第4章气体放电和低温等离子体
《气体放电中等离子体的研究》报告
气体放电中等离子体的研究姓名＿＿＿＿＿学号＿＿＿＿＿院系＿＿＿＿＿气体放电中等离子体的研究一引言等离子体是由大量的自由电子和离子组成，在整体上表现为近似电中性的电离气体。
由于等离子体有着许多独特的物理和化学性质，它已广泛应用于能源、航空、表面处理及垃圾焚烧等领域。
准确测量等离子体的参数，是各领域研究及应用的关键环节。
在众多等离子体测量手段中，郎缪尔探针法被认为是最简便的一种方法。
郎缪尔探针法由伸入等离子体内的导体作为探针向它施加电压，通过测定探针电流得到电流-电压（I-V）特性曲线，从而求得等离子体的参数。
本文主要介绍了探针法的工作原理，利用探针法测量等离子体的一些主要参量，并通过实验分析了影响实验结果的各种因素。
二实验原理1 等离子体定义及其物理特性等离子体是一种由等量正负电荷离子和中性粒子组成的电离气体，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。
描述等离子体的一些主要参量有电子温度Ｔe、带电粒子密度、轴向电场强度ＥL、电子平均动能Ｅe、空间电位分布等。
2 气体放电原理气体放电可以采用多种能量激励形式，如直流、微波、射频等能量形式。
其中直流放电因为结构简单、成本低而受到广泛应用。
直流放电形成辉光等离子体的典型结构如图1所示。
图1 气体放电管工作原理图图2辉光放电的唯相结构示意图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1０-1０2Pａ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所示。
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。
低温等离子体ppt课件
K阚庆鑫 0294
目录
*低温等离子体的概念 *低温等离子体废气处理 *低温等离子体在肿瘤治疗中的应用
低温等离子体
低温等离子体 废气处理工艺
低温等离子体降解污染物是利用这些高能电 子、自由基等活性粒子和废气中的污染物作 用，使污染物分子在极短的时间内发生分解， 并发生后续的各种反应以达到降解污染物的 目的。 （注：低温等离子体相对于高温等离子体而 言，属于常温运行。）
２ 低温等离子体 抗肿瘤作用机制
等离子体中的带电粒子包括电子和各种正负 离子，相关研究表明，这些带电粒子对病菌 都有灭活作用；ＲＯＳ对生物体作用时起着 重要的作用。
２ 低温等离子体 抗肿瘤作用机制
氧原子和含氧的活性粒子（Ｏ、ＯＨ、Ｈ２ Ｏ ２等）在杀菌过程中起到了主要的作用。 当处理物或工作气体中含有水分子时，等离 子体就会产生一定量的 ＯＨ，ＯＨ具有较 高的活性。当２个ＯＨ相结合时将产生Ｈ２ Ｏ２，它能穿过细胞膜进入细胞内部，激活 细胞周期关卡发出细胞瀑布式死亡信号。
原理
DDBD 等离子体反应区富含极高的物质， 如高能电子、离子、自由基和激发态 分子等， 废气中的污染物质可与这些具有较高 能量的物质发生反应，使污染物质在 极短的时间内发生分解，并发生后续 的各种反应以达到降解污染物的目的。
ห้องสมุดไป่ตู้
等离子体去除污染 物的基本过程
在医学领域中的应用
在科学研究中用的低温等离子体通常其电 子温度在几至几十电子伏特之间。
２ 低温等离子体 抗肿瘤作用机制
２ 低温等离子体 抗肿瘤作用机制
等离子体是通过它的活性成分对生物体进行 综合作用，从而使得细胞骨架的微观结构或 者蛋白质等大分子物质、遗传物质（ＤＮＡ、 ＲＮＡ等）的结构或性质、微生物体内的细 胞质体等发生变化，从而使微生物失活或者 使其遗传性状发生改变，或者通过促使相关 的酶活性发生改变，使活体组织的新陈代谢 发生改变，从而达到抗肿瘤的目的。
气体放电等离子体特性实验
实验七气体放电等离子体特性实验当温度在0ºC会变成水，而温度上升到100ºC时，水会沸腾变成水蒸气，这就是我们熟知的物质三态（固态、液态和气态）。
而当温度升到几千度时，气态物质由于分子热运动剧烈，物质分子相互间的碰撞会使气体分子发生电离，在电离过程中正离子和电子总是成对出现，这样气态物质就变成由相互作用的正离子和电子组成的物质的第四态－等离子体。
由于在等离子体中正离子和电子总数大致相等，因此等离子体在宏观上保持电中性。
所以等离子体实质上是密度大致相等的带正电荷的离子和带负电荷的电子组成的电离气体。
因为等离子体有着许多独特的性能，如温度高、粒子动能大，化学性质活泼等，因此广泛应用于能源、物质与材料和环境等领域中。
【实验目的】本实验的目的是观察气体放电现象，用探极法测量等离子体物理参量。
学习掌握真空溅射镀膜的知识、方法。
【实验原理】1.等离子区的产生气体原来是不导电的绝缘介质，当我们把它密封在一个长的圆柱形玻璃放电管中，在放电管的阴极和阳极间加上直流高压（管的气体压强几十帕），在所加高压达到某一个电压值时，放电管被明亮发光的等离子体充满，即放电管发生辉光放电，整个放电空间为明暗相间的八个光层所分割，如图1，其中⑥即为等离子区。
图1①阿斯屯暗区由于电子刚从阴极发出，能量很小，不能使气体分子产生电离和激发，因此不能发光，所以是暗区，这是一个极薄的区域。
②阴极辉区电子通过阿斯屯暗区的加速，具有较大的动能，当这些电子遇到气体分子发生碰撞时，使气体分子激发发光。
③阴极暗区电子经前二区域，绝大部分电子没有和气体分子碰撞，因此在这区域内的电子具有很大的能量，产生很强的电离。
而电子较轻，受电场力作用后跑掉，留下大量正离子，使得这里具有很高的正离子浓度，形成极强的正电荷空间，造成电场的严重畸变，结果绝大部分管压都集中在这一区域和阴极之间。
在这样强的电场作用下，正离子以很大的动能打向阴极产生显著的二次电子过程，而电子又以很大的加速度离开阳极，向前运动产生雪崩过程。
低温气态等离子体物理学研究
低温气态等离子体物理学研究第一章概述低温等离子体物理学是近年来发展最快的领域之一。
它主要研究的是在相对较低的温度下形成的气态等离子体的物理现象。
低温等离子体已经被成功地应用于多种工业和医疗领域，有着广泛的应用前景。
本文主要介绍低温气态等离子体的物理特性及其在研究中所扮演的重要角色。
我们将从等离子体的基本概念和形成机制出发，分别探讨其在气体放电、等离子体诊断技术、等离子体与表面相互作用等方面的应用。
第二章基本概念和形成机制1.等离子体的定义和产生条件等离子体是指由气态物质中部分或全部离子化的高度电离状态。
当气体分子被较为剧烈地激发或加热时，分子内部电子被从原子或分子中剥离，形成带正电的离子和带自由电子的等离子体。
在此状态下，气体成为导电介质，而且呈现出多种特殊的物理性质。
产生等离子体的条件主要包括气体电离、热电子发射以及微波、激光等干扰辐射等。
2.等离子体的特性等离子体的基本特性包括电离度、电导率、等离子体密度和运动性质等，这些特性依赖于等离子体中的离子浓度和温度。
在气体电离过程中，等离子体的电离度密切关联着其电导率和导电能力。
电导率是等离子体导电能力的度量，它是等离子体的电场强度单位下单位长度内的电流密度，通常用斯文贝理定律（Ohm’s law）来描述。
第三章气体放电1.气体放电的基本原理气体放电是通过在气体中施加电场，将气体电离后形成的带电粒子在电场作用下加速运动，放出能量并与其他气体分子相互碰撞产生新的带电粒子，从而实现放电过程。
气体放电被广泛应用于照明、电力工业、材料加工等领域。
2.电晕放电电晕放电是指在电极附近的气体区域内发生的局部放电现象，它是气体放电中的一种常见形式。
电晕放电是一种弱变化的放电形式，其电流不大，可以承受很长时间。
这种放电方式通常是通过在丝芯上施加交流高电压来实现的。
第四章等离子体诊断技术1.电子探针电子探针是一种通常用于等离子体诊断的工具，它能够测量等离子体中的电子能量、密度、电子温度以及其他相关信息。
气体辉光放电与等离子体物理
气体辉光放电与等离子体物理气体辉光放电是一种发光的现象，在低压下，通过在气体中施加电场而产生的等离子体导电现象。
这种现象在我们日常生活中随处可见，例如荧光灯、氖灯等。
气体辉光放电的研究不仅仅是对这种现象的深入理解，也是研究等离子体物理的重要一环。
辉光放电的基本原理是：当在两个电极之间施加高电压时，电场足够强以致将气体分子电离，形成正负离子对。
这些离子在电场的作用下加速运动，在与气体分子碰撞或与其他离子碰撞时，发生能量交换，导致离子再次发射能量。
这一能量会以光的形式辐射出来，形成气体辉光放电现象。
气体辉光放电的研究对于等离子体物理的发展至关重要。
等离子体是第四态物质，由正、负离子和电子组成，具有导电性和态密度较高的特点。
由于气体辉光放电是一种产生等离子体的方法，在研究等离子体的性质和应用方面有着广泛的应用。
首先，气体辉光放电可以用于研究等离子体的基本性质。
通过在气体中加入适量的斯塔克效应试剂，可以调整电子及离子能级。
通过测量气体中的辉光发射光谱，可以得到气体中的能级分布、相互作用以及辉光强度等信息。
这些数据可以帮助我们进一步理解等离子体的行为规律。
其次，气体辉光放电还是等离子体制备中的一种常用方法。
利用气体辉光放电可以产生强度较高的等离子体，进而用于材料表面处理、等离子体光谱研究以及等离子体化学反应等方面。
例如，利用气体辉光放电可以有效地去除材料表面的有机物污染，并增加其表面能，从而提高材料的附着力和光学性能。
此外，气体辉光放电还在环境污染治理、能源利用等方面发挥着重要的作用。
在环境污染治理方面，气体辉光放电技术可以用于废气处理、废水处理以及固体废弃物处理等。
这是因为气体辉光放电在等离子体化学反应中产生了一系列活性物种，可以高效地降解有机物、净化废气和废水。
在能源利用方面，将气体辉光放电与等离子体催化相结合，可以提高气体转化效率，实现能源的高效利用。
总之，气体辉光放电是一种发光现象，通过在气体中施加电场产生等离子体物理现象。
低温等离子体(介质阻挡放电)
低温等离子体技术简介(介质阻挡放电)所谓等离子体是继固体、气体、液体三态后，列为物质的第四态，由正离子、负离子、电子和中性离子组成,因体系中正负电荷总数相等,故称为“等离子体”。
等离子体按粒子温度可分为平衡态（电子温度=离子温度）与非平衡态（电子温度〉>离子温度)两类.非平衡态等离子体电子温度可上万度，离子及中性离子可低至室温,即体系表观温度仍很低,故称“低温等离子体”，一般由气体放电产生.气体放电有多种形式，其中工业上使用的主要是电晕放电（在去除废气中的油尘上应用已相当成熟)和介质阻挡放电（用于废气中难降解物质的去除）两种。
低温等离子体技术是近年发展起来的废气处理新技术,低温等离子体处理废气的原理为：当外加电压达到气体的放电电压时，气体被击穿，产生包括电子、各种离子、原子和自由基在内的混合体。
低温等离子体降解污染物是利用这些高能电子、自由基等活性粒子和废气中的污染物作用，使污染物分子在极短的时间内发生分解,以达到降解污染物的目的。
低温等离子体的产生途径很多，我们使用的低温等离子体工业废气处理技术采用的放电形式为双介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge,简称DBD)。
装置示意图如图1所示。
图1 介质阻挡放电示意图DBD放电净化设备优点:介质阻挡放电是一种获得高气压下低温等离子体的放电方法，由于电极不直接与放电气体发生接触,从而避免了电极的腐蚀问题.介质阻挡放电等离子体技术具有以下优点：①介质阻挡放电产生的低温等离子体中，电子能量高，几乎可以和所有的气体分子作用。
②反应快，不受气速限制.③电极与废气不直接接触，不存在设备腐蚀问题。
④只需用电，操作极为简单，无需专人员看守，基本不占用人工费。
⑤设备启动、停止十分迅速，随用随开，不受气温的影响。
⑥气阻小,适用于高流速，大风量的废气处理。
⑦工艺已相对成熟。
低温等离子体技术(介质阻挡放电）净化原理为：在外加电场的作用下，介质放电产生的大量携能电子轰击污染物分子，使其电离、解离和激发，然后便引发了一系列复杂的物理、化学反应,使复杂大分子污染物转变为简单小分子安全物质，或使有毒有害物质转变为无毒无害或低毒低害物质,从而使污染物异味得以降解去除.因其电离后产生的电子平均能量在1eV～10eV,适当控制反应条件可以实现一般情况下难以实现或速度很慢的化学反应变得十分快速.其能量传递过程为：电场+电子高能电子受激电子高能电子+受激分子活性基因自由基活性基因+分子（或原子) 生成物+热活性基因+活性基因生成物+热异味废气在介质阻挡放电（DBD）的低温等离子体发生器中，这些废气因子被高能电子轰击后首先被打开成碎片.而尾气中氧气和水气在高能电子作用下发生下列反应O2＋e O·＋O3 + O2-H2O + e HO·＋H废气因子解离的碎片粒子与氧气及O·＋O3 + O2-发生较为复杂的化学反应,降解为CO2和H2O等。
气体放电等离子体
I e I eo exp(
（５）当V
P
eVp kTe
) Iio
VF 时，如图中Ａ点，
探针电位很低，几乎所有的电子都受 到排斥，电子电流趋向于零，正离子 受到强烈的吸引，因而在其附近形成 一个“离子鞘层”，收集全部飞向探 针的正离子，探针电流等于饱和离子 Iio 流 14 io i i
I I 2.5 10 N S kTe
5当时如图中a点探针电位很低几乎所有的电子都受到排斥电子电流趋向于零正离子受到强烈的吸引因而在其附近形成一个离子鞘层收集全部飞向探针的正离子探针电流等于饱和离子流至此我们已明白了单探针的特性曲线变化规律了
气体放电等离子体 单探针“Ｖ－Ｉ”曲线拟合 双探针“Ｖ－Ｉ”曲线的研 究
物理学院：焦利光
一：引言 等离子体是物质存在的第四状态由等量正负电荷离子和中 性粒子组成，整体呈现电中性，他广泛存在于大自然中。现 在，等离子体技术被广泛的应用于工程技术领域，例如：受 控热核反应、空间技术、电子工业、金属加工及广播通讯中。 因此，对等离子体特性的研究无论从理论上还是实践中都有 重要意义。 目前我们在实验上研究的是低温、高真空条件下氦气直流 辉光放电等离子体，要想了解电子温度和电子密度等重要信 息就要对其伏安特性进行测量，一般采用静电探针法。其又 可分为“单探针”和“双探针”两种。单探针法中，探针的 电压易破坏气体的放电状态，测量结果误差较大。而双探针 法的原理是在单探针的基础上实现的，因此要想深入的了解 双探针法，我们有必要先“搞懂”单探针法。
等离子体法脱除氮、硫氧化物（二）
* NH4NO3 及 NH4SO4 生成 NO+O+M NO2 + M NO +HO2 NO2 +OH NO2 + OH + M HNO3 + M NH3 + HNO3 NH4NO3 SO2 SO3 H2SO4 NH4SO4
低温等离子体介绍PPT课件
SH + O2 → SO + OH
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以苯乙烯为例说明：
苯乙烯在高能电子的攻击下，可发生如下反应：
C6H5CH C2 H •
C 6H 5 C H C• H H •
C 6H 5C H C2H e C6H5••CH C2 H
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6-3 第三代等离子体应用于 山东新华制药股份有限公司酯类废气处理
①新华制药异味气 体等离子体处理装 置
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6-4 正在应用和即将应用的工程案例
一． 烟台恒邦化工助剂有限公司黄药生产--异丙(丁、 戊)醇和CS2废气处理
Q=6000M3/h,废气浓度15000mg/L 二. 吉林石化化肥厂污水站—醇、醛、胺类废气处理
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第二代介质阻挡放电工业废气处理装置：
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第三代低温等离子体 工业废气处理装置
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等离子体放电管工作状况图：
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第三代 产品试 验装置
试验现 场
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中石化齐鲁分公司腈纶厂试验装置
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组合式实验平台
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移动式一体化试验平台
设计试验车1辆，组合式试验设备2台，建设实验 室200m2，试验车间1000m2。
移动试验车
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六.工程应用及样板工程
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6-1 第二代等离子体应用于 上海化纤(集团)有限公司H2S、CS2废气处理
等离子体 废气处理 装置图
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6-2 第三代等离子体应用于 齐鲁石化腈纶厂有机胺废气处理
②齐鲁石化腈纶厂 恶臭气体等离子体 处理装置
低温等离子体的产生方法
低温等离子体的产生方法低温等离子体是指温度低于室温、高于绝对零度的气体中的正离子和自由电子共存并局部电中性的状态。
低温等离子体在物理、化学和工程学等领域具有广泛的应用，如等离子体显示器、等离子体刻蚀、等离子体辅助化学反应等。
在以下的回答中，我将介绍几种产生低温等离子体的方法：1.放电法产生低温等离子体：这是最常见的一种方法。
通过在气体中传递电流产生放电，使气体中的分子碰撞、电离、激发从而形成等离子体。
例如，高压电晕放电等离子体是利用电极间的放电空间产生的。
2.激光等离子体产生法：激光可以提供高强度、短脉冲的能量，通过作用于气体或固体材料，产生高温和高电子密度的等离子体。
这种方法常用于激光等离子体刻蚀、激光等离子体化学反应等领域。
3.等离子体电化学法：在液体中使用电流产生等离子体现象。
例如，在含有电解质的溶液中通电，产生电解质的阳离子和自由电子，形成等离子体。
这种方法常用于等离子体修复和合成化学反应等领域。
4.电子束法：通过电子束轰击气体或固体材料，使其电离、激发从而形成等离子体。
这种方法常用于电子束等离子体刻蚀技术、电子束等离子体源等领域。
5.射频等离子体法：通过高频电场（射频场）在气体中激发电离和激发过程，形成等离子体。
在射频等离子体法中，通常使用带有射频电源的电极（如平行板电极、螺旋电极），将气体放置在电极之间形成射频等离子体。
这种方法常用于等离子体刻蚀、等离子体辅助化学反应等领域。
需要注意的是，这些方法产生的低温等离子体都有一定的特性和优缺点。
例如，放电等离子体和射频等离子体相对易于产生，但温度较高，常用于需要高温等离子体的应用；而激光等离子体和电子束等离子体产生的温度较低，但设备复杂、成本较高。
因此，在具体应用时需要根据实际需求选择合适的方法来产生低温等离子体。
低温等离子
图3 射频放电的电极方式
2.2.2.1 原有平行平板射频等离子体聚合装置
2.3 影响等离子体聚合反应的参数
2.3.1 影响等离子体聚合的主要因素（表3） 影响等离子体聚合的主要因素（ ）
表3 等离子体聚合的主要影响因素
等离子体产生的式 直流内极式 交流内极式 电压、电 流密度 电压、电 流密度 电压、电 流密度 高频无极式 单体 频率 单体种类 功率 浓度 真空度 真空度
2.7.1 等离子体聚合膜在光学方面的应用
等离子体聚合物之所以能应用于光学领 域，是由于其具有良好的透光度、物理化学稳 定性以及与基体的紧密连接性。 1. Chen等人发现，有机硅与氮的等离子体 共聚膜在紫外区有吸收功能，可作紫外过滤切 片。 2. Hanabusa在光导纤维芯和复层上聚合上硅 等离子体聚合物和树脂后，其回弹力变好，老 化弯曲强度及光输送损失性能均优于原先的光 导纤维。
高频放电法具有无电极污染，辉光稳定， 适用范围广等优点。但也存在功率小，效率偏 低（通常不超过5%）的缺点。当电场的频率 超过1GHz时，则属于微波放电，最常用的频 率为2550 MHz。
1.3 低温等离子体的作用机理
目前对低温等离子体的作用机理研究认为 是粒子非弹性碰撞的结果。 低温等离子体内部富含电子、离子、自由 基和激发态分子,其中高能电子与气体分子(原 子)发生非弹性碰撞,将能量转换成基态分子(原 子)的内能,发生激发、离解和电离等一系列过 程,使气体处于活化状态。化学反应原理如下 表2所示：
2.4.1 RSGP快速步进增长模型 快速步进增长模型
图5 等离子体聚合的快速步进增长聚合模型
2.4.2 CAP聚合与消融竞争模型 聚合与消融竞争模型
图6 等离子体反应的CAP机理
低温等离子工作原理
低温等离子工作原理一、概述低温等离子是一种利用电离气体产生等离子体的技术，其工作原理基于气体份子在电场作用下发生电离和激发，形成带电离子和自由电子。
低温等离子广泛应用于材料表面处理、光源制备、化学反应、等离子体显示等领域。
二、工作原理1. 气体电离低温等离子的工作原理首先涉及气体电离。
当气体置于电场中时，电场会加速气体份子的运动，使其具有足够的能量与其他份子碰撞。
当份子碰撞能量超过电离能时，份子会失去电子，形成正离子和自由电子。
2. 粒子输运电离后的正离子和自由电子在电场的作用下会受到力的驱动，沿着电场方向运动。
正离子和自由电子的运动速度取决于它们的电荷和质量，通常正离子的质量较大，速度较慢，而自由电子的质量较小，速度较快。
3. 碰撞与复合在低温等离子体中，正离子和自由电子会与其他份子发生碰撞。
这些碰撞可以使正离子和自由电子再次复合成为中性份子，释放能量。
复合过程中释放的能量可以用于激发其他份子或者产生光辐射。
4. 等离子体参数控制低温等离子的工作原理还涉及对等离子体参数的控制。
等离子体的参数包括电子温度、离子密度、电子密度等。
这些参数的控制可以通过调整电场强度、气体种类温和体压力等来实现。
三、应用领域1. 表面处理低温等离子在材料表面处理中具有广泛应用。
通过调整等离子体参数，可以实现对材料表面的清洁、改性、涂层等处理。
例如，等离子体刻蚀可以用于制备微细结构，等离子体沉积可以用于制备薄膜。
2. 光源制备低温等离子可以用于制备各种光源。
通过激发气体份子，可以产生特定波长的光辐射。
这种光源在光谱分析、荧光显示、激光器等领域有重要应用。
3. 化学反应低温等离子可以用于促进化学反应的进行。
等离子体中的高能电子可以激发份子，使其发生化学反应。
此外，等离子体中的活性物种还可以直接参预化学反应，加速反应速率。
4. 等离子体显示低温等离子在等离子体显示器中起到关键作用。
等离子体显示器利用气体放电产生的等离子体来激发荧光材料，产生可见光。
低温等离子体工作原理
低温等离子体工作原理低温等离子体是一种在相对较低温度下产生的等离子体，其工作原理是通过加热气体并施加电场或者电磁场来激发气体份子或者原子，使其电离形成等离子体。
本文将详细介绍低温等离子体的工作原理及其应用。
一、低温等离子体的工作原理低温等离子体的工作原理主要包括以下几个方面：1. 气体激发：在低温等离子体中，通过加热气体使其份子或者原子具备足够的能量，以激发其内部电子。
常用的加热方式包括电阻加热、微波加热和射频加热等。
加热后的气体份子或者原子处于高能级状态。
2. 电离：通过施加电场或者电磁场，使高能级的气体份子或者原子失去一个或者多个电子，形成正离子和自由电子。
这些正离子和自由电子共同组成为了等离子体。
3. 等离子体特性：等离子体具有电中性、导电性和反应性等特性。
正离子和自由电子的运动导致等离子体具有电导率，可以传导电流。
等离子体还具有较高的反应活性，可以参预各种化学反应。
二、低温等离子体的应用低温等离子体在许多领域都有广泛的应用，以下是几个常见的应用领域：1. 环境净化：低温等离子体可以通过氧化、还原和降解等反应来处理废气、废水和废物，达到净化环境的目的。
例如，利用低温等离子体可以将有害气体如甲醛、苯等转化为无害物质。
2. 表面处理：低温等离子体可以在材料表面形成致密的氧化膜或者氮化膜，提高材料的硬度、耐磨性和耐腐蚀性。
这在金属加工、涂层制备和表面改性等方面具有广泛应用。
3. 医疗应用：低温等离子体可以用于医疗领域的消毒、杀菌和治疗。
例如，利用低温等离子体可以杀灭空气中的细菌和病毒，保持医疗环境的洁净。
4. 光源和显示器件：低温等离子体可以用于制备光源和显示器件，如等离子体显示器（Plasma Display Panel，PDP）温和体放电灯。
这些器件具有高亮度、高对照度和宽视角等优点。
5. 等离子体刻蚀：低温等离子体可以用于微电子器件的创造过程中的刻蚀。
通过控制等离子体中的离子能量和密度，可以实现对材料的精确刻蚀，用于创造微细结构。
低温等离子体物理 讲义
低温等离子体物理讲义【原创实用版】目录一、低温等离子体物理简介二、低温等离子体的基本概念三、低温等离子体的产生方法四、低温等离子体的应用领域五、低温等离子体物理的发展前景正文一、低温等离子体物理简介低温等离子体物理学是一门研究低温等离子体的性质和行为的学科。
等离子体是由带正电的离子和带负电的电子组成的一种物质形态，与固态、液态和气态并列为物质的四种基本状态。
与高温等离子体相比，低温等离子体的温度较低，通常在 100 至 1000 摄氏度之间。
这种状态下的等离子体具有许多独特的性质，使其在各种应用领域具有广泛的前景。
二、低温等离子体的基本概念低温等离子体主要由离子、电子和中性粒子组成。
离子是原子或分子失去或获得一个或多个电子而带电的粒子。
电子是负电荷的基本粒子，质量很小。
中性粒子是指不带电的粒子，如原子核、分子等。
低温等离子体的基本概念包括以下几个方面：1.等离子体密度：等离子体中的离子、电子和中性粒子密度。
2.等离子体温度：等离子体中离子、电子的平均动能。
3.等离子体电导率：等离子体对电流的导通能力。
4.等离子体频率：等离子体中电子和离子相互作用产生的振动频率。
三、低温等离子体的产生方法低温等离子体的产生方法有很多，主要包括以下几种：1.气体放电法：通过施加高电压或高频电磁场，使气体分子电离生成等离子体。
2.激光诱导法：利用激光束对气体进行照射，使气体分子电离生成等离子体。
3.电弧放电法：通过电弧放电产生的高温和高压，使气体分子电离生成等离子体。
4.射频放电法：通过射频电磁场作用于气体，使气体分子电离生成等离子体。
四、低温等离子体的应用领域低温等离子体在许多领域具有广泛的应用前景，主要包括以下几个方面：1.表面处理：低温等离子体可以用于材料表面处理，如清洗、去油、去氧化、改性等。
2.环境保护：低温等离子体可以用于废气处理、废水处理等环境保护领域。
3.生物医学：低温等离子体可以用于生物组织切割、凝血、消毒等生物医学领域。
低温气体放电等离子体实验研究
低温气体放电等离子体实验研究一、引言低温等离子体作为一种新型物质状态，在生物医学、材料科学、新能源等领域中有着广泛应用。
其中，低温气体放电等离子体实验研究是探索其基本特性的关键。
二、气体放电等离子体的基本特性气体放电等离子体是指通过电场将气体分子激发到高能级，产生电离和激发，使之形成电离区域而产生的等离子体。
气体放电等离子体的基本特性在于其电子、离子和中性粒子之间的相互作用。
（一）电子和离子电子和离子是低温气体放电等离子体中最为重要的组成部分。
电子在气体中很容易受到分子和原子的碰撞，成为气体离子。
气体离子会与气体分子相互碰撞，再次产生电子和离子。
（二）放电性质气体放电等离子体的形成需要具备一定的电压梯度，所以其形态各异，种类繁多。
放电的形态与气体的种类、气压、电压、频率等因素有关。
在气体放电等离子体实验研究中，常见的有针-板放电、介质放电、微波放电、脉冲放电等多种形式。
（三）等离子体反应低温气体放电等离子体会在化学反应和金属表面的沉积和脱附等过程中发挥作用。
其反应过程包括氢氧化反应、自由基反应、电子转移反应和离子反应。
三、低温气体放电等离子体实验研究低温气体放电等离子体实验研究是探索其基本特性和应用效果的关键。
可以通过不同的实验方法和手段，研究气体放电等离子体的基本特性、放电性质和等离子体反应。
（一）实验方法通常通过介质、微波和脉冲等放电形式，产生低温气体放电等离子体。
实验方法包括原位观测、电子束分析、光谱和化学分析等多种手段。
（二）实验手段通常利用真空系统、分子束设备、快速光谱分析仪、热释光分析仪等手段，在实验中观测和记录气体放电等离子体的基本特性和反应过程。
数字照相技术、电子显微技术、光学干涉技术等也广泛应用于低温气体放电等离子体的探索和研究。
四、低温气体放电等离子体实验研究的应用低温气体放电等离子体在生物医学、材料科学、新能源等领域中有着广泛应用。
其中，生物医学应用主要包括医疗杀菌、肿瘤治疗等；材料科学应用主要包括表面改性、薄膜沉积等；新能源应用主要包括等离子体电池、等离子体发电等。
第4章 气体放电和低温等离子体
阈 值 能 量
极 限 波 长
24
3、其他电离方式 热电离
气体在热状态下引起的电离过程称为热电离。 热电离本质：高速运动的气体分子的碰撞电离和光电离，只 不过能量不是来自电场而是气体分子本身的热能。
气体分子平均动能与分子温度的关系：
波尔茨曼常数 1.38×10-23J/K 热力学温度
3 W kT 2
32
4、亚稳原子在气相沉积中的作用
亚稳原子在离子气相沉积中，既可提高沉积原子的能 量，又可产生累积电离，提高离化率。
亚稳原子是长寿命的受激原子，它的作用首先是使逐 次跃迁和累积电离的可能性增加；另一个重要作用是 进行第二类非弹性碰撞，如前面提到的潘宁电离、中 性亚稳原子之间的碰撞电离等。
33
四、附着—负离子的产生（气体中负离子的形成）
R
h
螺距 h: h v //T v //
2R 2mv 0 cos v qB
6
2、非均匀磁场
带电粒子在非均匀磁场中向磁感应强度增加的方向运动
7
三、带电粒子在电磁场中的运动
1、正交均匀电磁场
当电子初速度v0=0时，电子 在正交均匀电磁场中的运动 是：回旋运动加上一个垂直 于电场和磁场方向的漂移运 动，运动轨迹为旋轮线。 旋轮半径和旋转角频率 mE eB R eB 2 m Y方向前进的漂移速度：
电子从金属电极(阴极)表面逸出来的过程称为电极表面电离。
使阴极释放电子需要的能量: 逸出功。
逸出功与金属的微观结构和表面状态有关, 与金属温度无关。
金属表面逸出功比气体电离能小很多，因此电极表面电离在气 体放电过程中有相当重要的作用。
一些金属的逸出功 金属 铝 银 逸出功 1.8 3.1
物理实验技术中的气体放电与等离子体技术
物理实验技术中的气体放电与等离子体技术近年来，气体放电与等离子体技术在物理实验中得到了广泛的应用。
在科学研究领域中，等离子体被用于研究物质的性质，开展气体放电实验，以及开发新型的电子设备。
本文将探讨气体放电与等离子体技术在物理实验中的应用以及其相关特点和意义。
一、气体放电实验气体放电是指在适当的条件下，气体中存在的电子被加速并与气体中其他原子或分子发生碰撞，从而产生高能态的电离现象。
气体放电实验可通过引入外部电场、施加粒子束等方式来激发气体分子和原子，产生电离，从而形成等离子体。
气体放电实验的一个重要应用是光谱分析。
通过对气体放电后发射的光谱进行分析，可以了解气体元素的谱线特征，从而确定物质的成分和性质。
这在天文学研究中尤为重要，例如利用太阳光的特征谱线来了解太阳的组成和动力学过程。
二、等离子体技术等离子体是一种高度电离的气体，由电子、离子和中性分子共同组成。
等离子体的电离度高，具有很好的导电性和热释放能力，因此被广泛应用于物理实验中。
等离子体技术的一个重要应用是等离子体刻蚀。
利用等离子体的离子和电子能量较高的特点，可以将这些能量转化为物质表面的化学反应能量，从而实现对物质的刻蚀。
这一技术被广泛应用于半导体制造和纳米加工领域。
除了刻蚀，等离子体还可以用于材料表面的改性。
等离子体束可以利用其高能离子的加速能力，将离子束引入到材料的表面，从而改变材料的性质。
例如，通过氮离子束轰击材料表面，可以增强材料的硬度和抗腐蚀性，提高材料的耐磨性。
三、气体放电与等离子体技术的意义气体放电与等离子体技术在物理实验中具有重要的意义。
首先，气体放电实验可以提供关于物质性质的重要信息。
通过观察气体放电时物质的电离行为和发射光谱，可以推断物质的成分、能级结构以及反应机制等。
其次，等离子体技术可以用于制造高性能的电子设备。
利用等离子体刻蚀和表面改性技术，可以在纳米尺度上制造出微电子器件。
这些器件具有更高的性能和更小的尺寸，对信息存储、通信和传感器技术等领域有着广泛的应用。
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。
气体放电等离子体技术的研究及其应用
气体放电等离子体技术的研究及其应用一、概述气体放电等离子体技术是一种将气体激发成电离态而形成等离子体的技术。
这种技术具有广泛的应用领域，如用于工业加工、环境净化、医学治疗和科学研究等方面。
因此，气体放电等离子体技术的研究和应用备受关注。
二、气体放电机理气体放电等离子体的形成原理是电子碰撞离子化作用。
当强电场或高能粒子穿过气体时，会将一部分气体分子中的电子击出，从而形成带正电荷的离子和带负电荷的电子，使气体导电性增强，形成等离子体。
根据气体压力和电压等物理性质，气体放电等离子体可分为辉光放电、弧光放电和冷等离子体等种类。
三、气体放电等离子体的应用1. 工业加工气体放电等离子体技术在工业加工中的应用十分广泛。
例如，在材料表面处理中，通过气体放电等离子体可以增强表面活性，使表面易于吸附、涂覆和成型。
利用等离子体可以进行表面改性、粘接、涂覆和清洗等工艺，有许多产业都在研究和应用。
2. 环境净化气体放电等离子体技术在环境净化中也有着良好的应用前景。
例如，在汽车尾气处理或空气净化方面，利用等离子体进行氧化、还原和水解等反应，可以将有害气体转化成无害化合物。
同时，气体放电等离子体还可以用于城市垃圾、医疗废物和废水的处理等领域。
3. 医疗治疗气体放电等离子体技术在医疗治疗中的应用也不容小觑。
例如，在口腔科医疗中，利用等离子体可以杀死口腔中的细菌，治疗口腔疾病；在皮肤科医疗中，可以使用等离子体治疗疤痕、痤疮和其他皮肤病症。
4. 科学研究气体放电等离子体技术在科学研究领域中也被广泛应用。
例如，在材料、物理和化学领域，等离子体可以用于研究材料表面结构和性质、研究反应动力学和反应机制、研究气体放电等问题。
四、气体放电等离子体技术的发展趋势随着科学技术的不断发展，气体放电等离子体技术也在不断完善和升级。
目前，气体放电等离子体技术的发展趋势主要集中在以下几个方面：1. 提高处理效率随着工业化程度的提高，对于气体放电等离子体技术在应用过程中的处理效率提出了更高的要求。
旭阳教育训练计划----第四章低温等离子体.
如：等离子电视，婴儿尿布表面防水涂层，增加啤酒
瓶阻隔性。更重要的是在电脑芯片中的蚀刻运用，让
网络时代成为现实。
28
郑雷/太阳能研究院设备组
低温等离子体应用
冷等离子体应用
河北东旭投资集团
等离子体的化学过程 刻蚀 化学气相沉积（成膜） 等离子体材料处理 表面改性 表面冶金 光源 冷光源（节能）
本节内容提要：
1气体放电的过程 2等离子的概念、基本特性 3辉光放电
郑雷/太阳能研究院设备组
气体放电的过程
河北东旭投资集团
真空容器达到10~1Pa的某一压力时，接通相距为d的两个电极间的电源 ，使电压逐渐上升。 当电压低时，基于宇宙射线及存在与自然界的极微量放射性物质射线引起 的电离，电路中仅流过与初始电子数相当的暗电流。 随着电压增加，当加速电子能量大到一定值之后，与中性气体原子碰撞使 之电离，于是电子数按等比级数迅速增加，形成电子的繁衍过程。
此时的放电属于非自持放电，特点就是若将原始电离源除去，放电立即停止。 若将原始电离源去掉放电仍能维持，则称为自持放电过程。 郑雷/太阳能研究院设备组
维持气体放电的要素
(1)α过程 阴极发射出一个电子 ，该电子被加速，向阳极移动 。当电子能量超过气体的电离 能后，气体原子被电离成一个 离子和一个电子。这样一个电 子变成两个，重复这一过程， 即实现电子的繁衍。 (2)γ过程 被电子碰撞电离后的 气体离子在阴极的位降作用下 ，轰击阴极表面，产生γ电子( 二次电子)。
其他电离方式
1光电离：光的能量用光量子hν表示，若原子吸收的能量大于 电离能，则可产生光致电离：
2电荷交换：利用离子与中性粒子之间的碰撞，使离子带有的 电荷转移到中性粒子。其中包括：
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二、电离-正离子的形成 (带电质点的产生)
产生带电质点的物理过程称为电离，是气体放电的首要前提。
➢ 电离：若原子从外界获得的能量足够大，以致使一个或几 个电子摆脱原子核的束缚形成自由电子和正离子，这一过 程称为电离。电离所需的能量称为电离能Wi，通常用电子 伏(eV)表示，有时也用电离电位Ui表示， Ui = Wi /e (e为电 子的电荷量)。
电子在上述电磁场作用下，会在阴极表面周围做回旋漂移运 动，称为电子的磁控管运动。发生这一运动的电子，在一定 条件下因回旋辐射，会发射频率为GHz的强电磁波 (微波)。 称这种微波发振管为磁控管。
11
2、电子回旋共振（ECR）
当磁场强度一定时，带 电粒子回旋运动的频率 与速度无关，因此若施 加于此频率相同的变化 电场，则带电粒子将被 接力加速，称为电子回 旋共振。
第四章 气体放电和低温等离子体
1
带电粒子在电磁场中的运动 气体原子的电离和激发 气体放电发展过程 低温等离子体概述 低温等离子体的产生辉光放电 弧光放电 高频放电 低压力高密度等离子体放电
2
4.1带电粒子在电磁场中的运动
一、带电粒子在电场中的运动
1、平行电场
r F
r qE
mar
电子经过电势差为U所得到的能量变成动能。
B
8
2、径向电场和轴向磁场
带电粒子在径向电场中运动， 还要受到轴向磁场的影响。 径向力包括径向电场产生的 电场力，轴向磁场产生的洛 伦兹力，还有离心力。 横向力只有轴向磁场产生的 洛伦兹力。电子和粒子的运 动轨迹如图所示。
电子的回转半径小，回转频率大，最后漂移到阳极上去。离子 的的回转半径大，回转频率小，最后漂移到阴极上去，实现等 离子体分离。
非常重的粒子碰撞非常轻的粒子（θ=0时），轻粒子被碰撞后的 速度为入射重粒子速度的两倍。
非常轻的粒子碰撞非常重的粒子（θ=0时），能量转移比率非常
低。但是电子在由阴极向阳极运动的过程中，由于碰撞频繁，每
秒内传递给气体分子、原子的能量不可忽视。
15
3、非弹性碰撞的能量转移
目标粒子内能与入射粒子 动能之比的最大值：
电子回旋频率与磁场B的关系为： f 2.81010 B
电子在满足上述条件的区域运动，电子将会获得很大的能量， 但由于电子与其他粒子碰撞及电子回旋运动的能量辐射等， 电子获得的动能并不是无限的。利用ECR得到的高能电子， 可以获得更充分的气体放电（高密度的等离子体）。
12
4.2 气体原子的电离和激发
悬殊，内能传递系数为1。即电子几乎是将其所有的动能传递
给中性原子，转换为内能
16
在利用气体放电的气相沉积和干法刻蚀中，离子每发生一 次弹性碰撞，最多可以损失其全部能量。而发生一次非弹性碰 撞，最多可以损失其全部能量的一半；电子在弹性碰撞中几乎 不损失能量，而在非弹性碰撞时几乎把所有能量全部传递给中 性粒子。
非弹性碰撞对于气体放电和等离子体状态的维持至关 重要。
14
2、二体弹性碰撞的能量转移
入射粒子向目标粒子的能量
转移比率：
Et Ei
1 2
mt
ut2
1 2
mi vi2
4mi mt
mi mt 2
cos2
二体弹性碰撞 4mimt
能量传递系数： mi mt 2
当入射粒子与目标粒子质量相同时，能量转移比率最大，说明 同种气体原子间碰撞的能量转移十分有效。
1 mv2 eU 2 故电子与电势差的关系
v 2eU m
3
2、径向电场
两个同轴圆柱电极，两极之间的 电场是径向的。则其强度为：
Er
U1 U2 ln r2
1 rBiblioteka r1设电子以横向速度v0在r=r0处进入此电场，若电子在r=r0处受到 的径向电场力与惯性离心力大小相等，方向相反，则径向加速
度为零，于是电子沿圆周运动，这时电场强度为：
U mt cos2
1 2
mi vi2
mi mt
二体非弹性碰撞内能 mt
传递系数：
mi mt
当离子与气体原子发生第一类非弹性碰撞时，由于其质量大小 差不多，因此内能传递系数为0.5。即离子最多也是将其能量的 一半传递给中性原子，转换为内能。
当电子与气体原子发生第一类非弹性碰撞时，由于质量相差
带电粒子在非均匀磁场中向磁感应强度增加的方向运动
7
三、带电粒子在电磁场中的运动
1、正交均匀电磁场
当电子初速度v0=0时，电子 在正交均匀电磁场中的运动 是：回旋运动加上一个垂直 于电场和磁场方向的漂移运 动，运动轨迹为旋轮线。
旋轮半径和旋转角频率
R
mE eB 2
eB
m
Y方向前进的漂移速度：
E
u
(Er )rr0
mv02 er0
若电子以横向速度v1<v0或者v1>v0,则电子的运动轨迹不为圆周4 。
二、带电粒子在磁场中的运动 1、均匀磁场
当带电粒子沿磁场方向运动时: 粒子作匀速直线运动。
当带电粒子的运动方向与磁场方向 垂直时: 粒子在磁场中做匀速圆周运动。
R mv0 qB
T 2R 2 m 2 qB
v0
qB
Tm
周期和角频率只与B有关。 正离子回转方向与电子方向相反， 且回转半径大、角速度小、周期长
v0
v0
F
5
3）如果
v0
与
B斜交成角：粒子作螺旋运动，
T 2m
qB
v v0
B
v//
R
R mv0 sin
qB
h
螺距 h:
h
v //T
v //
2R v
2mv0 cos qB
6
2、非均匀磁场
9
2、径向电场和轴向磁场
在真空电弧中，带电粒子的轨迹很复杂。在电场作用下做直 线漂移运动，在磁场作用下做回转运动，在不断地碰撞中做 扩散运动。 带电粒子运动轨迹的曲率取决于粒子在两次碰撞间平均完成
旋转的圈数，称为霍耳系数，是重要的等离子体参数。
10
四、磁控管和电子回旋共振
1、磁控管
圆筒形阳极和中心轴阴 极构成电极结构，两电 极间加电场。在轴向有 与电场垂直的外加磁场。
一、碰撞- 能量传递过程 1、弹性碰撞和非弹性碰撞
弹性碰撞：若电子或离 子的动能较小，当其与 他原子或分子碰撞时， 达不到使后者激发或电 离的程度，碰撞双方仅 发生动能交换。
13
1、弹性碰撞和非弹性碰撞
非弹性碰撞：若电子或离子的动能达到数电子伏以上， 碰撞造成原子或分子的内部状态发生变化，例如造成 原子激发、电离、分子解离、原子复合及电子附着等。 这样的碰撞称为非弹性碰撞。