等离子体物理及其应用
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等离子体物理与应用
目录
（一）引言：等离子体基本概念与状态 （二）单粒子运动 （三）等离子体中的反应 （四）低温等离子体的发生 （五）等离子体诊断 （六）低温等离子体与成膜 （七）等离子体CVD与等离子体聚合 （八）低温等离子体表面改性
主要参考书籍： 等离子体物理导论，刘万东，中国科学技术 大学 等离子体与成膜基础，小沼光晴，德国马普 固体研究所
For 5 mtorr of argon (~300K) with 5eV electrons Collision type Mean Free Path 40 m
电子-电子 电子-氩(电离) 电子-氩(二次电离)
电子-氩 (动量损失) 50 cm
5m 100 m
氩 -氩
Βιβλιοθήκη Baidu
2 cm
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
瞬态鞘层
高压鞘层
7. 等离子体的整体特性
电阻和电导
单极扩散: D~kT/m 电子比离子快得多 利用电阻进行欧姆加热 双极扩散: 电子离子共同的扩散
等离子体中的扩散输运
二. 等离子体学科
到70年代末，等离子体已 发展成为一门独立的分支学科， 其研究对象为： 天体等离子体 近地电离层空间等离子体 人工产生的实验室等离子体。
2. 冷等离子体及其应用
•大气压放电等离子体 •低气压放电等离子体
A. 大气压放电等离子体
大气压放电等离子体的应用
a. 电晕放电－空气净化、印刷制板、脱硫、脱硝、尾气 处理、生物应用； b. 介质阻挡放电－臭氧、消毒、种子处理;
c. 辉光放电－纺织、有机物表面处理；
d. 多项介质放电－水处理、化工应用 e. 刻蚀和制备薄膜。 刻蚀-已经应用 镀膜-正在开始
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广应用前景。
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
冷等离子体（非平衡态等离子体Ti<<Te ）。
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
A. 等离子体焊接与切割
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；
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 用目标,可将实验室等离子体分为:
高温等离子体：温度T在数十eV(几十万度)以上
几乎完全电离,氢弹和可控核聚变；
低温等离子体：温度T在数十eV(几十万度)以下
部分电离<50%,各种工业应用.
四. 高温等离子体
能源分为三大类: 化石能源 自然能源
研究等离子体的主要单位
高温－等离子体所、西南物理研究院、 清华工物系、物理所、科大 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 学、东南大学、七0一 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 大学、西北师大、 9院、21所、国防科大
合成粉、合成气、分解、化合
D. 等离子体冶金和中间包加热
电弧炼钢、各种有色金属冶炼；
保持连铸中间包恒温。
E. 等离子体炬燃烧废物
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； 助燃燃煤锅炉，降低硫排放两倍以上； 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。
B. 低气压放电等离子体的应用
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. 等离子体离子源
e. 等离子体制备薄膜材料
a. 等离子体光源和显示
有极灯：荧光灯、纳灯、卤数灯，已广泛应用。
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。
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： 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，在材料、信息 、能源、化工、冶金、机械、环保、军工、和 航天等领域表现出了突出的优势。 人们通常又把低温等离子体分成为： 热等离子体（平衡态等离子体Ti~Te）；
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 的宏观时空尺度（大于德拜屏蔽半径） 的体系。
D. 等离子体离子源
聚变研究中的中性束加热技术 离子束技术在生物工程中的应用 离子束辅助沉积薄膜技术 离子束技术简介 其他应用
E. 等离子体制备薄膜材料
等离子体制备薄膜材料是冷等离子体应 用最活跃的领域；
已经形成产业或正在形成的产业项目包 括两方面：
等离子体制备薄膜方法和设备； 薄膜材料研究和产业。
2. 等离子体产生
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kT>0.1eV时气体才有明显的电离 复合
0+ 1+ e-
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
3.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
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
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）。 等离子体显示电视机。
b. 等离子体表面处理
金属表面氮化 有机材料表面侵水性处理 等离子体纺织印染整理设备
C. 等离子体刻蚀加工
微电子芯片的刻蚀加工
微米、亚微米、深亚微米、纳米； 微机械加工； 光学镜面的刻蚀加工。
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 = 12000°c) 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 )
5. 平均自由程和碰撞频率
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
(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. 2.
3.
物质第四态 等离子体产生
带电粒子在电磁场中的运动
4. 5. 6.
7.
等离子体的准中性和表征参数 平均自由程和碰撞频率 等离子体鞘层 等离子体的整体特性
木材 煤炭 石油 水力 风力 太阳能
核能
核裂变 核聚变
核能的现状与发展:
重核裂变
储量有限 污染环境
轻核聚变
储量充足 污染小
不安全
安全
高温等离子体研究的主要目标
氢弹-毁灭人类的最可怕的武器 和平利用:高温等离子体条件下氘氚核聚变反应 产生的巨大能量,可以解决人类未来的能源问题 D + 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
目录
（一）引言：等离子体基本概念与状态 （二）单粒子运动 （三）等离子体中的反应 （四）低温等离子体的发生 （五）等离子体诊断 （六）低温等离子体与成膜 （七）等离子体CVD与等离子体聚合 （八）低温等离子体表面改性
主要参考书籍： 等离子体物理导论，刘万东，中国科学技术 大学 等离子体与成膜基础，小沼光晴，德国马普 固体研究所
For 5 mtorr of argon (~300K) with 5eV electrons Collision type Mean Free Path 40 m
电子-电子 电子-氩(电离) 电子-氩(二次电离)
电子-氩 (动量损失) 50 cm
5m 100 m
氩 -氩
Βιβλιοθήκη Baidu
2 cm
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
瞬态鞘层
高压鞘层
7. 等离子体的整体特性
电阻和电导
单极扩散: D~kT/m 电子比离子快得多 利用电阻进行欧姆加热 双极扩散: 电子离子共同的扩散
等离子体中的扩散输运
二. 等离子体学科
到70年代末，等离子体已 发展成为一门独立的分支学科， 其研究对象为： 天体等离子体 近地电离层空间等离子体 人工产生的实验室等离子体。
2. 冷等离子体及其应用
•大气压放电等离子体 •低气压放电等离子体
A. 大气压放电等离子体
大气压放电等离子体的应用
a. 电晕放电－空气净化、印刷制板、脱硫、脱硝、尾气 处理、生物应用； b. 介质阻挡放电－臭氧、消毒、种子处理;
c. 辉光放电－纺织、有机物表面处理；
d. 多项介质放电－水处理、化工应用 e. 刻蚀和制备薄膜。 刻蚀-已经应用 镀膜-正在开始
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广应用前景。
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
冷等离子体（非平衡态等离子体Ti<<Te ）。
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
A. 等离子体焊接与切割
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；
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 用目标,可将实验室等离子体分为:
高温等离子体：温度T在数十eV(几十万度)以上
几乎完全电离,氢弹和可控核聚变；
低温等离子体：温度T在数十eV(几十万度)以下
部分电离<50%,各种工业应用.
四. 高温等离子体
能源分为三大类: 化石能源 自然能源
研究等离子体的主要单位
高温－等离子体所、西南物理研究院、 清华工物系、物理所、科大 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 学、东南大学、七0一 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 大学、西北师大、 9院、21所、国防科大
合成粉、合成气、分解、化合
D. 等离子体冶金和中间包加热
电弧炼钢、各种有色金属冶炼；
保持连铸中间包恒温。
E. 等离子体炬燃烧废物
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； 助燃燃煤锅炉，降低硫排放两倍以上； 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。
B. 低气压放电等离子体的应用
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. 等离子体离子源
e. 等离子体制备薄膜材料
a. 等离子体光源和显示
有极灯：荧光灯、纳灯、卤数灯，已广泛应用。
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。
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： 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，在材料、信息 、能源、化工、冶金、机械、环保、军工、和 航天等领域表现出了突出的优势。 人们通常又把低温等离子体分成为： 热等离子体（平衡态等离子体Ti~Te）；
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 的宏观时空尺度（大于德拜屏蔽半径） 的体系。
D. 等离子体离子源
聚变研究中的中性束加热技术 离子束技术在生物工程中的应用 离子束辅助沉积薄膜技术 离子束技术简介 其他应用
E. 等离子体制备薄膜材料
等离子体制备薄膜材料是冷等离子体应 用最活跃的领域；
已经形成产业或正在形成的产业项目包 括两方面：
等离子体制备薄膜方法和设备； 薄膜材料研究和产业。
2. 等离子体产生
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kT>0.1eV时气体才有明显的电离 复合
0+ 1+ e-
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
3.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
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
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）。 等离子体显示电视机。
b. 等离子体表面处理
金属表面氮化 有机材料表面侵水性处理 等离子体纺织印染整理设备
C. 等离子体刻蚀加工
微电子芯片的刻蚀加工
微米、亚微米、深亚微米、纳米； 微机械加工； 光学镜面的刻蚀加工。
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 = 12000°c) 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 )
5. 平均自由程和碰撞频率
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
(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. 2.
3.
物质第四态 等离子体产生
带电粒子在电磁场中的运动
4. 5. 6.
7.
等离子体的准中性和表征参数 平均自由程和碰撞频率 等离子体鞘层 等离子体的整体特性
木材 煤炭 石油 水力 风力 太阳能
核能
核裂变 核聚变
核能的现状与发展:
重核裂变
储量有限 污染环境
轻核聚变
储量充足 污染小
不安全
安全
高温等离子体研究的主要目标
氢弹-毁灭人类的最可怕的武器 和平利用:高温等离子体条件下氘氚核聚变反应 产生的巨大能量,可以解决人类未来的能源问题 D + 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