等离子体实验讲义

合集下载

电感耦合等离子体实验讲义

电感耦合等离子体实验讲义

实验三电感耦合等离子发射光谱定量分析一、实验目的1.初步掌握电感耦合等离子发射光谱仪的使用方法。

2.学会用电感耦合等离子发射光谱法定性判断试样中所含未知元素的分析方法。

3.学会用电感耦合等离子发射光谱法测定试样中元素含量的方法。

二、实验原理原子发射光谱法是根据处于激发态的待测元素的原子回到基态时发射的特征谱线对待测元素进行分析的方法。

各种元素因其原子结构不同,而具有不同的光谱。

因此,每一种元素的原子激发后,只能辐射出特定波长的光谱线,它代表了元素的特征,这是发射光谱定性分析的依据。

电感耦合等离子发射光谱仪是以场致电离的方法形成大体积的 ICP 火焰,其温度可达10000 K,试样溶液以气溶胶态进入 ICP 火焰中,待测元素原子或离子即与等离子体中的高能电子、离子发生碰撞吸收能量处于激发态,激发态的原子或离子返回基态时发射出相应的原子谱线或离子谱线,通过对某元素原子谱线或离子谱线的测定,可以对元素进行定性或定量分析。

ICP 光源具有 ng/mL 级的高检测能力;元素间干扰小;分析含量范围宽;高的精度和重现性等特点,在多元素同时分析上表现出极大的优越性,广泛应用于液体试样(包括经化学处理能转变成溶液的固体试样)中金属元素和部分非金属元素(约74种)的定性和定量分析。

三、仪器与试样仪器:ICP OES-6300 电感耦合等离子发射光谱仪试样:未知水样品(矿泉水)四、实验内容1.每五位同学准备一水样品进行定量分析,熟悉测试软件的基本操作,了解光谱和数据结果的含义。

2.观摩定量分析操作,学会分析标准曲线的好坏,掌握操作要点和测试结果的含义。

五、实验步骤1.样品处理(1)自带澄清水溶液20 mL,要求无有机物,不含腐蚀性酸、碱,溶液透明澄清无悬浮物,离子浓度小于100 μg/mL。

(2)将待测液倒入试管。

2.谱线扫描(1)参照附录2“ICP OES-6300型电感耦合等离子发射光谱仪的使用”,并在教师指导下学会电感耦合等离子发射光谱的操作。

《等离子体动力学》讲义

《等离子体动力学》讲义

《等离子体动力学》讲义祝大军熊彩东电子科技大学物理电子学院目录第一章:引言§1•1定义§1•2基本特征:§1•3等离子体物理的研究方法第二章:动力论方程§2•1分布函数的引入§2•2普遍的动力论方程§2•3V l a s o v方程的严格导出第三章:V l a s o v方程的求解§3•1几个定义§3•2V l a s o v方程的线性化§3•3平衡态V l a s o v方程的解§3•4线性V l a s o v方程的解——特征线法(未扰轨道法)§3•5等离子体纵振荡——初始扰动的演化——F o u r i e r-L a p l a c e变换法第四章:微观不稳定性§4•1等离子体微观不稳定性概述§4•2静电不稳定性§4•3束——等离子体不稳定性、等离子体尾场加速器中静电波特性第一章 引言§1•1 定义:物质的第四态“等离子体态”:固体(加热)→液体(加热)→气体(输入能量)→电离态。

等离子体是由大量的接近自由运动的带电粒子所组成的系统,在整体上是准中性的,粒子的运动主要由粒子间的电磁相互作用所决定,由于这种作用是库仑长程相互作用(密度足够低,一个邻近粒子所产生的力远小于许多远距离粒子所施的长程库能力),因而使之显示出集体行为(如:各种振荡和波动、不稳定性等)。

§1•2 基本特征:1. 系统的尺度必须远大于德拜长度(Debye Length )1/20222e i d e i i i e KT T n e T Z n e T ελ⎛⎫= ⎪+∑⎝⎭(1.2.1) 2/120⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=e n KT e e d ελ (1.2.2)推导过程: 真空中一个点电荷q 产生一个电场()E r φ=-∇, ()r φ为电势。

其满足拉普拉斯方程()20r φ∇=,得库仑势()04qr r φπε= (1.2.3)在等离子体内部,电子、离子成份都处于热力学平衡状态下,一个点电荷q 近旁总是异号电荷比同号电荷要多些。

等离子体物理讲义04_动理学理论矩方程

等离子体物理讲义04_动理学理论矩方程

=1 ,
,, d

定义粒子的无规热运动速度为


则有
=1


,,


,,
·
·
不考虑碰撞作用时,相体积元变化粒子数不变,因此
,,
dd
,,
·
·
dd
保留一阶 近似和相体积元体积不变
·
·
dd
dd
因为 相体积元d d 的任意性,得到
·
·
此即关于粒子分布函数演化的支配方程,称为动理学方程,在 1872 年由 L. E. Boltzmann 首先提出,也称为 Boltzmann 方程。
如果不减少维数,要在给定时间 绘制出 , 的图是不可能的.在
一维系统中, , 能被描述为一个曲面.这个曲面和 常数平
面的交线是速度分布 .这个曲面和 常数平面的交线给出给
定 的粒子密度分布.如果所有曲线 碰巧有相同的形状,通过
峰值的曲线应当表示密度分布.图中的虚线是曲面和 常数平面的
交线:它们是水平曲线成常 曲线.这些曲线在
的位于相空间体积元d d 中的
粒子数目,且有

与此同时,在时间 ~
内,因为粒子相互作用(碰撞),使得一
部分粒子进入新相体积元d d ,而另一部分粒子离开旧相体积元
d d ,两相抵扣为因为碰撞作用进入新相体积元d d 的净粒子数目
dd
9
考虑粒子运动和碰撞引起的分布函数变化
,, dd
,,
dd
dd
在这个过程中,相体积元发生变形,新旧相体积元的关系为
的粒子数。如果粒子的质量为 ,则粒子的质量密度或体密度为


因为等离子体中包含多种带电粒子,至少一种以上的正电荷离子

等离子体物理讲义09_RMHD与磁重联

等离子体物理讲义09_RMHD与磁重联
等离子体物理学讲义
Lecture Notes in Introduction on Plasma Physics
No. 9
马石庄
2011.03.21.北京
1
第 9 讲 RMHD 与磁重联
教学目的:磁流体的有限电阻,使磁力线的拓扑不变性失效,重要的 现象是磁重联;磁重联是等离子体中重要的过程,二维模型问题引人 入胜,撕裂模不稳定是电阻 MHD 的重要篇章。 主要内容: §1 电阻 MHD .......................................................................................... 3
总电流达到最大值。
11
1.3 Cowling 定理
磁场在宇宙天体中是遍历的。太阳、地球这样的天体都展现出变 化的磁场,历经数亿年生生不息,必须需要有发电机作用维持磁场。 设位于球状表面 包围的体积 中的导电流体,用电阻扩散系数
表征,其外部为体积 的真空
在界面 上, ,0
0 0,换言之在界面 上没有电流。给定初始条件 ,求解电磁感应方程 ∂
分量 穿过平板。有感应磁场
流体的电阻率和粘滞系数都是常数,支配方程为 11 0

0
由于流体是粘滞的,速度的边界条件是无滑移的,即
0;磁场的法向分量给定,
;而电场的切向
分量在导体边界上为零,由 Ohm 定律
和速度边界条
件,得到
0,相应的边界条件为
d
0,
d
为比较起见,先研究流体动力学问题,这是
0或者
∞;在
的重要特征。 是流体对外加压强梯度的响应,穿过通道的平均质
量通量;2
称为流量(discharge rate).

等离子体物理讲义07_磁约束与稳定性

等离子体物理讲义07_磁约束与稳定性
环型磁场没有径向分量,磁力线必须分布在同一个圆柱面上。 角向型磁场
1
1
00
0
1
8
由于轴对称 0,环型磁场为
角向磁场为
在环型约束位形中,取 沿 方向。 1 00
在天体物理和空间物理学中,选取 沿球位形的径向 ,在球坐标
系 , , 中,取 环型磁场
,任意矢量 的旋度为
sin 1
sin
sin
1
sin
1
sin
在环形约束中,在柱坐标系中 , , 中,定义磁面为 ,如 图 7.1,在轴对称系统中
11

磁场的分量为
图 7.1 磁面
和电流
, 因此, 也称作磁通量函数。由关系式 ·
0,得到
0 压强 因此也只是 的函数
类似地,由关系式 ·
0和
,得到
0 意味着压强 因此也只是 的函数
其中 是穿过圆截面 得到 的方程
在等离子体波的分析中,假定了一个未扰动态,它是一种理想 的热力学平衡:粒子具有 Maxwell 速度分布,密度和磁场是均匀的.在
4
这样一种熵最大的状态中、不存在用来激发波的自由能。现在,必须 考虑由外部方法激发的波.考虑不处于理想热力学平衡的状态,在所 有力抵消以及可能存在与时间无关的解的意义上,虽然它们是处于平 衡的.可利用的自由能引起波的自激发。因此平衡是一种不稳定的平 衡.不稳定性总是一种减少白由能的运动,并且使等离子体更接近于 真实的热力学平衡。不稳定性可以按照用来驱动它的自由能类型来分 类.有四种主要类型的不稳定性.
3.普遍不稳定性.即便不存在明显的驱动力,如电场或重力场, 只要等离子体被约束,就会不处于理想热力学平衡.等离子体压力使 等离子体趋于膨胀,而膨胀能量能驱动一种不稳定性.在任何有限等 离子体中,总是存在这种类型的自由能,产生的波称做普遍不稳定性.

等离子体物理讲义12_碰撞算子BBGKY理论

等离子体物理讲义12_碰撞算子BBGKY理论
2
等离子体的性质依赖于等离子体中大量粒子的同时相互作用。 为简化对等离子体现象的研究,依据作用方式可将相互作用分成两类。 等离子体的平均电场和平均磁场把等离子体中大量粒子之间弱长程 相互作用包括进去。两个带电粒子之间强的短程的两体相互作用可以 用两体碰撞算符表示。
研究等离子体在小于两体碰撞的时间标度内的性质揭示出各式 各样的集体性质,正是这些性质将等离子体状态与其它物质状态区别 开来。然而,需要注意到这个事实,如果在较长的时间标度内研究等 离子体,碰撞最终会迫使等离子体与周围介质达到热力学平衡态。
5
1d
d
1
2d
d
2
和动量矩守恒
d d
其中常数 , 分别为(碰撞前)初始动能和初始动量矩
1d
d
2d
d
解出
1d 2d 2
d2
d
2
.根据动量矩守恒
d
得到 d 2
积分 d
2 其中 由条件
d d 确定,即
d d
0
d 1
6
1 因此偏转角
2
对于 Coulomb 位势而言
=0
d 2
1
其中
/
/
因此
/4
2 arcsin

位置 , ,相对位移是
。碰撞后,粒子的速度分别为
, ,相对速度为
。粒子的运动方程为
3
其中
d
,d
d
d
。引入质心坐标系和相对位移
则 得到质心运动速度 和 折合质量为
d 0
d
d
常矢量
d
d d
结果表明,二粒子碰撞在质心系中相当于一个质心保持匀速直线运动,
相对运动相当一个质量为 的粒子受在力心固定的向心力

等离子体讲义03

等离子体讲义03

第三章,托卡马克工程一个托卡马克等离子体实验装置大致包括这样几部分(图3-1)。

装置的核心部分是发生聚变反应的区域,可以称为装置的主体。

它主要由真空室和产生磁场的磁体组成。

在当前主潮流的装置上还装备了排除杂质的偏滤器。

围绕装置主体的部分,恰如计算机外设,包括诊断系统、辅助加热和电流驱动系统,以及抽气和充气系统,或者拿反应堆的语言说是加料和排灰系统。

以上两部分均安装在一个大厅中,和外界用屏蔽墙防护高能粒子和射线所带来的人身伤害和对仪器设备的干扰。

而控制系统、数据采集和处理系统、磁体电源和其它一些电源、长波波源安置在大厅以外。

图3-1,托卡马克装置各部分分解图3.1 环向磁体托卡马克的磁体系统主要由环向场和极向场两部分组成。

环向场磁体的电流在极向,产生环向磁场约束等离子体。

而极向场磁体的电流在环向,构成欧姆加热变压器以产生和加热等离子体,并保持等离子体的平衡。

两组磁体在空间是正交关系。

在有些装置上还安装了一些产生局部磁场的磁体,可以称为多极场,1,环向磁体环向磁体产生约束等离子体的环向磁场,是托卡马克装置中最重要部件之一。

在所有的托卡马克装置上,环向磁体都是由分立的线圈组成。

这些线圈的中心位于一圆形环轴上,线圈与环轴垂直。

按照安培定律,线圈内的磁场B 和线圈电流I 以及总匝数N 的关系为∫⋅=l d B NI v v 01μ (3-1)其中的积分为线圈内绕环任意回路积分。

考虑积分路径为线圈内半径为R 的圆,而环向磁场假设是均匀的,就得到磁场的强度为RNI B πμ20= (3-2) 从(3-2)可知,真空中的环向磁场和大半径成反比,环内侧强而外侧弱。

一般以环轴处(等离子体的中心处)的磁场为环向场)(0R B 的标定值。

从安培定律角度看,)(0R B 或其它半径处的磁场强度仅和通过积分回路内总电流有关,和线圈形状大小无关。

如果大半径和设计的磁场强度决定,从(3-2)可以知道总电流NI 大小。

但是,由于线圈所储磁能为221LI ,在保证等离子体范围内有充分强的磁场的前提下,应尽量减小线圈的尺寸。

等离子体物理讲义03_绝热不变量磁约束

等离子体物理讲义03_绝热不变量磁约束
8
确定系统本身或者外场的性质,Hamilton 函数
, ; 。假
设 在外部因素影响下随时间缓慢(绝热)变化,也就是说,在一个
运动周期 时间内,参数 的变化很小
,d d
当 为常数时,系统是封闭的且以常能量 和确定的周期
做严格
周期运动;当 变化时,系统不再封闭,能量 不守恒。但是,因为
假设 缓慢变化,所以能量 的变化速率也小。如果按周期平均这个
d
d
d
d
其中等号右端式不仅依赖于慢变参量 ,还依赖于快变变量 , 。为
了分离感兴趣的能量改变的系统性变化过程,应按运动周期平均上式。
考虑到 的变化缓慢,因此参数的变化速度 也缓慢,可将 移到平均
化符号之外
d
d
d
d
9
在被平均的函数 / 中,只将 , 视为变量,参量 不视为变量。 换句话说,在假设 是给定常数的条件下对系统的运动作平均。因此, 可将平均值显式表出
1.1 Hamilton 方程
最小作用原理。在叙述上的巨大改变是由 William R.Hamilton
作出的,这一改变对变分法、常微分方程和偏微分方程都是重要的。
Hamilfon 最小作用原理断言,真实运动是使作用稳定的运动.对于
非保守系统也成立。令
,作用积分
, ,,, ,,
附以条件:所有比较函数 , 在时间 , 必须给出同一定 值。问题是要在真实的 是积分稳定的条件下确定函数 。表 示 的一阶变分为零的条件就是
最小作用原理说,这个作用必须是一个极小值或极大值,也就是 0
3
在一个极小化或极大化的作用中,即使运动是在空间的两个固定点间 和两个确定的时刻 和 之间发生,空间和时间变量也一定是变化的.

等离子体物理讲义02_电磁场中的带点粒子

等离子体物理讲义02_电磁场中的带点粒子

是负值.对于一个任意变化的 ,只需要用 代替i ,可进一步改写为
1+ 1 4
第二项称为有限 Larmor 半径效应.由于离子的 远大于电子的 , 不再与粒子种类无关.如果在等离子体中出现了密度区,电场能引起
离子和电子分离,就产生另一个电场.倘若存在一个反馈的机制,使
得第二个电场增强第一个电场, 就无限地增长,等离子体就是不稳
3.1 梯度漂移 ................................................................................... 23
3.2 曲率漂移 ................................................................................... 25
消.因此空间中的三维轨道为螺距变化的斜螺旋线.
电场漂移与粒子的质量及电荷无关,使得等离子体中所有的带电
粒子都以同样的速度垂直于磁场方向漂移,因此是破坏等离子体磁约
束的一个重要机制。如果外加电场 有平行磁场 的分量
,则不
引起导向中心的漂移,而使导向中心沿磁场方向做加速运动。
8
1.3 任意方向电场 对于任意方向的均匀电场 和磁场 ,定义漂移速度
等离子体物理学讲义
No. 2
马石庄
2012.02.22.北京
1
第 2 讲 电场和磁场中的带电粒子
教学目的:等离于体的行为有时像流体,有时又像个别粒子的集合.在
外部电场和磁场场中单个粒子的运动具有代表性,详细了解单个粒子
运动的规律,可以对等离子体的整体行为得出一些重要结论。
主要内容:
§1. 均匀电场和磁场 ............................................................................... 4

等离子体物理讲义05_冷等离子体波

等离子体物理讲义05_冷等离子体波

等离子体物理学讲义No. 5马 石 庄2012.03.05.北京第讲冷等离子体中的波教学目的:等离子体中的波动现象要比普通介质中的丰富得多.即便热压力忽略不计,冷等离子体中存在静电波和电磁波及其耦合波.由于电子和离子的质量相差悬殊,对于各种扰动的响应不—样,外磁场的普遍存在更使得等离子体波动现象具有新的特点。

主要内容:§1 静电振荡 (3)2.1等离子体振荡 (4)2.2正交静电振荡 (8)2.3低频 Alfven波 (12)§2 电磁波 (16)3.1 高频电磁波 (17)3.2垂向电磁波 (21)3.3平行电磁波 (26)§3沿任意方向传播 (30)3.1介电张量 (32)3.2色散关系 (35)3.3波的传播 (37)习题5 (42)附录:中国著名电离层物理学家 (44)波动现象普遍存在于连续介质之中,通过认识介质中的波动现象了解它的各种性质和状态.等离子体介质的特点就是它能与电磁场相互作用,它是一种电介质.所谓等离子体波动就是等离子体粒子的一种集体运动形式,它的特点由等离子体本身的性质和它所处的物理条件所决定.当等离子体温度很低的情况下,当粒子的随机热运动速度远小于波速,以及回旋半径(对磁化等离子体来说)远小于波长时,这时是冷等离子体 cold plasma ,的基本方程组为带电粒子的运动方程和连续性方程。

当磁场存在时,可能有更多形式的波,需要定义正交,平行,纵向,横向,静电和电磁等术语加以。

对于以exp i · 变化的平面波,平行和垂直用来表示波数矢量 相对于未扰动磁场 的方位,纵向和横向是指 相对于振荡电场 的方向.如果振荡磁场 是零,波是静电的,否则,就是电滋波。

由Maxwell方程如果波是纵向的, 0,波也是静电波.如果波是横向的, 为有限的,波为电磁波.当然, 可能与 或 成任意角度.于是,应当有这里所列出的主模的混合.§1 静电振荡对于 0非磁化等离子体,电场是静电场代入双流体运动方程组,得到·· 0,Poisson 方程这种情况是一般规则“Poisson 方程不能用来求出 ”的例外.考察是简单的情形,假定在无限大空间中不存在磁场,离子均匀分布保持静止,从垂直于磁场传播的高频静电电子振荡入手。

等离子体讲义05

等离子体讲义05

第五章,等离子体诊断5.1,概述1,诊断之意义等离子体,特别是聚变等离子体,是一个多自由度的复杂系统。

其特征不能用一些参数简单表示,而且参数的测量也存在一些复杂因素。

因此,在等离子体研究中,相应于测量的概念是诊断,其意义较测量广泛,包括对数据的分析及对集体运动模式的探测。

以温度测量而言,已发展多种方法,如Thomson散射、回旋辐射、轫致辐射、X射线能谱、电导率测量等。

它们的测量结果,往往是不一致的,而且我们没有根据说哪一结果是“正确”的。

只能在表述这些结果时,标明是哪种方法得到的,如称从电导率计算得到的温度为“电导温度”。

我们之所以这样做,除去各种诊断方法可能有我们无法准确控制的系统误差以外,还因为我们对这种方法所根据的物理模型有某种保留态度,即该模型是否适用于当前的等离子体。

而更根本的原因是,在聚变等离子体中,电子温度往往和离子温度差异很大。

而且,在磁约束装置中,粒子分布函数或温度往往是各向异性的。

再者,由于不同的加热手段的施行,粒子速度可能是非Maxwell分布的,用两个温度,甚至三个温度来描述可能更恰当。

当然,在这样的情况下,用速度分布函数而不用温度来描述等离子体更加严格,但是缺乏实用性,因为分布函数更难于准确测量,而温度是做各种物理分析必不可少的。

按照Wessen的说法,诊断的主要任务是:研究建立稳定等离子体的方法及磁流体不稳定性;决定能量和粒子约束时间及输运系数;发展辅助加热方法;探究和控制等离子体杂质;研究等离子体涨落以确定对等离子体输运的影响。

对于当前一些主要物理问题,特别是ITER所关心的物理问题,所需要的诊断项目可以举例如下表。

表5-1 主要物理研究课题和相应的诊断项目物理研究课题诊断项目要求等离子体约束等离子体参数和加热功率轮廓、杂质活动边界区要求好的空间分辨运转极限参数轮廓、边缘扰动、旋转破裂现象参数轮廓、第一壁测量、逃逸电子快的时间响应偏滤器物理粒子流、参数空间梯度α粒子物理约束α粒子轮廓、逃逸α粒子点火区研究各区域聚变功率、辐射功率稳态燃烧研究参数轮廓诊断的首要功能当然是为物理研究提供必要的数据。

等离子体-第一部分

等离子体-第一部分

等离子体化工导论讲义前言等离子体化工是利用气体放电的方式产生等离子体作为化学性生产手段的一门科学。

因其在原理与应用方面都与传统的化学方法有着完全不同的规律而引起广泛的兴趣,自20世纪70年代以来该学科迅速发展,已经成为人们十分关注的新兴科学领域之一。

特别是,近年来低温等离子体技术以迅猛的势头在化工合成、材料制备、环境保护、集成电路制造等许多领域得到研究和应用,使其成为具有全球影响的重要科学与工程。

例如:先进的等离子体刻蚀设备已成为21世纪目标为0.1μm线宽的集成电路芯片唯一的选择,利用等离子体增强化学气相沉积方法制备无缺陷、附着力大的高品位薄膜将会使微电子学系统设计发生一场技术革命,低温等离子体对废水和废气的处理正在向实际应用阶段过渡,农作物、微生物利用等离子体正在不断培育出新的品种,利用等离子体技术对大分子链实现嫁接和裁剪、利用等离子体实现煤的洁净和生产多种化工原料的煤化工新技术正在发展。

可以说,在不久的将来,低温等离子体技术将在国民经济各个领域产生不可估量的作用。

但是,与应用研究的发展相比,被称为年轻科学的等离子体化学的基础理论研究缓慢而且较薄弱,其理论和方法都未达到成熟的地步。

例如,其中的化学反应是经过何种历程进行,活性基团如何产生等等。

因此,本课程力求介绍这些方面的一些基础理论、研究方法、最新研究成果以及应用工艺。

课程内容安排:1、等离子体的基本概念2、统计物理初步3、等离子体中的能量传递和等离子体的性质4、气体放电原理及其产生方法5、冷等离子体中的化学过程及研究方法6、热等离子体中的化学过程及研究方法7、当前等离子体的研究热点8、等离子体的几种工业应用学习方法:1、加强大学物理和物理化学的知识2、仔细作好课堂笔记,完成规定作业3、大量阅读参考书和科技文献第一章等离子体的概念1.等离子体的定义a.通过气体放电的形式,将电场的能量传递给气体体系,使之发生电离过程,当电离程度达到一定的时候,这种物质的状态就是等离子体状态。

等离子体物理讲义磁约束与稳定性

等离子体物理讲义磁约束与稳定性
等离子体物理学讲义
No. 7
马石庄
2011.03.14.北京
1
第 7 讲 磁约束与稳定性
教学目的:以磁流体为模型,研究作为受控核聚变基础的等离子体约 束的稳定性问题,建立了描述理想磁流体稳定性的力算子及其能量原 理,示意性地建立了压强驱动的交换不稳定和电流驱动的圆柱扭曲不 稳定性的基本图景。 主要内容: §1 磁约束平衡 ........................................................................................ 3
2
磁约束问题人为地分成两部分:平衡问题和稳定性问题.平衡和 稳定性之间的差别可以用力学模拟加以说明。图示出了静止在硬表面 的一个弹子不同情形。平衡有与时间无关的解,小扰动是否被阻尼或 被放大来决定平衡是稳定或是不稳定.在情形 ,只要不把弹子推 出太远,它就处于稳定平衡.一旦运动超过阈值,就处于不稳定状态, 这叫做“爆发性不稳定性”.在情形 ,弹子处于不稳定状态,但是, 不能作非常大的偏移.如果运动振幅的非线性范围不大,这样一种不 稳定性不是很危险的.
因此, 也称作磁通量函数。 表面看来,MHD 平衡 1
既可以给定 求 ,又可以给定 求 。实际是做不到的,
平衡只对具有某种对称性特定的位形可以做到,例如各种磁约束装置。
当用 , , 分别表示 , , 方向的单位矢量时,分别有

1,
因此有
其中
1 2
, 成为极型通量,
, 是,环型磁场
8
T
2
2
极型磁场
1 P2
,几何结构
如图所示。综合考虑径向压强平衡和环向力平衡,环向场近似为
/ ;极向磁场也沿大圆半径方向衰减,也类似地有

等离子体讲义04

等离子体讲义04

(4-21)
(4-22)
这时,标量势 φ 为静电势。 以上守恒方程也可从牛顿定律推出。例如,粒子沿环向的运动方程
m
d v v ( Rvφ ) = eR(v × B) φ dt d dψ v ( Rvφ ) = −ev ⋅ ∇ψ = −e dt dt
(4-23)
从(4-5)可以得到
m
(4-24)
得到(4-20)为常量。 2,环形等离子体内的粒子运动 热运动和漂移运动 在环形磁场位形中,带电粒子做两种运动,即无随机的热运动和 在电场下的漂移运动。我们假设等离子体的电子温度 Te=1keV,电子的平均热运动速度是
J =| ∇r × ∇θ ⋅ ∇φ | −1 =
R dl | ∇r | dθ
(4-15)
其中 R 为磁轴的大半径,后一微商指将无量纲变量 θ 转换为长度量纲。一般线元和度规张 量为
ds 2 = g rr dr 2 + 2 g rθ drdθ + g θθ dθ 2 + g φφ dφ 2
(4-16)
q(r ) =
r Bϕ R0 B p
(4-9)
Hale Waihona Puke 其中的极向场 Bp 可写为
Bp =
μ 0 I p (r ) 2πr
2πB z r 2 μ 0 R0 I p ( r )
2
(4-10)
Ip(r)为该磁面内的等离子体电流总和。代入(4-8)得到
q(r ) =
(4-11)
如果是均匀分布, I p ( r ) ∝ r ,安全因子与小半径无关。一般的等离子体电流轮廓都是中 间高,所以安全因子是从内到外逐渐增大(图 4-5 左) 。从安全因子的表示上看,我们总希 望用最小的磁场达到最大的电流,所以我们总希望降低安全因子。在一般的托卡马克上,等 离子体表面的安全因子值 q(a)在 2-3 以上。进一步降低这一表面 q 值会引起不稳定性。这就 是安全因子一词的由来。 一般情况下,从一磁面的小截面的不同点出发,绕大环和小环圈数之比可能不同,这 时的安全因子的定义为多次环绕后的平均值。也可将安全因子可定义为

等离子腐蚀技术

等离子腐蚀技术

等离子体腐蚀技术实验讲义编写:王中文一、实验目的1.了解等离子体腐蚀的基本原理2.熟悉用氧等离子体去胶的基本原理二、实验设备及材料等离子体发生器,机械泵,硅片,氧气三、等离子体腐蚀的基本原理及实验步骤1、等离子体——物质的第四态概述物质有三态:固态、液态和气态,这是大家熟知的,然而近些年来,物质的第四态——等离子态已日益引起人们的重视。

我们知道一般来说温度越高、物质的粒子越活跃:在固体中原子和分子等质点是有规则地整齐排列;在液体中这些质点可以运动,但是受到一定的限制;在气体中分子或原子能自由运动,但是在原子内部的电子只能沿量子力学确定的“轨道”有规则地运动;而在等离子体内,一些电子已经脱离原子,并且能够完全自由运动,失去一部分电子的原子和分子带有正电荷,即称正离子,而原子和分子也可与自由电子结合而带有负电荷,即称负离子。

等离子体就是由正离子、负离子、自由电子等带电粒子以及不带电的中性粒子如激发态分子,自由基等组成的气体,由于其正负电荷相等,所以叫等离子体。

同时由于自由运动的电子可以传递电流,所以等离子体也就是导电的气体。

2、通常使气体产生电离有如下三种方法:(a)热致电离;(b)辐射电离;(c)放电电离3、等离子体去胶的优点在半导体器件和集成电路制造工艺中,用等离子体去胶工艺代替常规的化学溶剂及高温氧化去胶具有许多优点。

我们知道,常规的化学溶剂去胶需用发烟硝酸或其它化学溶剂(如硫酸或铬酸洗液等)浸泡,还要用丙酮棉擦胶,这不仅废酸容易造成公害,而且常常由于擦胶划伤硅片而影响器件的质量及可靠性,采用等离子去胶则克服了这些缺点。

在集成电路多层布线工艺中,若用等离子体去胶代替高温氧化去胶,可解决一次布线的铝层发黄问题,从而保证了二次布线的欧姆接触,提高布线的合格率,为大规模集成电路的发展提供了有利的条件。

而且等离子体去胶工艺还具有操作简单、成本低,去胶速率高等优点。

4、等离子体腐蚀的装置等离子体腐蚀的装置如图1所示。

  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。

气体放电中等离子体的研究一、 实验目的1.了解气体放电中等离子体的特性。

2.利用等离子体诊断技术测定等离子体的一些基本参量。

二.实验原理1.等离子体及其物理特性等离子体(又称等离子区)定义为包含大量正负带电粒子、而又不出现净空间电荷的电离气体。

也就是说,其中正负电荷密度相等,整体上呈现电中性。

等离子体可分为等温等离子体和不等温等离子体,一般气体放电产生的等离子体属不等温等离子体。

等离子体有一系列不同于普通气体的特性:(1)高度电离,是电和热的良导体,具有比普通气体大几百倍的比热容。

(2)带正电的和带负电的粒子密度几乎相等。

(3)宏观上是电中性的。

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能无限扩大,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λD 。

当系统尺度L >λD 时,系统呈现电中性,当L <λD 时,系统可能出现非电中性。

2.等离子体的主要参量描述等离子体的一些主要参量为:(1)电子温度e T 。

它是等离子体的一个主要参量,因为在等离子体中电子碰撞电离是主要的,而电子碰撞电离与电子的能量有直接关系,即与电子温度相关联。

(2)带电粒子密度。

电子密度为e n ,正离子密度为i n ,在等离子体中e i n n 。

(3)轴向电场强度L E 。

表征为维持等离子体的存在所需的能量。

(4)电子平均动能e E。

(5)空间电位分布。

此外,由于等离子体中带电粒子间的相互作用是长程的库仑力,使它们在无规则的热运动之外,能产生某些类型的集体运动,如等离子振荡,其振荡频率Fp 称为朗缪尔频率或等离子体频率。

电子振荡时辐射的电磁波称为等离子体电磁辐射。

3.稀薄气体产生的辉光放电本实验研究的是辉光放电等离子体。

辉光放电是气体导电的一种形态。

当放电管内的压强保持在10~102P a时,在两电极上加高电压,就能观察到管内有放电现象。

辉光分为明暗相间的8个区域,在管内两个电极间的光强、电位和场强分布如图2.3-1所示。

8个区域的名称为(1)阿斯顿区,(2)阴极辉区,(3)阴极暗区,(4)负辉区,(5)法拉第暗区,(6)辉区(即正辉柱),(7)阳极暗区,(8)阳极辉正辉区是我们感兴趣的等离子区。

其特征是:气体高度电离;电场强度很小,且沿轴向有恒定值。

这使得其中带电粒子的无规则热运动胜过它们的定向运动。

所以它们基本上遵从麦克斯韦速度分布律。

由其具体分布可得到一个相应的温度,即电子温度。

但是,由于电子质量小,它在跟离子或原子作弹性碰撞时能量损失很小,所以电子的平均动能比其他粒子的大得多。

这是一种非平衡状态。

因此,虽然电子温度很高(约为105K),但放电气体的整体温度并不明显升高,放电管的玻璃壁并不软化。

4.等离子体诊断测试等离子体的方法被称为诊断,它是等离子体物理实验的重要部分。

等离子体诊断有(1)探针法,(2)霍尔效应法,(3)微波法,(4)光谱法,等等。

等等。

本次实验中采用探针法。

(1)探针法。

探针法测定等离子体参量是朗缪尔提出的,又称朗缪尔探针法。

分单探针法和双探针法①单探针法。

探针是封入等离子体中的一个小的金属电极(其形状可以是平板形、圆柱形、球形),其接法如图2.3-2所示。

以放电管的阳极或阴极作为参考点,改变探针电位,测出相应的探针电流,得到探针电流与其电位之间的关系,即探针伏安特性曲线,如图2.3-3所示。

对此曲线的解释为:在AB段,探针的负电位很大,电子受负电位的拒斥,而速度很慢的正离子被吸向探针,在探针周围形成正离子构成的空间电荷层,即所谓“正离子鞘”,它把探针电场屏蔽起来。

等离子区中的正离子只能靠热运动穿过鞘层抵达探针,形成探针电流,所以AB段为正离子流,这个电流很小。

过了B点,随着探针负电位减小,电场对电子的拒斥作用减弱,使一些快速电子能够克服电场拒斥作用,抵达探极,这些电子形成的电流抵消了部分正离子流,使探针电流逐渐下降,所以BC段为正离子流加电子流。

到了C点,电子流刚好等于正离子流,互相抵消,使探针电流为零。

此时探针电位就是悬浮电位UF 。

继续减小探极电位绝对值,到达探极电子数比正离子数多得多,探极电流转为正向,并且迅速增大,所以CD段为电子流加离子流,以电子流为主。

当探极电位UP 和等离子体的空间电位US 相等时,正离子鞘消失,全部电子都能到达探极,这对应于曲线上的D点。

此后电流达到饱和。

如果UP 进一步升高,探极周围的气体也被电离,使探极电流又迅速增大,甚至烧毁探针。

由单探针法得到的伏安特性曲线,可求得等离子体的一些主要参量。

对于曲线的CD段,由于电子受到减速电位(UP -US )的作用,只有能量比e(UP -US )大的那部分电子能够到达探针。

假定等离子区内电子的速度服从麦克斯韦分布,则减速电场中靠近探针表面处的电子密度ne ,按玻耳兹曼分布应为()0exp (1)p s e e e U U n n kT ⎡⎤-=⎢⎥⎢⎥⎣⎦式中no 为等离子区中的电子密度,Te 为等离子区中的电子温度,k为玻耳兹曼常数。

在电子平均速度为v e 时,在单位时间内落到表面积为S的探针上的电子数为:14(2)e e e N n v S= 将(1)式代入(2)式得探针上的电子电流:()104exp (3)p s e e e e U U I N e n v S e I kT ⎡⎤-=⋅=⋅⋅=⎢⎥⎢⎥⎣⎦其中1004(4)e I n v S e=⋅⋅对(3)式取对数0ln ln (5)p s e eeU eU I I kT kT =-+ 其中 0ln s e eU I kT -=常数 故ln 6pe eU I kT =+常数()可见电子电流的对数和探针电位呈线性关系。

作半对数曲线,如图2.3-4所示,由直线部分的斜率tg φ,可决定电子温度e T :ln p e I e tg U kT φ==11600(K)7e e T ktg tg φφ==()若取以10为底的对数,则常数11600应改为5040。

电子平均动能e E 和平均速度e v 分别为:32e E kT = (8)8e e e kT v m π=(9) 式中e m 为电子质量。

由(4)式可求得等离子区中的电子密度:0042e e e e I I m n eS kT eSv π==(10) 式中I 0为UP =Us时的电子电流,S为探针裸露在等离子区中的表面面积。

②双探针法。

单探针法有一定的局限性,因为探针的电位要以放电管的阳极或阴极电位作为参考点,而且一部分放电电流会对探极电流有所贡献,造成探极电流过大和特性曲线失真。

双探针法是在放电管中装两根探针,相隔一段距离L 。

双探针法的伏安特性曲线如图2.3-5 所示。

熟悉了单探针法的理论后,对双探针的特性曲线是不难理解的。

在坐标原点,如果两根探针之间没有电位差,它们各自得到的电流相等,所以外电流为零。

然而,一般说来,由于两个探针所在的等离子体电位稍有不同,所以外加电压为零时,电流不是零。

随着外加电压逐步增加,电流趋于饱和。

最大电流是饱和离子电流I s1,I s2。

双探针法有一个重要的优点,即流到系统的总电流决不可能大于饱和离子电流。

这是因为流到系统的电子电流总是与相等的离子电流平衡。

从而探针对等离子体的干扰大为减小。

由双探针特性曲线,通过下式可求得电子温度e T :12120i i e i i U I I e dU T k I I dI =⋅=⋅+(11) 式中e 为电子电荷,k 为玻耳兹曼常数,1i I ,2i I 为流到探针1和2的正离子电流。

它们由饱和离子流确定。

U dU dI =是0U =附近伏安特性曲线斜率。

电子密度e n 为: 2s e e I M n eS kT =(12)式中M 是放电管所充气体的离子质量,S 是两根探针的平均表面面积。

s I 是正离子饱和电流。

由双探针法可测定等离子体内的轴向电场强度E L 。

一种方法是分别测定两根探针所在处的等离子体电位U 1和U 2,由下式得式中l 为两探针间距。

另一种方法称为补偿法,接线如图2.3-6所示。

当电流表上的读数为零时,伏特表上的电位差除以探针间距L ,也可得到EL 。

四. 实验仪器 本实验用等离子体物理实验组合仪(以下简称组合仪)、接线板和等离子体放电管。

放电管的阳极和阴极由不锈钢片制成,霍尔电极(平行板)用不锈钢片或镍片制成。

管内充汞或氩。

相关实验参数如下:探针直径(mm): 0.45 亥姆霍兹线圈直径(mm):200.00 探针轴向间距(mm): 30.00 亥姆霍兹线圈间距(mm):1213L U U E l -=()100.00放电管内径(mm): 6.00 亥姆霍兹线圈匝数: 400 平行板面积(mm^2): 28.00 放电电流(mA): 90 平行板间距(mm): 4.00 取样电阻值(Ω): 1000五、实验内容1.单探针法测等离子体参量进行单探针法诊断实验可用三种方法:一种方法是逐点改变探针电位,记录探针电位和相应的探针电流数值,然后在直角坐标纸和半对数纸上绘出单探针伏安特性曲线。

另一种方法用X-Y函数记录仪直接记录探针电位和探针电流,自动描绘出伏安特性曲线。

第三种方法是电脑化X-Y记录仪和等离子体实验辅助分析软件,测量伏安特性曲线,算出等离子体参量。

单探针法实验原理图如图2.3-8所示。

(1)逐点记录法的操作步骤大致如下:按图2.3-9连接线路。

接通仪器主机总电源、测试单元电源、探针单元电源和放电单元电源,显示开关置“电压显示”,调节输出电压使之为300V以上,再把显示开关置“电流显示”,按“高压触发”按钮数次,使放电管触发并正常放电,然后,将放电电流调到30-100mA之间的某一值。

将探针单元输出开关置“正向输出”,调节“输出电压电位器”旋钮,逐点记录测得的探针电压和探针电流,直到完成单探针的U-I特性曲线的测量。

(2)用X-Y函数记录仪测量按图2.3-10接线路,接通仪器主机总电源、测试单元电源、探针单元电源和放电单元电源。

按前述方法使放电管放电,将放电电流调到需要值。

接通X-Y函数记录仪电源,选择合适的量程。

在接线板上选择合适的电阻。

将选择开关置“自动”,则探针电压输出扫描电压,当需要回零时,按“清零”按钮,电压又从零开始扫描。

让函数记录仪自动记录单探针的U-I特性曲线。

由于等离子体电位在几分钟内可能有25%的漂移,逐点法测试时间较长,会使得到的曲线失真,而用X-Y记录仪测量比较快,所以,可得到比逐点法好的曲线。

由逐点记录和自动描绘的伏安特性曲线上求出电子温度、电子密度、平均动能。

(3)用电脑化X-Y记录仪测量线路与图2.3-10基本相同,只不过用电脑化X-Y记录仪代替普通的函数记录仪,微机内已安装数据采集软件以及等离子体实验辅助分析软件,这些软件的使用方法请参阅仪器使用说明书,或者软件的在线帮助。

相关文档
最新文档