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。

b．简单说来，等离子体是由气体分子、原子、原子团、电子、离子和光子组成的体系，是物质的第四态。

2．等离子体的一些基本性质

a．高焓、高内能状态的物质，可以非常容易地为化学反应的体系提供活化能。

b．等离子体是一种导电流体，因此这种流体容易与电场和磁场发生相互作用，从而将电场能量转化为自己的内能，为化学反应的体系提供活化能。

3．等离子体的用途

a．能源领域：受控核聚变

b．空间物理及天体物理

c．材料领域：材料的改性：例如增加四氟乙烯表面的浸润性。

材料的合成：高分子材料：通过等离子体增强它的接枝与聚合。

合成超细粉末：例如合成纳米粉体：SiC,AlN,TiO2……

d．在天然气化工方面：天然气制乙炔、合成气

4、等离子体的描述

1）等离子体的密度：

n e n

i

n

g

单位m-3 cm-3

2) 电离度的概念

α=n e/(n g+n e) 0<α≤1单位体积中的电子云密度与原来气体密度的比值。无量纲

3) 等离子体的温度

T

e ，T

g

，T

i

……T

p

一般情况下，温度由K,℃来描述，但在等离子体物理中，用eV（电子伏特）描述：

1eV=1.602*10-19焦耳=11600K

体系温度T

p =(T

e

n

e

+T

g

n

g

+T

i

n

i

)/(n

e

+n

g

+n

i

)

4）等离子体的分类

a．高温等离子体 T＞106 K

b．低温等离子体：T

p

≤104K

热等离子体：中性气体温度等于电子温度；

冷等离子体：T

e ≥T

i

,T

g

4．等离子体的压强：P=nKT, P

e ,P

g

,……P

i

P p = P

e

+ P

g

+ P

i

作业

1、在辉光放电等离子体中，气体的压强为20 Pa，电离度α＝10－4，电子温度T

e

＝1eV，重粒子温度350K。试确定放电管中的等离子体宏观温度，这种等离子体是热等离子体还是冷等离子体。

2、在弧光放电等离子体中，电子密度为1014cm－3，中性气体密度为1017cm－3，电子温度与重粒子温度同为0.5eV，试计算这种等离子体的压强。（作理想气体近似

3、一般情况下，等离子体中存在几种基本粒子？试简述这些基本粒子的主要特征。

第二章微观粒子热运动速率和能量统计分布律

一麦克斯韦速率分布（见图2）

只要粒子通过充分的碰撞，发展形成平衡态，该体系粒子性质服从麦氏分布

f(v)＝

22

2

3

2exp 24v kT

mv kT m ⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛-⎪⎭

⎫ ⎝⎛

ππ 式中m （kg ）为被统计粒子的质量，k=1.38X 10-23J/K 为玻尔兹曼常数，T （K ）为粒子的温度。分布函数的意义：分布在单位速率区间内粒子的数目与总数目之比。

设系统的粒子总数为N 0，利用分布函数可以非常方便地得到速率在

v v v d ~+内的粒子数目

()dv v f N dN 0=，

注：()⎰dv v f =1……归一化条件 分布函数的归一化：()⎰∞

0dv v f =1

分布函数的意义：

1、若长时间地跟踪某一粒子，其处于dv v ~区间内的几率由分布函数表示。

2、若在某一瞬间把整个系统的粒子速度固定，那么处于dv v ~区间内粒子的数目占整个系统粒子数目的比值即它所占的分率。

利用分布函数，也可以对微观粒子所体现的宏观量进行统计计算。 单个微粒的内能：KT 23=

ε 理想气体单位体积的内能：KTn 2

3

=υ ()dv x f mv E ⎰

∞

=0

2

2

1 =

dv v e kT m mv kT

mv 222

30

222421-∞

⎰

⎪⎭

⎫ ⎝⎛ππ

=

kT m kT kT m m 2328342212

52

3

=⎪⎭

⎫ ⎝⎪⎭⎫ ⎝⎛πππ k :波尔兹曼常数； T ：被统计粒子的温度 (v)

图2 分布函数的图象

注： dx e

x ⎰

∞

-=0

n

2

x f(n)λ