
这些粒子与太阳表面的气体分子碰撞时，会将其电离产生大量的等离子体。
这些等离子体在太阳内部的高温和高压条件下会形成太阳的辐射层和日冕层。
人工形成的等离子体主要通过等离子体物理和化学方法产生。
在等离子体物理方法中，常用的方式是通过高能粒子的轰击使气体电离；在等离子体化学方法中，通常是利用化学反应来产生等离子体。
这些方法在聚变能、等离子体材料加工等领域都有广泛的应用。
【等离子体的应用领域】等离子体在聚变能、材料加工、电子工业、航空航天等多个领域都有重要应用。
在聚变能领域，等离子体是核聚变反应的重要组成部分。
在这种反应中，两个轻核聚变成一个重核，放出大量能量。
等离子体是使得聚变反应进行的唯一状态，通过对等离子体的控制，可以实现可持续的清洁能源。
在材料加工领域，等离子体可以被用来进行表面改性、薄膜沉积和材料表面清洁等工艺。
这些方法可以大大提高材料的性能和使用寿命。
在电子工业中，等离子体的应用也非常广泛。
例如等离子体显示技术、等离子体电火花打印技术等。
在航空航天领域，等离子体可以被用来设计新型飞行器和发动机。
【等离子体的研究进展】近年来，随着纳米技术、生物医学和量子技术的发展，等离子体领域也取得了一系列的研究进展。
等离子相关实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的1. 了解等离子体的基本特性和形成条件；2. 掌握等离子体实验装置的操作方法；3. 通过实验验证等离子体的应用及其效果。
二、实验原理等离子体是物质的一种状态，由带电粒子（离子和自由电子）组成。
在高温、高压、电磁场等条件下，气体分子可以被激发成等离子体。
等离子体具有很高的导电性和导热性，广泛应用于工业、医疗、科研等领域。
三、实验器材1. 等离子体发生器；2. 气源（氩气、氮气等）；3. 高压电源；4. 温度控制器；5. 激光发射器；6. 摄像头；7. 计算机及数据采集系统。
四、实验步骤1. 准备工作：检查实验器材是否完好，连接好相关设备，调试好实验参数。
2. 实验一：等离子体形成实验（1）开启高压电源，调节电压至设定值；（2）通入氩气，调整气体流量；（3）观察等离子体形成过程，记录等离子体颜色、形状等特征。
3. 实验二：等离子体导电性实验（1）将等离子体发生器放置在导电台上；（2）连接高压电源，调节电压至设定值；（3）观察等离子体导电性，记录电流大小、稳定性等数据。
4. 实验三：等离子体温度测量实验（1）将温度传感器放置在等离子体中心；（2）开启等离子体发生器，调节电压至设定值；（3）记录温度传感器读数，分析等离子体温度变化规律。
5. 实验四：等离子体应用实验（1）将激光发射器放置在等离子体发生器前方；（2）开启激光发射器，观察等离子体对激光的散射现象；（3）分析等离子体对激光的散射效果，探讨等离子体在光学领域的应用。
五、实验结果与分析1. 实验一：等离子体形成实验通过观察，等离子体呈现明亮的紫红色，形状为环状，中心温度较高。
2. 实验二：等离子体导电性实验实验结果显示，等离子体导电性较好，电流大小稳定。
3. 实验三：等离子体温度测量实验实验结果表明，等离子体温度随着电压升高而升高，呈现非线性关系。
4. 实验四：等离子体应用实验激光在等离子体中的散射现象明显，说明等离子体具有光学应用潜力。
等离子体物理原理简介
• 洛仑兹模型
• 经典情形下，谐振束缚电荷运动方程为
mx
dx dt
m
2 0
x
eE0eit
• •
特解为
x
eE0eit
m
1
2
2 0
i
已令
/m
• 极化强度为
NZe2
E
P NZex
m
2
2 0
i
• 则相对介电常数为 P / 0E r 1
r
1
NZe2
0m
2
1
2 0
i
• 考虑到电荷多种分布则推广为
r
v D1
mv2 2qB3
B B
曲率漂移 引入等效的离心力及等效电场
E mv2// n
q
利用熟知的漂移公式
v
EB B2
得到曲率漂移速度为
vD2
mv 2 / / qB2 R2
RB
总的漂移速度为
vD
m qB 2 R 2
v2//
v2 2
R
B
• Ⅱ绝热不变量 经典力学中作用量积分为不变量
Ji pidx
• 等离子体是一种特殊的滤波器，当雷达频率低于等离子体频率时，雷 达波被全反射，等离子体能以电磁波反射体的形式对雷达进行电子干 扰，即通过雷达波往返传播途径弯曲，雷达显示屏上出现的是攻击武 器的虚像，而不是武器的真实位置。当雷达频率高于等离子体频率时， 雷达波能进入等离子体被吸收，从而使雷达接受到的攻击武器的信号 大为减弱。
在磁场中有
J P dl
带入正则动量即
P peA
J mB r2 eB r2 u
即磁矩为不变量 磁镜原理可以用来约束热等离子体以产生热核能。
等离子体物理学
等离子体物理学等离子体是一种物质的第四态，它是由高能量电子和离子构成的，具有高温和高能量特性。
等离子体广泛存在于自然界和人工环境中，如太阳、闪电和星际空间，同时也被应用于磁约束聚变、等离子体显示器和等离子体在工业中的利用等各个领域。
一、等离子体的特性和起源等离子体由高能电子和离子组成，其中电子带负电荷，离子带正电荷。
他们以极高的速度相互碰撞并相互影响，因此形成了一系列的复杂行为和特性。
等离子体的存在可追溯至宇宙的起源，因为在宇宙大爆炸之后，高温和高能量的条件下形成了等离子体。
太阳上的等离子体也是宇宙射线与太阳能之互相作用的结果。
此外，等离子体还可以通过人工手段产生。
例如，当气体暴露在强电场或高能辐射源下时，气体分子中的电子被激发或离解，形成等离子体。
二、等离子体物理学的研究等离子体物理学是研究等离子体的性质、行为和应用的学科。
它涉及到多个学科领域，如物理学、化学、天文学和工程学等。
在等离子体物理学中，研究人员通过实验、理论和数值模拟来深入了解等离子体的行为和特性。
他们研究等离子体的传输性质、热力学性质、等离子体与电磁场的相互作用等。
通过这些研究，人们可以开发出新的等离子体应用，例如等离子体在太阳能和核聚变能的利用。
三、等离子体在自然界中的应用等离子体在自然界中广泛存在，并对地球的环境和生命起着重要的影响。
闪电是自然界中最常见的等离子体现象之一。
当云与地表的电位差达到一定程度时，空气中的气体分子会被电离形成火花，向地面释放电荷。
闪电释放的能量很大，会产生电磁波辐射、紫外线和臭氧等对环境和生物有影响的物质。
太阳是一个由等离子体构成的恒星。
太阳的核心温度超过了1000万摄氏度，因此产生了丰富的等离子体现象。
太阳风是太阳上等离子体从太阳表面流向太空的现象，它对地球的磁场和电离层有重要影响。
四、等离子体在工业和科学研究中的应用等离子体在工业和科学研究中也得到了广泛的应用。
聚变是一种使用等离子体能量的方法。
4电离层中等离子体的运动
电场力：电场对电荷量为 q 数密度为 n 的带电粒子的作用 力为 F qnE 。为了保证区域内总电流无散，电场 E 一般是内 部生成的。大多数情况下，外部电场的影响都利用边界上 特殊的电势分布予以考虑。 洛伦兹力：当涉及磁场 B 中的等离子体运动时，总要考虑洛 伦兹力 F qn(V B ) 。不过，在电离层最低的高度上，碰撞 频繁，洛伦兹力的效应，特别是对离子，并不重要。 科利奥里力：由于地球自转引起，它作用于所有的气体粒 子，包括中性成分和带电粒子。科利奥里力与地球自转角
B, =eB / m ,
i ,e 。
由于存在磁场，电离层中带电粒子的运动表现出各向异性。沿磁场方向导 电性能好，带电粒子的运动更容易发生在磁场方向，而横越磁力线的运动受到 抑制。带电粒子还受到其它力的作用，比如电场、风场、压强梯度、重力以及 碰撞曳力等，这样，带电粒子真实的运动状态非常复杂。
电离层等离子体动力学方程组
控制电离气体的状态及其运动的基本方程包括带电粒子质量 守恒方程、 动量守恒方程和状态方程以及麦克斯韦方程。 它们 构成磁流体力学方程组。 与热层中性大气不同， 等离子体质量守恒方程也就是连续性方 程包含电荷生成和电荷消失项
j / t ( jV j ) ( q j Lj )m j
电离层-热层系统
电离层由电子、离子和中性粒子组成，电子和离子构成等离子体， 在宏观上保持电中性。电离层等离子体浸在热层中性气体中，它们因热 运动彼此渗透，并通过碰撞相互作用。因此，等离子体和中性气体可以 看作彼此渗透并通过碰撞相互耦合的两个系统，即热层-电离层系统。 在电离层直至上千km高度，中性气体成分仍然是主要成分，占绝大 部分。中性大气温度很高，称作热层。热层大气不受电磁力的作用，而 等离子体的运动受到电磁力的作用。 等离子体和中性气体的运动状态分别由各自的质量、 动量和能量守 恒方程确定。对于大多数电离层的实际应用问题，能量守恒方程可以用 状态方程代替。
cf4等离子除胶原理
cf4等离子除胶原理CF4等离子除胶原理胶原是一种重要的生物大分子，它在我们的身体中起着关键的支持和保护作用。
然而，在某些情况下，我们需要将胶原从特定的材料或器件上去除，以实现更好的性能或清洁的目的。
而CF4等离子除胶原理就提供了一种高效、环保的方法来实现这一目标。
让我们了解一下CF4是什么。
CF4，全称四氟化碳，化学式为CF4，是一种无色、无臭的气体。
它在常温下是稳定的，但在高温下会分解为氟化氢和三氟化碳。
由于CF4具有较高的化学稳定性和热稳定性，因此被广泛应用于各种工业领域。
CF4等离子除胶原理是利用CF4分子在等离子体中的活性和化学反应性来实现对胶原的去除。
等离子体是一种高能量、高温度的气体状态，其中包含了大量的离子和自由电子。
通过产生等离子体，我们可以将CF4气体分解为活性氟离子和碳离子。
活性氟离子具有较强的氧化性，可以与胶原分子中的碳原子发生反应，使胶原分子发生断裂。
同时，碳离子也可以与胶原分子中的氧原子发生反应，加速胶原的降解。
通过这些反应，CF4等离子可以有效地将胶原分子还原为低分子量的化合物。
CF4等离子除胶原的过程通常在等离子体反应室中进行。
首先，将CF4气体注入反应室中，并通过电极或辐射加热等方式产生等离子体。
接下来，将需要去除胶原的材料或器件放置在等离子体中，使其与CF4等离子发生反应。
在一定的时间和温度条件下，胶原分子将逐渐被降解和溶解，最终被除去。
CF4等离子除胶原的优点在于其高效、环保。
CF4分子具有较高的活性，可以快速与胶原分子发生反应，实现快速的除胶作用。
同时，CF4分解产物主要为氟化氢和三氟化碳，不会产生有毒或有害的物质，对环境和人体健康无害。
然而，CF4等离子除胶原也存在一些挑战和注意事项。
首先，CF4气体本身是一种温室气体，对全球气候变化有一定影响。
因此，在使用CF4等离子除胶原的过程中，需要合理控制和处理CF4气体的排放，以减少对环境的影响。
其次，CF4等离子除胶需要一定的设备和技术支持，需要专业的操作和管理，以确保除胶效果和安全性。
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By x By y By z
Bz x Bz y Bz z
梯度项, 剪切项
曲率项,
等离子体物理 李文君
假设没有电场，且磁场的方向是均匀的，而磁场的大小不均匀。 磁感应强度的梯度方向与磁场方向垂直： (磁力线是直的但密度增加的情况)
2 m 曲率漂移 / / RC B R 2 qB 2 RC
Rc 1 B 2 r 3 Rc Rc
B
= B R
等离子体物理 李文君 等离子体物理 李文君
m RC B 2 1 2 ( / / ) 2 2 q RC B 2
18
m RC B 2 1 2 B R ( / / ) 2 2 q RC B 2 1 RC B 1 2 2 ( m m // ) 2 2 q RC B 2
27
▽B∥B
磁镜
带电粒子在一种中间弱、两端强的特殊的磁场 中,当绕着磁力线旋进的粒子由弱磁场区进入两端的 强磁场区域时，就会受到一反向力的作用。这个力 迫使粒子的速度减慢，轨道螺距缩短，然后停下来 并反射回去，反射回去的粒子达管子中心区域后， 又向另一端螺旋前进，达端口后又被反射回来。粒 子就像光在两个镜子之间来回反射，称之为磁镜。
等离子体物理 李文君
2.3.5 回旋中心沿磁场的运动
考虑如图所示的磁场，其磁场强度大小沿z方向变化。 令场轴（柱）对称，则Bθ=0。 由于磁力线的收敛和发散，必然存 在分量Br，这个分量能引起在磁场 中俘获或捕集粒子的力。
Bz
z 柱坐标
Br
|B|随r变化会引起导向中心沿着轴向
假设1： B 0
代表粒子） 外场变化时，回旋运动受影响。若外场相对变化小，对回 旋运动的时间空间尺度影响小，则回旋运动近似是完整的，粒 子的运动可以近似用导向中心代表，将场的变化对回旋运动的 影响归结为对导向中心运动的修正
实际情况下，场的非均匀性比较弱－缓变，运动可进行分解：
快回旋运动
常局域磁场中的运动，忽略回旋中心的漂移
B B
/B/
z
B
/B/
y
B
/B/
x
等离子体物理 李文君 等离子体物理 李文君
B大
回旋半径小
B小
回旋半径大
/B/
B的梯度使轨道的底部的拉莫尔半径大于顶部的，故引 起了与 ▽B和B 都垂直的漂移。
m rL qB
等离子体物理 李文君
等离子体物理 李文君
dv 电荷运动方程(垂直与磁场): m q (v B ( y )) dt dv x
Fz qr B Br
dv B) m q (v dt
r
r
' பைடு நூலகம்
给出通常的拉莫尔回旋
等离子体物理 李文君
等离子体物理 李文君
Fr q Bz
F q r Bz z Br
Bz
Br
z 柱坐标
Fz q Br
正电荷回旋运动的方向 总是和方向相反
Bz // B z Fz F// B z Fz z
F// // B
z
平行于磁场方向的磁场梯度引起粒子沿着磁场方向的运动
回旋中心沿磁场的运动 带电粒子在随空间缓慢变化的磁场中运动时，它的磁矩是 一个不变量。
等离子体物理 李文君
证明： 已知：F B // //
可以证明dμ / dt =0，即粒子在B变化的区域内运动时，拉莫尔 半径发生变化，但μ 保持不变。这就是磁镜方案的基础。
d // B 推广到一般:沿着磁力线方向的平均力 F// m dt s d // B m // // dt s d 1 B s B 2 [ m // ] dt 2 s t t
//
ˆr e
ˆ e
1 Bz B Br Bz 1 1 B ( )r ( ) ( ( rB ) r z z r r r r
Br Bz 1 1 Br ) ( ( rB ) )z z r r r r
21
缓慢变化的磁场：
2.3.4 有限拉莫尔半径效应 B
/B/
拉莫尔半径
梯度漂移速度
B
/B/
由于回旋半径非常小，无法感知到磁场在空间的非均匀性
磁场强度为无穷大
等离子体物理 李文君
无法感知到磁场在空间的非均匀性，没有漂移，只能围绕这根磁 力线运动。即带电粒子被强磁场所约束/被磁感应线套住不能离开。
等离子体物理 李文君
d m q B0 q (r ) B0 dt d c 零级近似 c D m q c B0 未扰动 dt
在洛伦兹力作用下的运动方程：
等离子体物理 李文君
9
有了梯度磁场分量后，各个点 的速度不同，要计算力，需要 考虑一个回旋周期的平均。
c
vD rc
弱不均匀性条件
缓慢的漂移运动
由于磁场的不均匀性导致回旋轨道的不闭合，产生中心漂移
（在一个回旋周期内）对快运动进行平均
等离子体物理 李文君 等离子体物理 李文君
2.3.2 带电粒子的梯度漂移
磁场的空间变化可用
Bx x Bx B y Bx z
Plasma Physics
第二章 单粒子轨道运动
等离子体物理 李文君
2.3 带电粒子在非均匀恒定磁场中的运动
（空间分布） 2.3.1 回旋中心漂移近似
带电粒子在电磁场中的运动：回旋运动 +导向中心的运动
由于场的不均匀性，很难给出速度的解析表达式。
等离子体物理 李文君
导向中心近似 （不考虑时空尺度较小的回旋运动，用导向中心
F B
B
1 B B rL 2 B2
梯度漂移速度:
梯度漂移速度垂直与磁感应强度和磁场梯度 离子的漂移速度大于电子的漂移速度，方向相反。 漂移速度与回旋半径成正比 数量级：
B rcB rc ~ ~ 1 B L
等离子体物理 李文君
弯曲的磁场
柱坐标
ˆr e
1 Fef B R 2 q B m RC B 2 qB RC
2 // 2
ˆ e
等离子体物理 李文君
真空中弯曲磁场在半径方向是不均匀的
必须考虑到B的梯度漂移 （稀薄等离子体，不考虑电场）
真空中 B j 1 E =0 0 c 2 t
B qv (sin ct ) B0 rL (cos ct ) y
B qv (sin ct ) B0 qv rL sin ct cos ct y
Fx qvy B( y) dt
0
2
2
0
B qv (sin ct ) B0 qv rL sin ct cos ct y dt
1 ( B) Z ( rB ) 0 r r
等离子体物理 李文君 等离子体物理 李文君
B
0
1 ( B) Z ( rB ) 0 r r
1 B B r
不能是常数 是r 的函数
Rc 2 Rc B 梯度漂移 2 2 2 m B B m B B m RC B B 2 2 2 2 qB R 2qB B 2qB B B C
假设2：磁场主要是沿着z轴方向
B Br r Bz z
Bz 1 0 rBr r r z
B 0
等离子体物理 李文君
假设3: Z轴方向磁场的梯度在轴附近变化不大
积分
r
0
Bz rBr dr r z
r
0
rdr
1 Bz Br r[ ]r 0 2 z
m
m
dt dv y
dt
qB( y )v y Fx
qB( y )v x Fy
求解这个方程非常困难， B是y的函数！
条件：B缓变！ 假定 B 很小, B可作泰勒展开 .
B B0 ( r ) B ...
回旋中心磁场 拉莫半径位矢 Bz B0 y ( Bz / y ) .......
为了约束热核等离子体而把磁场弯成环形，不论怎样改变温度和磁场， 粒子最终都将漂移出环。 1 1 1 1 2 2 m / / T ; m 2 T T 能量均分定理 2 2 2 2 三个自由度 B
z
x
y
二个自由度
19
等离子体物理 李文君
等离子体物理 李文君
20
等离子体物理 李文君
离子沿着磁力线方向运动
沿着方向的漂移很小
等离子体物理 李文君
导向中心位于轴上的那个粒子，对一次回转作平均。
Br
Bz
z
r rL
Bz
轴线上
1 Bz Fz q r 2 z
磁矩：
2 m 2B
B z Fz z
等离子体物理 李文君 等离子体物理 李文君
Fy qvx B( y) dt
0
2
2
0
B qv ( cos ct ) B0 qv rL (cos ct ) y
2
1 B qv rL ( ) 2 y
等离子体物理 李文君
1 B Fy qv rL ( ) 2 y
qB 2 A rL 回旋周期面积： rL c (2.2.4) c m c 1 回旋周期电流：i q q 2 T 2 m 磁矩： i A
vy v sin ct vx , vy , y 用圆周运动代替