等离子体物理学

等离子体物理学的方法

二. 等离子体的物理特性

等离子体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。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。

描述等离子体的一些主要参量为：

（1）电子温度。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，正离子密度为，在等离子体中。

（3）轴向电场强度。表征为维持等离子体的存在所需的能量。

（4）电子平均动能。

（5）空间电位分布。

本实验研究的是辉光放电等离子体。

1.21带电粒子在均匀恒定磁场和电场中的电漂移（如图3所示）：

由电漂移速度公式

⑵知，带电粒子漂移方向垂直于磁场B 和电场E ，漂移速度的大小与粒子电荷的符号以及粒子的质量都无关，因此，所有正负带电粒子都以相同的速度朝同一方向漂移，不会引起电荷分离，也就不会出现漂移电流。

图2:均匀磁场中带电粒子的回旋图图3：带电粒子电漂移

1.22带电粒子在均匀恒定磁场中重力漂移（如图4所示）：

它是由于粒子在重力场中得到和损失能量时所引起的回旋半径的变化。重力漂移速度与粒子电荷符号有关，正负电荷朝相反的方向漂移，因此会产生电荷分离，引起漂移电流。其他非电性力也有同样的性质。另外，重力漂移速度大小与粒子质量有关，粒子质量越大，漂移速度越大。在许多情况下，重力引起的漂移是可以忽略不计的。

图4：重力漂移

1.3带电粒子在非均匀恒定电磁场中的运动【12】

变化的磁场是指磁场空间分布的非均匀性和磁场随时间的变化，这时粒子的运动方程为：

⑶由于 B 是空间坐标和时间的函数，方程是非线性的，在一般情况下难于求得解析解。然而，如果当回旋半径，螺旋轨道的螺矩远小于非均匀性的特征长度，带电粒子回旋周期远小于场变化的特征时间，即满足所谓的缓变条件能近似地求解运动方程。所以，只要弄清引导中心的漂移运动的性质，就能了解粒子运动的整体特性。这样一种近似处理方法叫做漂移近似。人们广泛利用这种近似来描述强磁场中等离子体的行为。带电粒子在变化磁场中的运动中主要有梯度漂移，曲率漂移：

1.31由磁场梯度引起的梯度漂移（如图5所示）

有关，同时，与电荷符号有关，正负电荷梯度漂移速度与粒子横向动能w

⊥

将沿相反方向漂移，引起电荷分离，并产生漂移电流。

图5：梯度漂移

1.32带电粒子的曲率漂移（图6所示）

设磁力线有轻微的弯曲，磁力线的曲率半径 R 远大于粒子的回旋半径，且满足缓变条件，带电粒子以速度υ沿磁力线运动，同时绕着磁力线

做回旋运动。所以粒子将感受到一个惯性离心力

⑷的作用，其方向沿曲率半径向外。

由一般力场的漂移公式可得漂移速度为:

⑸即曲率漂移速度与粒子纵向动能和电荷符号有关。正负带电粒子朝相反的方向漂移，导致电荷分离，且产生漂移电流。

1.4带电粒子在随时间缓变均匀电磁场中的漂移:(如图7所示)

1.41磁场B随时间缓变，根据法拉第定律，变化的磁场产生感应电场E，带电粒子在磁场B和电场E的作用下作漂移运动【13】，感应电场的力线是轴对称区域中的圆周。E的方向是圆周的切线方向，于是粒子沿半径方向漂移

图6：曲率漂移图7：磁场随时间缓变

1.42磁场B随空间坐标缓变，磁矩μ是守恒的(如图8)

1.43变化电场中的极化漂移【14】（如图9所示）:

设均匀恒定磁场沿z轴，电场E指向x轴方向,它在 y 轴方向按余弦方式变化

⑹

为电场振幅, 它是常量; k 为波数, 相应的波长为：

这里 E

⑺这种空间分布的电场是由相同波长的电荷密度扰动所造成的。等离子体中常常会出现这种形式的扰动。

即粒子开始静止时，突然加一电场E，则只有当粒子被加速到一定速度后才

感受到洛伦磁力的作用并向下运动，如果E为常数，则无进一步的极化漂

如果E突然改变方向，则回旋轨道的左右两移速度，只剩下电漂移速度V

E .

半大小也突然改变，回旋中心就会产生向左的位移，即产生突然向左的极化漂移速度。

图8 :磁场随空间坐标缓变图 9：随粒子在随时间缓变电场中的漂移1.等离子体冶炼

用于冶炼用普通方法难于冶炼的材料，例如高熔点的锆、钛、钽、铌、钒、钨等金属；还用于简化工艺过程，例如直接从ZrCl、MoS、TaO和TiCl中分别获得Zr、Mo、Ta和Ti；用等离子体熔化快速固化法可开发硬的高熔点粉末，如碳化钨-钴、Mo-Co、Mo-Ti-六．等离子的应用及发展前景【18-20】Zr-C等粉末等离子体冶炼的优点是产品成分及微结构的一致性好，可免除容器材料的污染。2．等离子体喷涂

许多设备的部件应能耐磨耐腐蚀、抗高温，为此需要在其表面喷涂一层具有特殊性能的材料。用等离子体沉积快速固化法可将特种材料粉末喷入热等离子体中熔化，并喷涂到基体上，使之迅速冷却、固化，形成接近网状结构的表层，这可大大提高喷涂质量。

3.等离子体焊接

可用以焊接钢、合金钢；铝、铜、钛等及其合金。特点是焊缝平整，可以再加工,没有氧化物杂质,焊接速度快。用于切割钢、铝及其合金，切割厚度大。4．等离子体刻蚀

在半导体制造技术中，等离子体刻蚀是干法刻蚀中最常见的一种方法，等离子体产生的带能粒子在强电场下，朝硅片表面加速，这些例子通过溅射刻蚀作用去除未被保护的硅片表面材料，从而完成一部分的硅刻蚀。

5．等离子体隐身

在军事应用于飞行器的隐身。

6．等离子体核聚变

托克马克及ITER装置，都是研究核聚变应用发电的实例